Схема гальванической развязки для устройства преобразования мощности
INSULATING STRUCTURE FOR POWER CONVERSION DEVICE

Область техники
[0001.] Настоящее изобретение относится к устройствам преобразования мощности, а именно к схеме гальванической развязки для устройств преобразования мощности со сравнительно высоким выходным напряжением.
Предпосылки создания изобретения
[0002.] На фиг. 5 показана конфигурация основной схемы типового трехфазного инвертора. Схема состоит из шести полупроводниковых переключательных устройств. В качестве подобных полупроводниковых переключательных устройств могут применяться IGBT-транзисторы (биполярные транзисторы с изолированным затвором), FET-транзисторы (полевые транзисторы) и т.п. В примере, более подробное описание которого приведено ниже, использованы IGBT-транзисторы, которые часто применяют в мощных устройствах преобразования мощности. Соответственно, ни одна из описанных ниже реализаций не ограничена исключительно IGBT-транзисторами.
[0003.] В трехфазном инверторе, показанном на фиг. 5, отпирающие и запирающие сигналы ON/OFF на затворах IGBT-транзисторов S1-S6 формируются блоком схемы управления, при этом IGBT-транзисторами S1-S6 управляют при помощи блока драйвера затвора, в результате чего получают требуемое выходное напряжение переменного тока. Сигнал затвора для включения и отключения каждого из IGBT-транзисторов определяется в соответствии с напряжением между затвором и эмиттером IGBT-транзистора. К примеру, сигнал затвора ON/OFF на затворе транзистора S1 определяется в соответствии с напряжением между выводом Gs1 и выводом Es1, а сигнал затвора ON/OFF на затворе транзистора S2, включенного последовательно с транзистором S1, определяется в соответствии с напряжением между выводом Gs2 и выводом Es2.
[0004.] Электрический потенциал на выводе Es2 всегда равен электрическому потенциалу на отрицательном выводе (N) блока постоянного тока, тогда как электрический потенциал на выводе Es1 равен электрическому потенциалу на положительном выводе (P) блока постоянного тока, когда транзистор S1 открыт, а когда открыт транзистор S2, электрический потенциал на выводе Es1 равен электрическому потенциалу на отрицательном выводе (N) блока постоянного тока. Поскольку, таким образом, потенциалы на эмиттерах всех IGBT-транзисторов будут отличаться, необходимо, чтобы все напряжения затвор-эмиттер были изолированными напряжениями.
[0005.] На фиг. 6 показан частичный вид управляющего устройства для трехфазного инвертора, предложенного в патентном документе №1. Значения заданного напряжения, заданной частоты и т.п., заданные в операционном блоке 10 оператором, подают в блок 31 формирования сигнала затвора, который входит в состав блока 30 схемы управления. Отпирающие сигналы ON/OFF на затворах транзисторов S1-S6, сформированные в соответствующих блоках 31 формирования сигнала затвора, вводят в соответствующие блоки 50 драйвера затвора, которые изолированы, или развязаны друг от друга, и прикладывают к транзисторам S1-S6 в качестве изолированного напряжения затвор-эмиттер.
[0006.] Сигнал затвора, который вводят из блока 31 формирования сигнала затвора в блок 50 драйвера затворов, изолирован, или гальванически развязан, при помощи оптронной пары 51. При этом электрическая энергия в блоке 50 драйвера затворов, который питается от блока 32 питания из состава блок 30 схемы управления, изолирована, или гальванически развязана, при помощи трансформатора 52.
Таким образом, в типовом трехфазном инверторе блок 30 схемы управления и блок 50 драйвера затвора изолированы, или развязаны, при помощи изолирующего барьера 100.
Список цитируемых документов
Патентные документы
[0007.]
Патентный документ №1: Опубликованный патент Японии №4055115
Непатентные документы
[0008.]
Непатентный документ №1:
R. Steiner. Р.К. Steimer, F. Krismer, J.W. Kolar, Contactless Energy Transmission for an Isolated 100W Gate Driver Supply of a Medium Voltage Converter, Proceedings of the 35th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON 2009), Porto, Portugal, November3-5, 2009, pp. 302-307 («Бесконтактная передача энергии для изолированного 100-ваттного блока питания драйвера затвора высоковольтного преобразователя», Труды 35-й ежегодной конференции Общества промышленной электроники IEEE, Порто, Португалия, 3-5 ноября 2009 года, стр. 302-307).
Сущность изобретения
[0009.] В последние годы со стороны общественности повысились требования к безопасности, поэтому для соответствия таким стандартам безопасности, как IEC-61800-5-1, необходимо соответствующее устройство преобразования мощности. Согласно стандарту IEC-61800-5-1, в схемах с классом D напряжения открытые проводящие части должны иметь защитное соединение (соединение с землей) или должны иметь двойную или усиленную изоляцию.
[0010.] Класс опасности напряжения определяется рабочим напряжением в схеме. Соответственно, блок силовых схем инвертора, выходное напряжение которого составляет 1 кВ и выше, соответствует классу D напряжения.
Следовательно, необходимо защитное заземление или двойная или усиленная изоляция между открытыми проводящими частями, в частности, например, между операционным блоком, к которому пользователь устройства преобразования мощности может прикасаться, и схемой с напряжением класса D напряжения. Поскольку команды и т.п. вводят в схему функционального блока при помощи электрического сигнала, защитное заземление применяться не может.
[0011.] В случае, когда трехфазный инвертор имеет конфигурацию, показанную на фиг. 5 и 6, изолирующий барьер между функциональным блоком 10, к которому может прикасаться пользователь устройства преобразования мощности, и IGBT-транзистором 60, то есть блоком силовых схем инвертора, представляет собой всего лишь одно место в виде изолирующего барьера 100. Чтобы устройство преобразования мощности соответствовало стандарту IEC-61800-5-1, такой изолирующий барьер 100 должен быть усилен или увеличен. Однако усиление изоляции подразумевает большее расстояние между источником и приемником в оптопаре или больший пространственный зазор, что нежелательно увеличивает габариты устройства.
[0012.] Цель настоящего изобретения - предложить устройство преобразования мощности, имеющее схему с двойной изоляцией и малые габариты, подходящее для применения в инверторах, входное и выходное напряжение которых составляет 1 кВ и выше, при этом предложенное устройство соответствует стандарту IEC-61800-5-1.
[0013.] Настоящее изобретение включает устройство управления инвертором, состоящее из полупроводникового переключательного устройства (60), при этом устройство управления имеет блок (30) схемы управления, который формирует сигнал затвора; и блок (50) драйвера затвора, которая подает сформированный сигнал затвора через блок (33, 91, 92, 54) оптической передачи и управляет полупроводниковым переключательным устройством (60); а также блок (40) ретрансляции, размещенный между блоком (30) схемы управления и блоком (50) драйвера затвора, при этом блок (40) ретрансляции имеет блок (41, 44) оптической передачи; блок (42) обработки сигнала и блок (43) питания. Сигнал затвора, сформированный блоком (30) схемы управления, вводят в блок (42) обработки сигнала блока (40) ретрансляции через блок (41) оптической передачи, а выходной сигнал из блока (42) обработки сигнала вводят в блок (50) драйвера затвора через блок (44) оптической передачи. Электрическую энергию переменного тока подают в блок (43) питания блока (40) ретрансляции из источника (20) энергии переменного тока устройства управления через трансформатор (70), при этом электроэнергию переменного тока подают в блок (50) драйвера затвора из блока (43) питания блока (40) ретрансляции через другой трансформатор (71).
[0014.] Также, согласно настоящему изобретению, в блоке (40) ретрансляции имеется энергопередающая катушка (46), в блоке (50) драйвера затвора имеется энергоприемная катушка (55), и высокочастотную электроэнергию переменного тока, сформированную при помощи блока (43) питания блока (40) ретрансляции, передают в энергоприемную катушку (55) блока (50) драйвера затвора при помощи энергопередающей катушки (46).
[0015.] Также, согласно настоящему изобретению, блок (40) ретрансляции, блок (50) драйвера затвора и полупроводниковое переключательное устройство (60) установлены в корпусе (200), выполненном из проводящего материала, при этом корпус (200) соединен с выводом (М) среднего электрического потенциала силовой схемы инвертора.
Краткое описание чертежей
[0016.]
На фиг. 1 показана конфигурация устройства управления инвертором, иллюстрирующая один из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 показана конфигурация устройства управления инвертором, иллюстрирующая другой вариант осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 показана конфигурация устройства управления инвертором, иллюстрирующая еще один вариант осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 показана конфигурация силовой схемы трехфазного инвертора.
На фиг. 5 показана конфигурация силовой схемы трехфазного инвертора.
На фиг. 6 показана конфигурация схемы управления инвертором, которая соответствует существующему уровню техники.
Варианты осуществления настоящего изобретения
[0017.] В настоящем изобретении блок (40) ретрансляции, имеющий блок (41, 44) оптической передачи, блок (42) обработки сигнала и блок (43) питания, размещен между блоком (30) схемы управления и блоком (50) драйвера затвора, которые образуют схему управления инвертором (60). Сигнал затвора, сформированный блоком (30) схемы управления, вводят в блок (42) обработки сигнала блока (40) ретрансляции через блок (41, 91) оптической передачи и выводят в блок (50) драйвера затвора из блока (42) обработки сигнала через блок (44, 92) оптической передачи. При этом электроэнергию переменного тока подают в блок (43) питания блока (40) ретрансляции от низковольтного источника питания (20) переменного тока устройства управления через трансформатор (70), выдерживающий высокое напряжение. Также электроэнергию переменного тока подают в блок (50) драйвера затвора из блока (43) питания блока (40) ретрансляции через трансформатор (71), выдерживающий высокое напряжение. Ниже настоящее изобретение, выполненное в соответствии с предшествующим описанием, будет описано более подробно.
[0018.] На фиг. 1 показана конфигурация устройства управления, предложенного в первом варианте осуществления настоящего изобретения. Для элементов, аналогичных элементам и компонентам, показанным фиг. 6, или соответствующим им элементам и компонентам, использованы аналогичные обозначения. В качестве конфигурации инвертора применена конфигурация трехфазного инвертора, проиллюстрированная на фиг. 5. Трехфазным инвертором управляют при помощи формирования и регулирования отпирающих и запирающих сигналов ON/OFF IGBT-транзисторов S1-S6 в блоке 31 драйвера затвора из состава блока 30 схемы управления, в результате чего получают выходное напряжение переменного тока, соответствующее управляющему значению напряжения, управляющему значению частоты и другим параметрам, заданным в операционном блоке 10 оператором.
[0019.] Значения управляющего напряжения, управляющей частоты и других параметров, заданные в операционном блоке 10, вводят в блок 31 формирования сигнала затвора, расположенный в блоке 30 схемы управления. Отпирающие и запирающие сигналы ON/OFF IGBT-транзисторов S1-S6, сформированные блоком 31 формирования сигнала затвора, преобразуют из электрической в оптическую форму сигнала при помощи оптического передатчика 33, то есть блока оптической передачи, и вводят в блок 40 ретрансляции. Электрическую энергию для приведения в действие блока 31 формирования сигнала затвора подают из источника 20 питания переменного тока устройства управления при помощи блока 32 питания.
[0020.] Сигнал затвора, переданный из блока 30 схемы управления, вводят в оптический приемник 41, расположенный в блоке 40 ретрансляции, по оптическому волокну 90, и снова преобразуют из оптической формы в форму электрического сигнала, и затем вводят в блок 42 обработки сигнала. Функции блока 42 обработки включают в себя выполнение процедуры, которая устанавливает сигнал затвора в значение OFF («отключено»), если в блоке 40 ретрансляции возникает аномальный режим. Сигнал затвора, который выводят из блока 42 обработки сигнала, снова преобразуют из электрической формы в форму оптического сигнала при помощи оптического передатчика 44 и вводят в блок 50 драйвера затвора. Электроэнергию, изолированную при помощи трансформатора 70, вводят из блока 43 питания в блок 40 ретрансляции и подают в блок 42 обработки сигнала. При этом часть электроэнергии, подаваемой от трансформатора 70, вводят в трансформатор 71. В качестве трансформатора 70 и трансформатора 71 применяют трансформаторы, выдерживающие разность потенциалов, образующуюся между цепями первичной и вторичной обмотки.
[0021.] Сигнал затвора, переданный из блока 40 схемы управления, вводят в оптический приемник 54, расположенный в блоке 50 ретрансляции, по оптическому волокну 92, и снова преобразуют из оптической формы в форму электрического сигнала, и затем вводят в блок 53 обработки сигнала. Драйвер 53 затвора управляет напряжением затвор-эмиттер IGBT-транзистора 60. Электроэнергию, необходимую для функционирования драйвера 53 затвора, подают от трансформатора 71 через выпрямитель 56.
[0022.] На фиг. 1 показана конфигурация схемы управления только для одного из шести IGBT-транзисторов, образующих трехфазный инвертор. При помощи аналогичного подключения блока 30 схемы управления, блока 40 ретрансляции и блока 50 драйвера затвора для всех остальных IGBT-транзисторов возможно управление всеми IGBT-транзисторами S1-S6, показанными на фиг. 5. При этом вместо оптических волокон 91 и 92 в качестве блока оптической передачи может применяться также оптронная пара, показанная на фиг. 6.
[0023.] В устройстве преобразования мощности, показанном на фиг. 1, изоляция, или развязка, обеспечивается в двух местах при помощи изолирующего барьера 110 и изолирующего барьера 120. То есть, сигнал затвора гальванически развязан между блоком 30 схемы управления и блоком 40 ретрансляции при помощи оптического волокна 91. Управляющая мощность гальванически развязана при помощи трансформатора 70. Сигнал затвора гальванически развязан между блоком 40 ретрансляции и блоком 50 драйвера затвора при помощи оптического волокна 92. При этом управляющая мощность гальванически развязана при помощи трансформатора 71.
[0024.] Согласно стандарту IEC-61800-5-1 в схемах с классом D напряжения открытые проводящие части должны иметь защитное соединение (заземление) или должны иметь двойную, или усиленную, гальваническую изоляцию от других схем с классом D напряжения. Класс опасности напряжения определяется рабочим напряжением в схеме. Соответственно, блок силовых схем инвертора, выходное напряжение которого составляет 1 кВ и выше, соответствует классу D напряжения. Если конфигурация изоляции, показанная на фиг. 1, применяется для инвертора, входное и выходное напряжение которого составляет 1 кВ и выше, то операционный блок 10 будет развязан, или изолирован, двойной изоляцией от блока силовых схем IGBT-транзистора 60, соответствующего классу D напряжения. Соответственно, такая конфигурация отвечает требованиям стандарта IEC-61800-5-1.
[0025.] В соответствии с данным вариантом осуществления настоящего изобретения, поскольку беспрепятственно могут быть сокращены расстояния между источником и приемником в оптопаре и пространственный зазор, габариты схемы гальванической развязки для устройства также могут быть уменьшены, поскольку не требуется усиленная изоляция каждой из управляющих частей.
[0026.] На фиг. 2 показан второй вариант осуществления настоящего изобретения. Он отличается от варианта, показанного на фиг. 1, тем, что вместо трансформатора 71 для приема и подачи управляющей мощности между блоком 40 ретрансляции и блоком 50 драйвера затвора применены энергопередающая катушка 46 и энергоприемная катушка 55.
[0027.] То есть, электроэнергию, гальванически развязанную при помощи трансформатора 70, вводят в блок 45 питания, расположенный в блоке 40 ретрансляции, и подают в блок 42 обработки сигнала. В то же время в блоке 45 питания формируют высокочастотную электрическую энергию переменного тока, и сформированную высокочастотную электрическую энергию переменного тока вводят в энергопередающую катушку 46, затем эту электрическую энергию бесконтактно передают в энергоприемную катушку 55, расположенную в блоке 50 драйвера затвора, при помощи энергопередающей катушки 46.
[0028.] Электроэнергию переменного тока, принятую при помощи приемной катушки 55, преобразуют в электроэнергию постоянного тока 56 при помощи выпрямителя 56 и используют в качестве управляющей мощности (источника управляющей мощности) для драйвера 53 затвора. В данном случае бесконтактная передача мощности между энергопередающей катушкой 46 и энергоприемной катушкой 55 может быть реализована, к примеру, так, как описано в непатентном документе №1. В остальных аспектах функционирование устройства аналогично описанному в отношении фиг. 1.
[0029.] В общем, по сравнению с низковольтными трансформаторами напряжения, габариты и вес трансформаторов, устойчивых к высокому напряжению, велики, и стоимость их также высока. Следовательно, благодаря данному варианту осуществления настоящего изобретения, схема развязки может иметь меньшие габариты и стоимость, чем в варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 1.
[0030.] Фиг. 3 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует третий вариант осуществления настоящего изобретения. В том случае, когда высокочастотную электрическую энергию переменного тока формируют в блоке 40 ретрансляции и бесконтактно передают в блок 50 драйвера затвора в соответствии с иллюстрацией фиг. 2, происходит утечка части этой высокочастотной электрической энергии переменного тока в окружающее пространство в форме помехового электромагнитного поля. Также помехи формируются в IGBT-транзисторе 60 из-за операций переключения большой мощности. Если такие помехи попадут в блок 30 схемы управления, в этой схеме может возникнуть неисправность, что может привести также к неисправности устройства преобразования мощности.
[0031.] Вариант осуществления настоящего изобретения, показанный на фиг. 3, представляет собой решение, в котором попадание формируемых помех в блок 30 схемы управления исключено. Чтобы исключить попадание формируемых помех в блок 30 схемы управления, блок 30 схемы управления, блок 40 ретрансляции, блок 50 драйвера затвора и IGBT-транзистор 60 помещены в корпус 200, выполненный из проводящего материала. Таким образом, утечки помехового электромагнитного поля, формируемого энергопередающей катушкой 46, из корпуса 200 не происходит. Также, за счет того, что корпус 200 подключен к выводу М среднего электрического потенциала силовой схемы инвертора, показанной на фиг. 4, размер схемы гальванической развязки (изолирующей структуры) устройства может быть дополнительно уменьшен.
[0032.] То есть, за счет размещения блока 40 ретрансляции, блока 50 драйвера затвора и IGBT-транзистора 60 внутри корпуса 200, поскольку блок 30 схемы управления защищен от воздействия помехового электромагнитного поля, измерения помех для блока 30 схемы управления не являются необходимыми. Кроме того, поскольку корпус 200 подключен к выводу М, то есть имеет электрический потенциал, средний между потенциалами выводов P и N силовой схемы инвертора, пространственный зазор между корпусом 200 и силовой схемой инвертора может быть уменьшен, и, следовательно, могут быть уменьшены габариты схемы гальванической развязки (изолирующей структуры) устройства. В данном примере C1 и C2 на фиг. 4 - конденсаторы.
[0033.] Если корпус 200 заземлен и электрический потенциал вывода N равен потенциалу земли, то при размещении корпуса 200 необходим пространственный зазор между выводом Р и корпусом 200, чтобы обеспечить пространственный зазор, достаточный для напряжения между выводами Р и N силовой схемы. В этом отношении, если корпус 200 соединен с выводом М среднего электрического потенциала, как в третьем варианте осуществления настоящего изобретения, зазор при установке корпуса 200 не является ограничением, при условии, что обеспечен достаточный пространственный зазор для половинного напряжения между выводами P и N. Таким образом, удается избежать чрезмерного увеличения габаритов устройства.
[0034.] Также в данном варианте осуществления настоящего изобретения, габариты устройства могут быть дополнительно уменьшены за счет того, что в корпусе 200 размещен только необходимый минимум функциональных элементов. То есть, в корпусе 200 размещают только блок 40 ретрансляции, блок 50 драйвера затвора и IGBT-транзистор 60, что необходимо для обеспечения пространственного зазора, тогда как операционный блок 10, блок 30 схемы управления и трансформатор 70, работающие исключительно на низком напряжении, не являются необходимыми для обеспечения пространственного зазора и размещены снаружи корпуса 200. Подобная схема обеспечивает большую гибкость при выборе вариантов размещения блока 30 схемы управления и трансформатора 70 и позволяет уменьшить общие габариты устройства.
[0035.] В данном примере, а также в устройстве, показанном на фиг. 1, тот же результат, что и в третьем варианте осуществления настоящего изобретения, может быть достигнут размещением в корпусе 200 только блока 40 ретрансляции, блока 50 драйвера затвора и IGBT-транзистора 60.
[0036.] Как следует из приведенного выше описания, устройство преобразования мощности, в соответствии с настоящим изобретением, может отвечать стандартам безопасности, которые определены документом IEC-61800-5-1, и при этом может иметь меньшие габариты и стоимость, без необходимости обеспечения усиленной изоляции. Также, за счет того, что блок ретрансляции, блок драйвера затвора и полупроводниковое переключательное устройство размещены в корпусе из проводящего материала, а корпус соединен со средней точкой электрического потенциала напряжения силовой схемы, может быть снижен уровень помех, формируемых устройством управления, а также уменьшен допустимый пространственный зазор. Соответственно, могут быть уменьшены общие габариты устройства.