Endüstriyel motor sürücüsünde kısa devre koruması nasıl başarılı ve güvenilir bir şekilde gerçekleştirilir?
Endüstriyel motor sürücülerinin genel pazar eğilimi, daha yüksek verimlilik, güvenilirlik ve kararlılık gereksinimlerinin artmaya devam etmesi ve güç yarı iletken cihaz üreticilerinin iletim kaybı ve anahtarlama süresinde atılımlar aramaya devam etmesidir. Yalıtılmış geçit bipolar transistörlerinin (IGBT) iletim kaybını artırmak için bazı ödünleşimler şunlardır: daha yüksek kısa devre akım seviyeleri, daha küçük yonga boyutu ve daha düşük ısı kapasitesi ve kısa devre dayanım süresi. Bu, kapı sürücü devresinin ve aşırı akım algılama ve koruma fonksiyonlarının önemini vurgular.
Bugün, modern endüstriyel motor sürücülerinde kısa devre korumanın başarılı ve güvenilir uygulamasını tartışacağız ve üç fazlı motor kontrol uygulamalarında izole edilmiş kapı sürücülerinin deneysel örneklerini sunacağız.
Endüstriyel ortamda kısa devre
Endüstriyel motor sürücülerinin çalışma ortamı nispeten serttir ve yüksek sıcaklık, AC hattı geçişleri, mekanik aşırı yük, kablolama hataları ve diğer beklenmedik durumlar meydana gelebilir. Bu olaylardan bazıları, motor sürücüsünün güç devresine büyük bir aşırı akımın girmesine neden olabilir. Şekil 1, üç tipik kısa devre olayını göstermektedir.
Şekil 1. Endüstriyel motor sürücülerinde tipik kısa devre olayları
Endüstriyel motor sürücülerinde üç tipik kısa devre olayı:
1. Evirici bitti. Bunun nedeni, inverter kollarından birinin iki IGBT'sinin yanlış açılması olabilir ve bu durum elektromanyetik parazit veya kontrolör arızasından kaynaklanabilir. Normal IGBT değişmeye devam ederken koldaki IGBT'lerden birinin aşınması / arızasından da kaynaklanıyor olabilir.
2. Bağıl faz kısa devresi. Bunun nedeni, performans düşüşü, aşırı sıcaklık veya aşırı gerilim olayları nedeniyle motor sargıları arasındaki yalıtımın bozulması olabilir.
3. Faz kablosu şasiye kısa devre. Bu, performans düşüşü, aşırı sıcaklık veya aşırı gerilim olayları nedeniyle motor sargıları ile motor muhafazası arasındaki yalıtım arızasından da kaynaklanabilir.
Genel olarak konuşursak, motorlar nispeten uzun bir süre boyunca aşırı yüksek akımları emebilir (motorun boyutuna ve tipine bağlı olarak milisaniye ila saniye); bununla birlikte, IGBT - endüstriyel motor sürücüsünün inverter aşamasının ana kısmı - kısa devre Dayanıklılık süresi mikrosaniye seviyesidir.
IGBT kısa devre dayanım özelliği
IGBT kısa devre dayanma süresi, geçiş iletkenliği veya kazancı ve IGBT yongasının termal kapasitesi ile ilgilidir. Daha yüksek bir kazanç, IGBT'de daha yüksek bir kısa devre akımı ile sonuçlanır, bu nedenle, daha düşük kazanıma sahip bir IGBT'nin daha düşük bir kısa devre seviyesine sahip olduğu açıktır. Bununla birlikte, daha yüksek kazançlar aynı zamanda daha düşük devlet içi iletim kayıpları ile sonuçlanır, bu nedenle ödünleşmeler yapılmalıdır.
IGBT teknolojisinin gelişimi, kısa devre akım seviyesini artırma, ancak kısa devre dayanım süresini azaltma eğilimine katkıda bulunuyor. Ek olarak, teknolojideki gelişmeler daha küçük yonga boyutlarına ve daha düşük modül boyutlarına yol açtı, ancak ısı kapasitesini düşürdü ve dayanıklılık süresini daha da kısalttı. Ek olarak, IGBT toplayıcı-yayıcı voltajıyla çok ilgisi vardır, bu nedenle endüstriyel sürücülerin daha yüksek DC bara voltaj seviyelerine doğru paralel eğilimi kısa devre dayanım süresini daha da azaltır. Geçmişte, bu zaman aralığı 10 s idi, ancak son yıllarda eğilim 5 s'ye doğru ve belirli koşullar altında 1 s'ye kadar düşüyordu. Ek olarak, farklı cihazların kısa devre dayanım süreleri de oldukça farklıdır Bu nedenle, IGBT koruma devreleri için, genellikle nominal kısa devre dayanım süresinin ötesinde ekstra bir marj oluşturulması önerilir.
IGBT aşırı akım koruması
İster mülk hasarı ister güvenlik hususları için olsun, aşırı akım koşulları için IGBT koruması, sistem güvenilirliğinin anahtarıdır. IGBT'ler arıza korumalı bir bileşen değildir ve başarısız olurlarsa, DC bara kapasitörünün patlamasına ve tüm sürücünün arızalanmasına neden olabilirler. Aşırı akım koruması genellikle akım ölçümü veya desatürasyon tespiti ile gerçekleştirilir.
Şekil 2 bu teknikleri göstermektedir. Akım ölçümü için, hem invertör kolu hem de faz çıkışı, hatalar ve motor sargı arızaları ile başa çıkmak için şönt direnci gibi ölçüm cihazları gerektirir. Kontrolör ve / veya kapı sürücüsündeki hızlı yürütme atlama devresi, kısa devre dayanım süresinin aşılmasını önlemek için IGBT'yi zamanında kapatmalıdır. Bu yöntemin en büyük avantajı, her bir inverter kolunda iki ölçüm cihazının yanı sıra ilgili tüm sinyal koşullandırma ve izolasyon devrelerini gerektirmesidir. Bu, pozitif DC bara hattına ve negatif DC bara hattına şönt dirençler eklenerek hafifletilebilir. Bununla birlikte, çoğu durumda, sürücü mimarisinde akım kontrol döngüsüne hizmet etmek ve motor aşırı akım koruması sağlamak için kollu şönt dirençleri veya faz şönt dirençleri vardır; bunlar IGBT aşırı akım koruması için de kullanılabilirler. Sinyal koşullandırmanın yanıt süresi, gerekli kısa devre dayanım süresi içinde IGBT'yi koruyacak kadar hızlıdır.
Şekil 2. IGBT aşırı akım koruma teknolojisi örneği
Desatürasyon tespiti, IGBT'nin kendisini güncel bir ölçüm öğesi olarak kullanır. Şematikteki diyot, IGBT'nin toplayıcı-verici voltajının yalnızca açık olduğu sırada algılama devresi tarafından izlenmesini sağlar; normal çalışma sırasında, kollektör-yayıcı voltajı çok düşüktür (tipik olarak 1 V ila 4 V). Bununla birlikte, bir kısa devre olayı meydana gelirse, IGBT toplayıcı akımı, IGBT'yi doygunluk bölgesinden çıkmaya ve doğrusal çalışma bölgesine girmeye yönlendiren bir seviyeye yükselir.
Bu, kollektör-yayıcı voltajının hızla yükselmesine neden olur. Yukarıdaki normal voltaj seviyesi, bir kısa devrenin varlığını belirtmek için kullanılabilir ve desatürasyon atlama eşik seviyesi genellikle 7 V ila 9 V bölgesindedir. Daha da önemlisi, desatürasyon aynı zamanda kapı emitör voltajının çok düşük olduğunu ve IGBT'nin doyma bölgesine tam olarak sürülmediğini de gösterebilir. Hatalı tetiklemeyi önlemek için desatürasyon tespiti yapılırken dikkatli olunmalıdır. Bu özellikle, IGBT'nin doymuş duruma tam olarak girmediği IGBT kapalı durumdan IGBT açık durumuna geçiş sırasında meydana gelebilir. Körleme süresi, yanlış algılamayı önlemek için genellikle açma sinyali ile desatürasyon algılamasının aktivasyon süresi arasındadır. Genellikle bir akım kaynağı şarj kapasitörü veya RC filtresi, gürültü artışının neden olduğu filtrenin sahte sıçramalarını filtrelemek için algılama mekanizmasında kısa bir süre sabiti oluşturmak için eklenir. Bu filtre bileşenlerini seçerken, gürültü bağışıklığı ve IGBT kısa devre tepki süresi arasında bir denge vardır.
IGBT aşırı akımını tespit ettikten sonra, bir başka zorluk da, anormal derecede yüksek akım seviyesi durumunda IGBT'yi kapatmaktır. Normal çalışma koşulları altında, kapı sürücüsü, anahtarlama kayıplarını en aza indirmek için IGBT'yi olabildiğince çabuk kapatmak için tasarlanmıştır. Bu, daha düşük sürücü empedansı ve kapı sürücü direnci ile elde edilir. Aşırı akım durumu için aynı kapı kapatma oranı uygulanırsa, kollektör-yayıcı di / dt çok daha büyük olacaktır, çünkü akım daha kısa sürede büyük ölçüde değişir. Kollektör-emitör devresinin tel bağlanması ve PCB izinin kaçak endüktansı nedeniyle parazitik endüktansı, büyük bir aşırı gerilim seviyesinin IGBT'ye anında ulaşmasına neden olabilir (çünkü VLSTRAY = LSTRAY × di / dt). Bu nedenle, desatürasyon olayı sırasında, IGBT kapatıldığında, di / dt'yi ve tüm potansiyel olarak yıkıcı aşırı gerilim seviyelerini azaltabilen daha yüksek empedanslı bir kapatma yolu sağlamak önemlidir.
Sistem arızalarından kaynaklanan kısa devrelere ek olarak, normal çalışma koşullarında da anlık inverter geçişi meydana gelir. Şu anda, IGBT iletimi, IGBT'nin iletim kaybının en düşük olduğu doyma bölgesine sürülmesini gerektirir. Bu genellikle, açık durumdaki kapı yayıcı voltajının 12 V'tan büyük olduğu anlamına gelir. IGBT'nin kapatılması, yüksek taraf IGBT açıldığında her iki uçta ters yüksek voltajı başarıyla engellemek için IGBT'nin çalışma kesme bölgesine sürülmesini gerektirir. Prensip olarak, bu, IGBT geçit-yayıcı voltajını 0 V'a düşürerek elde edilebilir. Bununla birlikte, invertör kolundaki alçak taraf transistörü açıldığında ortaya çıkan yan etkiler dikkate alınmalıdır. Açma sırasında anahtar düğümü voltajının hızlı değişimi, kapasitif indüklenmiş akımın düşük taraf IGBT parazitik Miller geçit-toplayıcı kapasitansından (Şekil 3'teki CGC) akmasına neden olur. Bu akım, şekilde gösterildiği gibi, düşük taraf IGBT geçidinin verici terminalinde geçici bir voltaj artışı yaratarak, alçak taraf kapı sürücüsünün (Şekil 3'te ZDRIVER) kapatma empedansından akar. Bu voltaj IGBT eşik voltajı VTH'nin üzerine çıkarsa, düşük taraf IGBT'nin kısa bir süre açılmasına neden olur ve bu da geçici bir invertör kolu ateşleme ile sonuçlanır - çünkü her iki IGBT de kısaca açılır. Bu genellikle IGBT'ye zarar vermez, ancak güç tüketimini artırabilir ve güvenilirliği etkileyebilir.
Şekil 3. Miller indüksiyon inverter geçişi
Genel olarak, bir çift kutuplu güç kaynağı ve / veya ek bir Miller kelepçesi kullanarak inverter IGBT'nin endüktif açma problemini çözmenin iki yolu vardır. Kapı sürücüsünün izole tarafında bipolar gücü kabul etme yeteneği, indüklenen voltaj geçişleri için ek marj sağlar. Örneğin, 7,5 V'luk bir negatif güç rayı, sahte iletimi indüklemek için 8,5 V'den büyük geçici gerilim geçişlerinin gerekli olduğu anlamına gelir. Bu, başıboş iletimi önlemek için yeterlidir. Diğer bir yöntem, kapama dönüşümü tamamlandıktan sonra bir süre içinde kapı sürücü devresinin kapatma empedansını azaltmaktır. Buna Miller kıskaç devresi denir. Kapasitif akım şimdi daha düşük empedans devresinden akar ve bu da daha sonra voltaj geçişinin büyüklüğünü azaltır. Açma ve kapatma için asimetrik kapı dirençlerinin kullanılması, anahtarlama hızı kontrolü için ek esneklik sağlar. Tüm bu kapı sürücü fonksiyonları, tüm sistemin güvenilirliği ve verimliliği üzerinde olumlu bir etkiye sahiptir.
Deneysel örnek
Deney düzeneği, bir yarım dalga doğrultucu üzerinden AC şebekesi tarafından beslenen üç fazlı bir invertör kullanır. Sistem 800 V'a kadar DC bara voltajı kullanabilse de, bu örnekteki DC bara voltajı 320 V'tur. Normal çalışmada, 0,5 HP endüksiyon motoru, açık döngü V / Hz kontrolüyle çalıştırılır. IGBT, International Rectifier tarafından sağlanan 1200 V, 30 AIRG7PH46UDPBF'yi benimser. Denetleyici, ADI'nin ADSP-CM408F Cortex®-M4F karışık sinyal işlemcisini kullanır. Faz akımı ölçümü için izole - AD7403 modülatörü kullanın, izole geçit sürücüsü elde etmek için ADuM4135 kullanın (desatürasyon tespiti, Miller kelepçeleme ve diğer IGBT koruma fonksiyonlarını entegre eden manyetik izole bir geçit sürücü ürünüdür) . Motor fazları arasında veya motor fazları ile negatif DC bara arasında bir kısa devreyi manuel olarak değiştirerek kısa devre testi gerçekleştirin. Şasiye kısa devre bu örnekte test edilmemiştir.
Şekil 4. Deneysel kurulum
Denetleyici ve güç kartı Şekil 5'te gösterilmektedir. Her ikisi de ADI'nin ADSP-CM408FEZ-kit® ve EV-MCS-ISOINVEP-Z izole invertör platformlarıdır.
Şekil 5. Tam özellikli IGBT kapı sürücüsüne sahip ADI izole inverter platformu
Deneysel donanımda, IGBT aşırı akım ve kısa devre koruması çeşitli yöntemlerle gerçekleştirilmektedir. sırasıyla şunlardır:
DC bara akım algılama (invertör arızadan dolayı)
Motor fazı akımı algılama (motor sargı arızası)
Kapı sürücüsü desatürasyon tespiti (tüm arızalar)
DC bara akım algılama devresi için, yanlış tetiklemeyi önlemek için küçük bir filtre eklenmelidir çünkü DC bara akımı, potansiyel yüksek gürültü akımları nedeniyle kesintilidir. Zaman sabiti 3 s olan bir RC filtresi kullanılır. Aşırı akım tespit edildikten sonra, IGBT kapanmasıyla ilgili kalan gecikmeler, işlemsel amplifikatör, karşılaştırıcı, sinyal izolatörü, ADSP-CM408F'deki geçiş yanıt süresi ve kapı sürücüsü yayılma gecikmesidir. Bu, fazladan 0,4 s ekleyerek arızadan kapanmaya kadar geçen toplam süreyi 3,4 s - birçok IGBT'nin kısa devre zaman sabitinden çok daha düşük hale getirir.
Benzer bir sıra, AD7403 ve ADSP-CM408F işlemcilerdeki entegre aşırı yük algılama filtresini kullanan motor fazı akım algılama için de geçerlidir. Zaman sabiti yaklaşık 3 s olan bir samimi filtre iyi çalışabilir. Bu durumda, kalan sistem gecikmesinin nedeni, yalnızca atlama sinyalinin PWM birimine dahili yönlendirilmesi ve kapı sürücüsü yayılma gecikmesi olacaktır, çünkü aşırı yük iç filtresi işlemcinin dahili bir bileşenidir. Akım algılama devresinin veya hızlı dijital filtrenin yanıt süresi ile birlikte, hangi yöntem kullanılırsa kullanılsın, her iki durumda da ADuM4135'in ultra kısa yayılma gecikmesi, etkili hızlı aşırı akım korumasını gerçekleştirmek için çok önemlidir.
Şekil 6, invertör kollarından birinin üst IGBT'sinin donanım geçiş sinyali, PWM çıkış sinyali ve gerçek geçit-yayıcı dalga biçimi arasındaki gecikmeyi göstermektedir. Şekilde görülebileceği gibi, IGBT kapanmaya başladıktan sonra toplam gecikme yaklaşık 100 ns'dir.
Şekil 6. Aşırı akım kapatma zamanlama gecikmesi
Kanal 1: Geçit verici voltajı 10 V / böl;
Kanal 2: Kontrolörden gelen PWM sinyali 5 V / div;
Kanal 3: Aktif düşük seviye geçiş sinyali 5 V / div; 100 ns / div
Kapı sürücüsü desatürasyon tespiti, yukarıda açıklanan aşırı akım tespit yönteminden çok daha hızlıdır ve kısa devre akımının izin verilen yükselişinin üst sınırını sınırlandırmak, böylece sistemin genel kararlılığını iyileştirmek ve ulaşılabilir seviyeyi aşmak önemlidir. , Sistem hızlı bir aşırı akım koruma fonksiyonuna sahip olsa bile. Bu, Şekil 7'de gösterilmektedir. Bir arıza meydana geldiğinde, akım hızla yükselir - aslında, akım şekilde gösterilenden çok daha yüksektir, çünkü şekil, sadece referans amaçlı olan 20 A akım probu bant genişliği sınırıyla ölçülür. Desatürasyon voltajı 9 V geçiş seviyesine ulaşır ve kapı sürücüsü kapanmaya başlar. Açıktır ki, kısa devrenin tüm süresi 400 ns'den azdır. Akımın uzun kuyruğu, düşük IGBT'nin anti-paralel diyotundaki serbest dönmenin neden olduğu indüklenen elektrik enerjisini temsil eder. Açıldığında, desatürasyon voltajındaki ilk artış, kollektör-emitör voltajı geçişinin neden olduğu kaçak desatürasyon saptama elektromotor kuvvetinin bir örneğidir. Desatürasyon filtresinin zaman sabitini artırarak, böylece ekstra boşluk süresini artırarak ortadan kaldırılabilir.
Şekil 7. IGBT kısa devre algılama
Şekil 8, IGBT üzerindeki toplayıcı-yayıcı voltajını göstermektedir. Desatürasyon koruma süresi sırasında, kapama empedansı büyüktür, bu nedenle ilk kontrollü aşma, 320 VDC bara voltajının yaklaşık 80 V üzerindedir. Akım, aşağı akış anti-paralel diyotta akar ve devre parazitleri aslında voltajı biraz daha yükseğe, yaklaşık 420 V'a kadar yükseltir.
Şekil 8. IGBT kısa devre kapatma
Şekil 9, normal çalışma sırasında eviricinin geçmesini önlemek için Miller kelepçesinin değerini göstermektedir.
Şekil 9. Miller klempi açıldığında
Kanal 1: Geçit verici voltajı 5 V / böl;
Kanal 2: Kontrolörden gelen PWM sinyali 5 V / div;
Kanal 3: Toplayıcı-verici voltajı 100 V / böl; 200 ns / böl
IGBT'nin kısa devre dayanım süresi 1 s'ye düştüğü için, aşırı akım ve kısa devreyi çok kısa sürede tespit edip kapatmak giderek daha önemli hale geliyor. Endüstriyel motor sürücüsünün güvenilirliği, IGBT koruma devresi ile büyük bir ilişkiye sahiptir. Bu makale, bu sorunla başa çıkmak için bazı yöntemleri listeler ve kararlı izole geçit sürücü IC'lerinin değerini vurgulayan deneysel sonuçlar sağlar (tek kanallı geçit sürücüleri için ADuM4135 gibi).
