УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВОЙ СБОРКОЙ

Предлагаемая полезная модель относится к области силовой электроники, к области транзисторных преобразователей инверторного типа, в частности, к системам управления силовыми транзисторами, и может быть использована в энергетике, в преобразователях распределительных сетей и для управления электрическими приводами.
Известна схема управляемого электронного модуля (RU 86813 U1, МПК: Н02М 9/02, Н02Р 5/00, опубликован 10.09.2009 г., [1]), которая содержит последовательно соединенные контроллер, драйвер с шестью парами независимых выходов и трехфазный инвертор, выполненный на трех транзисторных полумостах, образованных двумя последовательно включенными транзисторами, причем стоки (коллекторы) верхних транзисторов полумостов соединены с положительной шиной источника питания инвертора, а каждый исток (эмиттер) нижних транзисторов имеет отдельный выход, кроме того, шесть пар независимых выходов драйвера соединены с управляющими входами соответствующего транзистора, а выводы общих точек транзисторов полумостов образуют три выхода инвертора. При этом с целью расширения функциональных возможностей на другие типы электродвигателей, а также преобразователей напряжения, формирования любых возможных регулировочных характеристик электропривода инвертор снабжен четвертым полумостом с отдельными выводами стока (коллектора) и истока (эмиттера) и общей точки, а драйвер и контроллер дополнены элементами управления четвертым полумостом, идентичными по исполнению с элементами управления каждого из первых трех полумостов, причем контроллер имеет входы аналоговых и цифровых сигналов.
Недостатками управляемого модуля [1] являются не достаточная надежность за счет возможности одновременного включения сразу двух транзисторов одного и того же плеча инвертора из-за отсутствия элементов, обеспечивающих требуемую задержку между выключениями одного и включениями другого транзистора одного и того же плеча. Кроме того, управляемый модуль [1] имеет низкую помехоустойчивость вследствие использования гальванической связи между управляющей и силовой схемами модуля [1], большое количество соединительных проводов, что ограничивает его применение из-за увеличенных габаритов, а также повышенные требования к электробезопасности.
Известно также устройство управления силовыми ключами (IGBT- или МДП-транзисторами) инвертора (RU №71191 U1, МПК: Н02М 1/08, опубликован 27.02.2008 г., [2]), содержащее микропроцессорный контроллер или другой генератор ШИМ-импульсов, который формирует многоканальную систему импульсов ШИМ, и гибридные или интегральные микросхемы драйверов на входе силовых ключей. С целью обеспечения синфазности импульсов, передаваемых к параллельно или/и последовательно включенным силовым ключам инвертора, повышенной помехоустойчивости и уменьшения числа проводов управления между микропроцессорным контроллером и драйверами силовых ключей в устройство включают вспомогательный маломощный инвертор на МОП-транзисторах, собранный по трехфазной мостовой схеме и содержащий резисторы, включенные последовательно с каждым из этих транзисторов в каждом плече моста, два последовательно включенных конденсатора одинаковой емкости, подключенных к входным выводам инвертора, параллельно к каждому из которых включены резисторы, имеющие одинаковое сопротивление, при этом средняя точка между двумя конденсаторами и резисторами соединена с нулевой точкой трехфазной нагрузки инвертора, в качестве которой включен в каждую из трех фаз резистор, падение напряжения на котором используют как импульсы двух каналов управления силовыми ключами одного мостового инвертора от резисторов каждой фазы к драйверам через двухканальные оптроны.
Недостатком устройства [2] является отсутствие временной задержки между сигналами на транзисторах одного и того же плеча трехфазного мостового инвертора, что не обеспечивает их раздельного включения и снижает надежность устройства, так как при протекании тока через резисторы, стоящие в фазе, падение напряжения на них такое, что через один из оптронов протекает ток, а через другой - нет. Это означает, что один транзистор открыт, а другой - нет. При смене полярности напряжения на резисторе, тот оптрон, который находился в открытом состоянии, закроется, а другой, который был закрыт, откроется, при этом никакой временной задержки не может быть, так как оптроны работают в противофазе.
Кроме того, не возможно применение устройства [2] в высоковольтных преобразователях из-за ограниченных возможностей оптронов в части невысокого напряжения гальванической развязки (между входом и выходом), не обеспечена высокая помехоустойчивость за счет незначительной удаленности цепей управления (микропроцессорного контроллера и вспомогательный маломощный инвертор на МОП-транзисторах) от силовой схемы преобразователя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству и выбранным в качестве прототипа является интеллектуальный силовой модуль (IPM) известный из (www.electronics.ru, «Электронные компоненты», №9-2008 г., Дискретные силовые компоненты и сборки, «Система в модуле - современный путь развития силовой электроники», стр.50-57, [3]), содержащий: контроллер как интерфейс и алгоритм включения/выключения силовых элементов; драйвер как устройство гальванической развязки между контроллером и силовой частью, обеспечивающее формирование сигналов управления затворами транзисторов необходимого уровня и мощности, контроль состояния транзистора и управление его режимом; силовую сборку, в которую входит инвертор или мост на MOSFET- или IGВТ-транзисторах. Гальваническая развязка управления может выполняться посредством волоконно-оптической линий связи (ВОЛС-развязка), что решает проблемы помехозащищенности, обеспечения необходимого быстродействия и высокого напряжения гальванической развязки с возможностью размещения схемы управления с микропроцессором на значительном расстоянии (до десятков метров) от силовой сборки.
Недостатком устройства-прототипа [3] является отсутствие временной задержки между выключением одного транзистора и включением другого в одном и том же плече моста силовой сборки, так как сигналы управления с контроллера поступают на вход драйвера каждого транзистора, что не может гарантировать исключения ситуации, в которой оба транзистора одного и того же плеча моста будут находиться в проводящем состоянии (один транзистор еще не выключился и по этому находится в проводящем состоянии, а другой - включился).
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства управления транзисторами силовой сборки обеспечивающего раздельное включение транзисторов одного и того же плеча моста силовой сборки с достаточной временной задержкой при сохранении достоинств устройства-прототипа [3].
Технический эффект от решения поставленной задачи заключается в повышении надежности непосредственно силовой сборки и использующих ее преобразователях распределительных сетей и устройств для управления электрическими приводами за счет исключения вероятности одновременного включения двух транзисторов одного и того же плеча моста и выхода из строя силовой сборки.
Решение поставленной задачи и получение соответствующего результата достигаются тем, что устройство управления силовой сборкой, содержащее последовательно соединенные микропроцессорный контроллер или другой генератор ШИМ-импульсов, блок драйверов и силовую сборку, которая выполнена по мостовой схеме с, по меньшей мере, одним транзисторным плечом, образованным двумя последовательно включенными транзисторами, и систему волоконно-оптических линий связи по числу транзисторов в силовой сборке, при этом блок драйверов имеет число независимых входов и число пар независимых выходов равное числу транзисторов в силовой сборке, причем пары независимых выходов гальванически соединены с затворами (базами) и стоками (коллекторами) транзисторов соответственно, а каждый независимый вход блока драйверов соединен с оптическим приемником на конце оптического волокна соответствующей волоконно-оптической линии связи, которая имеет оптический передатчик на другом конце ее оптического волокна, снабжено усилителями-разделителями сигнала управления плечом моста силовой сборки по числу плеч моста в силовой сборке, каждый из которых имеет пару независимых выходов и выполнен с возможностью формирования сигнала на одном независимом выходе с временной задержкой относительно сигнала на другом его независимом выходе не менее времени выключения транзистора силовой сборки. При этом микропроцессорный контроллер или другой генератор ШИМ-импульсов формирует систему ШИМ-импульсов с числом каналов равным числу плеч моста в силовой сборке, вход каждого усилителя-разделителя сигнала управления плечом моста силовой сборки соединен с соответствующим выходом канала микропроцессорного контроллера или другого генератора ШИМ-импульсов, а его пара независимых выходов - с оптическими передатчиками на концах оптических волокон соответствующих волоконно-оптической линии связи.
Так как время выключения транзисторов силовой сборки превышает время их включения, то введение в устройство управления силовой сборкой усилителей-разделителей сигнала управления плечом моста силовой сборки, в каждом из которых сигнал управления на одном независимом выходе формируется с временной задержкой относительно сигнала на другом его независимом выходе не менее времени выключения транзистора силовой сборки, гарантированно обеспечивает раздельное включение транзисторов в одном плече с достаточным временным интервалом между моментами выключения одного и включением другого транзисторов плеча, что повышает надежность работы силовой сборки и устройств, использующих ее.
Сопоставительный анализ предлагаемого устройства с известными из уровня техники устройствами управления силовыми ключами инвертора и отсутствие описания аналогичного схемотехнического решения в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемой полезной модели критерию «новизна».
На фигуре схематически показано устройство управления силовой сборкой, которая выполнена по трехфазной мостовой схеме.
Представленное на фигуре устройство управления силовой сборкой содержит соединенные последовательно: микропроцессорный контроллер (или другой генератор ШИМ-импульсов) - 1; блок драйверов - 2; силовую сборку - 3, выполненную по мостовой схеме на базе шести транзисторов - 4, 5, 6, 7, 8 и 9 с тремя транзисторными плечами, каждое из которых состоит из двух последовательно включенных транзисторов 4-5, 6-7 и 8-9; систему волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) - 10 по числу транзисторов (шесть) в силовой сборке 3, каждая из которых имеет оптическое волокно - 11 с оптическим передатчиком - 12 и оптическим приемником - 13 на противоположных его концах; три (по числу плеч моста в силовой сборке 3) усилителя-разделителя - 14 сигнала управления плечом моста силовой сборки 3, каждый из которых имеет пару независимых выходов (общее количество выходов равно числу транзисторов - шести). При этом усилители-разделители - 14 формируют сигналы управления транзисторами соответствующего плеча моста силовой сборки 3 с временной задержкой сигнала на одном из независимых выходов относительно сигнала на другом независимом выходе не менее времени выключения транзистора силовой сборки 3.
Транзисторы 4, 5, 6, 7, 8 и 9 в силовой сборке могут быть любого типа - биполярные, полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT-транзисторы). Истоки (эмиттеры) верхних транзисторов 4, 6, 8 соединены с положительной шиной - 15 источника питания (не показан). Отрицательная шина - 16 источника питания соединена со стоками (коллекторами) нижних транзисторов 5, 7, 9. Выход силовой сборки 3 - средние точки плеч моста имеет выходы 17, 18 и 19.
Микропроцессорный контроллер 1 формирует систему ШИМ-импульсов по трем каналам в соответствии с числом плеч в силовой сборке, выходы которых соединены цепями управления 20, 21, 22 с входами усилителей-разделителей 14 сигнала управления плечом моста силовой сборки 3, пары независимых выходов которых посредством цепей управления 23 и 24, 25 и 26, 27 и 28 соединены с оптическими передатчиками 12 на концах оптических волокон 11 соответствующих ВОЛС 10.
Блок драйверов 2 имеет число независимых входов и число пар независимых выходов равное шести (по числу транзисторов в силовой сборке 3). Причем входы блока драйверов 2 соединены цепями управления 29…31 с оптическими приемниками 13 на концах оптических волокон 11 соответствующих ВОЛС 10, а пары его независимых выходов цепями управления 32…43 гальванически соединены с затворами (базами) и стоками (коллекторами) транзисторов 4, 6, 8, 9, 7 и 5 соответственно.
Устройство работает следующим образом.
В качестве микропроцессорного контроллера 1 могут быть использованы как классические микроконтроллеры, так и микропроцессоры различных фирм-производителей. Так как эти микропроцессоры и микроконтроллеры могут быть запрограммированны произвольными способами, то их конкретная модель (а также их производитель) выбирается исходя из требований к преобразовательному устройству. В качестве усилителей-разделителей 14 сигнала управления можно использовать драйверы управления плечом моста фирмы International Rectifier, которые обладают всеми необходимыми свойствами. В качестве волоконно-оптической линии связи 10 можно использовать полимерное оптическое волокно, на концах которых могут стоять оптические приемники и оптические передатчики фирмы Agilent Technologies, Inc.
Микропроцессорный контроллер - 1 формирует ШИМ-сигналы управления. Эти сигналы по цепям управления 20…22 поступают на входы усилителей-разделителей 14 сигнала управления плечом моста (на основе, например, IGВТ-транзисторов) силовой сборки 3, в которых полученный сигнал усиливается и с двух независимых выходов усилителей-разделителей 14 сигналы для управления парой силовых транзисторов поступают по цепям управления 23-24, 25-26, 27-28 на вход оптических передатчиков - 12. При этом если сигнал на входе усилителя-разделителя 14 равен по уровню сигналу логической единицы, то на одном его выходе установится сигнал, равный по уровню сигналу логической единицы, а на другом - сигнал равный по уровню сигналу логического нуля. Если же сигнал на входе усилителя-разделителя 14 поменяется и станет равным по уровню сигналу логического нуля, то на выходе, где был установлен сигнал логической единицы, установится сигнал равный по уровню сигналу логического нуля, а на втором его выходе через необходимое время (время выключения транзистора) установится сигнал равный сигналу логической единицы. В оптическом передатчике - 12 происходит преобразование электрических сигналов в эквивалентные световые сигналы. Таким образом, с выходов оптических передатчиков - 12 световой сигнал поступает через разные полимерные оптические волокна - 11 на входы оптических приемников - 13, где происходит преобразование светового сигнала в эквивалентный электрический. С выхода каждого оптического приемника - 13 электрический сигнал по цепям управления 29…34 поступает на входы блока драйверов 2 управления IGBT-транзисторами 4, 5, 6, 7, 8 и 9 силовой сборки - 3. Таким образом, сигнал с выхода микропроцессорного контроллера - 1 без искажений поступает на входы блока драйверов 2 для управления IGBT-транзисторами в силовой сборке - 3. С выходов блока драйверов - 2 сигналы по цепям управления 35…46 поступают на соответствующие входы IGBT-транзисторов - 4, 6, 8, 9, 7, 5 соответственно. Таким образом, силовые IGBT транзисторы вступают в работу. Причем если один транзистор любого плеча будет находиться в проводящем состоянии, то другой транзистор того же плеча будет находиться в непроводящем состоянии. При переходе одного транзистора в любом плече из проводящего состояния в непроводящее состояние второй транзистор того же плеча сможет перейти из непроводящего состояния в проводящее состояние гарантированно не раньше перехода первого транзистора в непроводящее состояние за счет временной задержки сигнала в цепи управления (на независимых выходах каждого усилителя-разделителя) не менее времени выключения транзистора.
Кроме того, устройство управления силовой сборки по приведенной на фигуре схеме отличается простотой исполнения, малым числом компонентов, сравнительно малым числом полупроводниковых приборов, малыми габаритами, обладает повышенной помехоустойчивостью за счет передачи импульсов управления от микропроцессорного контроллера 1 к блоку драйверов 2 транзисторов силовой сборки 3 с использованием полимерного оптического волокна 11. А это позволяет снизить не только уровень помехочувствительности устройства, но и значительно сократить материальные затраты.