VZ 111/K314/99

REALIZACE VÝKONOVÉ ČÁSTINAPĚŤOVÉHO IGBT STŘÍDAČE

Interní zpráva katedry K314 - FEL ČVUT Praha

Vypracoval: Petr Kadaník Aktualizováno: 26.11.1999Jaroslav Hybner

V této zprávě je stručně popsán počátek a současný stav realizace napěťového IGBT střídače. Je zdestručně uvedena jeho technická specifikace, blokový popis celého pracoviště a možnosti jeho využití.

V závěru jsou naznačeny další směry, jimiž se hodlá K314 ve vztahu k měničové technice zabývat.

VZ 111/K314/99 strana 2/10

Realizace výkonové části napěťového IGBT střídače Aktualizováno: 17.01.00

ÚvodJedním z cílů výzkumných prací na katedře K314 je již po řadu let snaha o praktické zvládnutínejmodernějších metod řízení asynchronního motoru (ASM) za účelem demonstrace jejich vlastnostípři výuce, případně zhodnocení možností jejich použití pro konkrétní pohonářské aplikace.Současné práce na katedře úzce navazují na projekt nazvaný “Řešení základních metod vektorovéhořízení“, pro který získala K314 grant od GAČR a jenž skončil v roce 1996.V dubnu 1998 byly z prostředků interního grantu ČVUT č.3098082314 “Řízení asynchronního strojemetodou NFO“ zakoupeny nejdůležitější komponenty střídače (IGBT moduly a budiče).Následoval návrh struktury a funkcí elektronického rozhraní pro úpravu vstupních a výstupníchsignálů střídače. Hlavním požadavkem byla univerzálnost tohoto rozhraní, aby jej bylo možné použítpro libovolnou metodu řízení ASM. Deska plošného spoje (DPS) rozhraní a výkonové části bylanavržena programem FORMICA 4.2, jenž byl pro obdobné účely katedrou K314 zakoupen.První verze DPS byla hotova v dubnu 1999. Na základě jejího následného testování byly odhalenyněkteré závažné nedostatky vzniklé při návrhu tohoto prototypu z hlediska EMC. (Hlavně špatnévedení spojů pro řídící signály, jenž mělo za následek indukování “falešných“ spínacích pulsůtranzistorů – viz časové průběhy signálů v příloze). Tyto poznatky byly zohledněny při novém návrhuDPS (dokončena v listopadu 1999). V současné době probíhá její testování.

Realizace celého pracoviště spočívá nejen v návrhu DPS, ale také v konstrukční a výrobní činnosti.Při stavbě je kladen důraz na kompaktnost a praktičnost konstrukce celého střídače, s přihlédnutímk možnostem a vybavení laboratoře L10.

VZ 111/K314/99 strana 3/10

Realizace výkonové části napěťového IGBT střídače Aktualizováno: 17.01.00

Popis navrhovaného pracovištěPři návrhu střídače jsme předpokládali, že bude využíván hlavně v laboratoři L10, kde je k dispoziciregulovatelný zdroj stejnosměrného napětí. Z tohoto důvodu nebylo nutné realizovat vedle střídače iusměrňovač. Blokové schema navrhovaného pracoviště je zobrazeno na obr.1.

Obr.1: Blokové schema navrhovaného pracoviště

Z externího zdroje je tedy na svorky meziobvodu střídače přiváděno stejnosměrné napětí. Pomocnáelektronika je napájena usměrněným napětím 35V, jenž je získáváno galvanicky odděleným zdrojemuvnitř přípravku ze sítě 220V.Nezbytnou součástí pracoviště je řídící procesorová deska, jenž provádí regulační a řídící algoritmy,zpracovává veličiny snímané čidly na desce rozhraní a produkuje vhodné signály pro spínánítranzistorů ve střídači. Procesorová deska (regulátor) komunikuje s PC prostřednictvím sériové linky.

Blokové schema a konstrukční uspořádání střídače

Jednotlivé komponenty střídače jsou instalovány uvnitř ocelové konstrukce (“akvária“). Vstupní avýstupní konektory jsou umístěny na čelní desce konstrukce a přímo na DPS rozhraní.Na obr.2 je vyobrazeno přibližné konstrukční uspořádání střídače.

VZ 111/K314/99 strana 4/10

Realizace výkonové části napěťového IGBT střídače Aktualizováno: 17.01.00

Obr.2: Blokové konstrukční schema střídače

Technický popis komponent střídačeVýkonový IGBT modul

Celá výkonová část střídače je integrována v kompaktním bezpotenciálovém modulu, který obsahujekompletní trojfázový můstek s IGBT tranzistory a zpětnými diodami.

Označení modulu: Skiip 82AC06Výrobce: SEMIKRON

Specifikace:Symbol Podmínka HodnotaUCEmax 600 VUGEmax ± 20 VICmax Tchladič= 25/80°C 60/40 A

pro tp< 1ms 120/80 A

Další vlastnosti:• Modul se k chladiči připevňuje pomocí dvou šroubů.• Výkonové i řídící pružinové kontakty vystupují z modulu. Pomocí stejných šroubů jako pro chladičlze tyto kontakty přitlačit k připravenému motivu plošného spoje s vyvedenými spoji pro výkonové ařídící signály.• Modul obsahuje teplotní čidlo (termistor).

Obr.4: IGBT modul Skiip 82AC06

Pozn.: Podrobná technická specifikace IGBT modulu (DataSheet) je uvedena v příloze této zprávy.

VZ 111/K314/99 strana 5/10

Realizace výkonové části napěťového IGBT střídače Aktualizováno: 17.01.00

Budiče pro IGBT střídač

Spínací signály pro jednotlivé tranzistory střídače produkované řídící procesorovou deskou je třebapřed vysláním na báze tranzistorů upravit (tvarově a výkonově) a galvanicky oddělit řídící avýkonovou část střídače. K tomu slouží tzv.budící obvody. V našem případě jsme zvolili výrobek odstejné firmy, jenž vyrábí i IGBT modul.

Označení budičové desky: SEMIDRIVER SKHI60Výrobce: SEMIKRON

Specifikace:Symbol Význam symbolu HodnotaUS napájecí napětí 15±0.6 VISmax max.odběr proudu 600 mAUiT+ min.úroveň zapínacího (HIGH) vstupního signálu 12.9 VUiT- max.úroveň vypínacího (LOW) vstupního signálu 2.1 VUgon výstupní zapínací budící signál 15 VUgoff výstupní vypínací budící signál 0 VtDT DeadTime 3.0 µs

Další vlastnosti:• Tento budič dokáže spínat IGBT až do UCE=1200 V.• Vyžaduje vstupní signály úrovně CMOS.• Monitorováním UCE zabrání možnému zkratu ve větvi můstku.• Výkonová a řídící část je galvanicky oddělena pomocí pulsních transformátorů.• Implementovaný DeadTime je neměnný (3 µs).• Budičem registrovanou chybu (zkrat, podpětí US) lze vyvést mimo desku a dále zpracovávat.

Obr.5: Blokové schema budiče SKHI60

VZ 111/K314/99 strana 6/10

Realizace výkonové části napěťového IGBT střídače Aktualizováno: 17.01.00

Obr.6: Náčrt DPS budiče SKHI60

Pozn.: Podrobná technická specifikace SKHI60 (DataSheet) je uvedena v příloze této zprávy.

Rozhraní pro úpravu vstupních a výstupních signálů

Základní vlastností realizovaného střídače má být jeho univerzálnost. Měl by být použitelný pro řízeníASM různými, více, či méně sofistikovanými metodami. Proto bylo nezbytné, aby i elektronickérozhraní, jenž je mezičlánkem mezi řídící procesorovou deskou a budiči tranzistorů, splňovalo stejnénároky na univerzálnost.

Podle funkcí lze rozhraní rozdělit do tří částí:• 1 Úprava, stabilizace a galvanické oddělení vstupního napětí pro napájení jednotlivých

komponent rozhraní a budičové desky (obr.7)

Obr.7: Schema pro úpravu napájecích napětí

GND

C5470M/35V C7

C6100

0M/1

6V

J2DC (ext.zdroj)

12

C8

1000M/16V C11

C1247M/10V

C3 C4 C9 C10

78S15U1

1 VI

2AD

J

3VO

78L05U2

1 VI

2G

ND

3VO

D

1N4007

Fuse1 R3

5.1/5W

R2

5.1/5W

R1

5.1/5W

GND

+DC

PWR

in

+15 +5

TEN5-1223

U5

3 GND

2 GND

23 +15V

22 +15V

11-V2

16com

9com

14+V1

TEN5-1223

GND SIGNAL

GND GND SIGNAL

U4

TMA1505

2 GND

1 +15V

4-

6+

-15T

+15

+15T

+15 +5

T

Napájení:15V DC - deska budičů SKHI60

- logika rozhraní (CMOS)- DC/DC měniče TRACO

5V DC - logika rozhraní (TTL)DC/DC měniče TRACO galvanickyoddělují napájecí napětí pro čidla proudu anapětí od země vstupního napájení.

VZ 111/K314/99 strana 7/10

Realizace výkonové části napěťového IGBT střídače Aktualizováno: 17.01.00

• 2 Úprava úrovně vstupních řídících signálů (z řídícího procesoru) a zpracování chybovýchhlášek obvodu budiče IGBT (Obr.8). Vhodným přepojením konektorů lze obvod přizpůsobitvstupním signálům s úrovní TTL nebo CMOS. Chyba zaregistrovaná obvodem budičůSKHI60 může být signalizována prostřednictvím LED diod, nebo ji lze vyvést mimo rozhranía využít ji k ochranným či diagnostickým účelům.

Obr.8: Schema pro úpravu vstupních signálů a zpracování signálů chyb

• 3 Snímání napětí a proudů výkonové části střídače a úprava měřených signálů (obr.9).

Obr.9: Schema pro snímání a úpravu napětí a proudů střídače

R88k2

R98k2

J5

3142

R518k

R618k

R718kD3

GND

D2

J6

Error Jumper

97531

108642

D1GND J9

1 2

J4

3142

GND

J3

3142

J1

I/O S

kiip

/Driv

er S

KHI6

0

GND

GND

+15

Bot3E3

Top3Bot2

E2

Top2

Bot1

E1

Top1

CN2 Digital PWM Input192

103

114

125

136

147

158

4504

U3

16VDD

8 GND

1VCC

14I6

11 I5

9 I4

7 I3

5 I2

3I1

13mode

15O6

12O5

10O4

6O3

4O2

2O1

+15+5

+5

+15+5

E3

E2

E1

GNDJ3

+15

TTL/CMOS

Opt

ion

TTL/

CM

OS

Error OUT

R26LEM25

LTS25-III

6Out3

5Out2

4 Out1

3In3

2In2

1In1

9M

80

7VCC

LEMLM741AH

U82

3

4

5

6

1

7

-

+LV25-P

LV3

2HT-

3 HT+

4M

5+

6-

LV25-P

R25R12

150

R18J18

12 R24

J1712

R17R11

Trim3

2 13

J11

Ur

Ut

-

-DC

+DC

+

LV25-P

LV2

2HT-

3 HT+

4M

5+

6-

LV25-PR10

Trim2

2 13

R23R16

LEM25

LTS25-II

6Out3

5 Out2

4 Out1

3In3

2In2

1 In1

9M

80

7VCC

LEMLM741AH

U72

3

4

5

6

1

7

-

+

R15 Trim1

2 13

LV25-P

LV1

2HT-

3 HT+

4M

5+

6-

LV25-PR14 82k

R22J16

12 R13 82k

J1512

R21J7

1 3

2

J8Ud-NFO

12

R2010k

CN1

Analog OUT

192

103

114

125

136

147

158

LEM25

LTS25-I

6Out3

5 Out2

4 Out1

3In3

2In2

1 In1

9M

80

7VCC

LEM LM741AHU6

2

3

4

5

6

1

7

-

+

R19 20k

C14 C15 C16J14

12

J1312

R27 20k

GND SIGNAL

GND SIGNAL

Ut

Us

Us

+15T-1

5TUr

Ir

Is

Urs

Ust

Idc/It

Udc/Urt

-15T GN

D S

igna

l

+15T

+5T

(Nemusi byt osazen)

Signal z LV2

3x

2x

1xGain

VZ 111/K314/99 strana 8/10

Realizace výkonové části napěťového IGBT střídače Aktualizováno: 17.01.00

Celkový pohled na obě strany navržené DPS univerzálního rozhraní (pracovně nazváno Skiipy II)s rozložením jednotlivých součástek je na obr.10ab. Funkce a možnosti zapojení jednotlivýchkonektorů a přepínačů rozhraní, jakožto i doporučení pro manipulaci se střídačem budou podrobněuvedeny v chystané dokumentaci pro celé pracoviště.

a)

b)Obr.10: Pohled na DPS rozhraní: stana součástek (a) a strana pájení (b)

VZ 111/K314/99 strana 9/10

Realizace výkonové části napěťového IGBT střídače Aktualizováno: 17.01.00

Ostatní části střídače

• Elektrolytický kondenzátorSlouží k filtraci a stabilizaci napětí ve stejnosměrném meziobvoduParametry: 2.7mF/500V, Al šroub.vývody

• Zdroj napětí pro napájení elektronikyPoužili jsme transformátor 220V/24V (1.2A). Jeho výstup je usměrněn a vyhlazen. Vstupní

napájecí napětí rozhraní má tedy hodnotu asi 35V DC.

ZávěrCelé pracoviště, které je popsáno v této zprávě, bude využíváno především doktorandy katedry K314.Je navrženo tak, aby umožnilo řízení ASM různými metodami. Předpokládá se například realizacebezsenzorového řízení ASM metodou přirozeného řízení (NFO) a pomocí Kalmanova filtru. Pokudstřídač místo k ASM připojíme k trojfázové síti, a budeme jej vhodně řídit, lze jej použít i jako aktivnífiltr.V listopadu 1999 byly zakoupeny další výkonové IGBT moduly, tentokrát od firmy MISTUBISHI,které se od výrobků firmy SEMIKRON liší tím, že v sobě integrují kromě výkonové části i budiče projednotlivé tranzistory. Perspektivně by tudíž měly být v laboratoři L10 k dispozici čtyři samostatnéstřídače, využitelné jak pro výuku, tak pro vědecko-výzkumné účely.

VZ 111/K314/99 strana 10/10

Realizace výkonové části napěťového IGBT střídače Aktualizováno: 17.01.00

PřílohyV této sekci jsou zahrnuty materiály , které je odkazováno v textu.

Časové průběhy naměřené na jedné větvi IGBT střídače

Tyto průběhy zachycují stav tranzistorů v jedné větvi střídače v okamžiku, kdy ochranný obvod deskybudičů SKHI60 zaregistroval na dolním tranzistoru napětí UCE>7.0V v době, kdy by měl být sepnutý(na jeho bázi je přiváděn zapínací signál). Obvod budiče následně zablokoval pulsy do všechtranzistorů. Příčinou zvýšení UCE byl falešný puls (na grafu vyznačený kroužkem), jenž se objevil nabázi horního tranzistoru v době, kdy byl sepnutý i dolní. Došlo tedy ke zkratu ve větvi.Tento falešný puls se naindukoval ve spoji vedoucím k bázi horního tranzistoru.Z toho důvodu byla celá deska rozhraní navržena znovu, s přihlédnutím k tomuto problému.

Na závěr jsou přiloženy technické specifikace (katalogové listy) IGBT modulu Skiip 82AC06 abudiče SKHI60.

UCE(horní)

UGE

hornídolníhorní

chyba

Poč átek zkratu(chybová hláška)

Poč átek zkratu(chybová hláška)

UCE(horní)

UGE

horní

dolní

dolní