Устройство управления силовыми ключами инвертора

Заявляемое техническое решение относится к силовой электронике, к транзисторным преобразователям инверторного типа, и, в частности, к системам управления силовыми транзисторами. Предлагается полезная модель устройства управления, выполняющего функции усиления и трансляции управляющих импульсов от микромощного формирователя к оконечному каскаду управления силовыми транзисторами. В последнее время в качестве формирователей применяют микропроцессорные контроллеры или более простые формирователи на микросхемах, а функции оконечных каскадов управления выполняют так называемые драйверы, которые либо изготавливают в составе силовых транзисторных модулей на IGBT или МОП - транзисторах, либо в виде отдельно расположенных вблизи них интегральных или гибридных микросхем. Для передачи управляющих импульсов от формирователя к драйверам требуется усиливать сигналы и обеспечивать помехоустойчивость цепей управления. Для этого импульсы, например, для управления 3 - фазной мостовой схемой по каждому из 6 каналов необходимо использовать пару переплетенных в витую пару проводов, то есть всего 12 проводов. В инверторах средней и большой мощности часто применяют параллельное и/или последовательное соединение силовых ключей или мостовых схем. В этих случаях слаботочные цепи управления вынуждены прокладывать параллельно и вблизи силовых цепей, помехи от которых оказывают вредное воздействие на цепи управления, несмотря на использование переплетенных пар проводов. Для преодоления отмеченных недостатков, то есть с целью повышения помехоустойчивости и уменьшения числа проводов, по которым производится трансляция управляющих импульсов от формирователя к драйверам силовых транзисторов без фазовых искажений, предлагается в качестве усилителя маломощный управляемый непосредственно от формирователя вспомогательный инвертор на МОП - транзисторах, отличающихся очень малой мощностью управления. Повышенная помехоустойчивость обеспечивается за счет перевода этого вспомогательного инвертора в режим источника тока путем включения резисторов в его нагрузочных цепях. При соединении нулевой точки трехфазной системы нагрузки с искусственной нулевой точкой на входе инвертора фазные напряжения и токи нагрузки при чисто резистивной нагрузке повторяют сигналы управления, подаваемые от формирователя к драйверам. Падение напряжения на резисторах, включенных в фазные провода и расположенных вблизи управляемого силового моста с драйверами на входе, через двухканальные оптроны передаются на силовые ключи. По одному проводу передаются сигналы двух каналов инвертора с использованием разных полярностей. Таким образом, сигналы для шести

каналов передаются с помощью четырех проводов вместо 12-ти, а включение в фазные провода нагрузочных резисторов, падение напряжения на которых используется для передачи управляющих импульсов к драйверам силовых ключей, обеспечивают перевод инвертора в режим источника тока и значительное повышение помехоустойчивости.

Предлагаемая полезная модель относится к силовой электронике, к транзисторным преобразователям инверторного типа, в частности, к системам управления силовыми транзисторами.

Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, что устройство управления выполняет функции усиления и трансляции управляющих импульсов от микромощного формирователя к оконечному каскаду управления силовыми транзисторами без фазовых искажений с обеспечением повышенной помехоустойчивости и с уменьшением числа соединительных проводов. Эти свойства устройства управления особенно важны для инверторов, имеющих вытянутую конструкцию и/или несколько параллельно или последовательно работающих силовых ключей или групп ключей (трехфазных мостов). Например, в системе электропривода погружного насоса нефтедобычи инвертор размещается в трубе ограниченного диаметра (примерно 120 мм) и состоит из нескольких последовательно и параллельно включенных транзисторных трехфазных мостов, управляемых от общего микропроцессорного контроллера, и из-за этого имеет вытянутую конструкцию, в которой силовые цепи и цепи управления прокладываются в трубе на небольшом расстоянии друг от друга. Поэтому важно обеспечить помехоустойчивость системы управления, синфазность импульсов, подаваемых от микроконтроллера к параллельно и последовательно включенным силовым транзисторам, уменьшить число проводов соединения микроконтроллера с выходными каскадами управления.

В современных преобразователях частоты наиболее широко применяемыми во всем мире и наиболее перспективными являются силовые ключи на IGBT и МДП-транзисторах, изготовляемых в виде одно- или многоключевых модулей. Выходные каскады управления, так называемые драйверы, производят в виде отдельных интегральных или гибридных микросхем, включаемых на входе силовых модулей, либо изготовляют в составе модулей, которые именуют интеллектуальными модулями.

Микропроцессорный контроллер производит управление транзисторным инвертором путем формирования импульсов, которые определяют частоту и величину напряжения на выходе инвертора. В контроллер вводят сигналы обратной связи, в нем реализуют функции регулирования инвертора, функции включения и выключения, а также функции защиты, контроля и диагностики.

Известны схемы устройств, которые разработаны для управления силовыми транзисторными ключами. В литературе [1] схема устройства управления силовыми ключами плеча инвертора разработана для управления биполярными транзисторами, недостатки которых в сравнении с IGBT и МДП-транзисторами известны.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство управления МДП-транзистором с трансформаторной гальванической развязкой на входе, недостатком которого является то, что оно не обладает повышенной помехоустойчивостью, требует большего числа активных и пассивных элементов, особенно при параллельной работе нескольких силовых ключей и большого числа проводов (24 провода) для передачи импульсов ШИМ к каждому из параллельно работающих инверторных мостов.

Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в том, чтобы управляющие импульсы передавались от микропроцессорного контроллера или другого формирователя импульсов к драйверам силовых ключей на IGBT и МДП-транзисторах или к интеллектуальным модулям на их основе с обеспечением повышенной помехоустойчивости, значительно меньшем, чем в прототипе, активных и пассивных элементов при управлении параллельно или последовательно работающими инверторными группами ключей (например трехфазных мостов), меньшем числе проводов, необходимых для указанной передачи импульсов.

Задача управления силовыми ключами инвертора решается путем включения в схему маломощного аналога силовой схемы на МОП-транзисторах, нагруженного на резисторы. При управлении силовыми ключами нескольких параллельно и последовательно включенных транзисторных трехфазных мостов достаточно использования одного маломощного аналога, выполненного в виде инвертора, так же по трехфазной мостовой схеме на МОП-транзисторах. Необходимая для силовых ключей гальваническая развязка произведена с помощью быстродействующих оптронов в цепях каждого потребителя и поэтому нет необходимости в гальванической развязке на входе маломощного аналога, и он может управляться непосредственно от микроконтроллера при соединении нулевых проводов этих узлов.

Задача повышенной помехоустойчивости решена путем выполнения маломощного вспомогательного инвертора, как источника тока, за счет включения резисторов на его выходе в линейных проводах или в каждом плече мостовой схемы.

На фигуре 1 показана схема предлагаемого устройства управления. В него входит микропроцессорный контроллер 1, формирующий шесть последовательностей импульсов ШИМ регулируемой скважности по числу силовых ключей инвертора. Известно, что в инверторах с ШИМ импульсами поочередно управляются два ключа в каждой фазе, причем во избежание совпадения моментов открытого состояния двух транзисторов (верхнего и нижнего), что приводило бы к сквозному к.з., в любой фазе микроконтроллер формирует небольшую (1-2 мкс) паузу между спадом импульса одного ключа фазы и фронтом импульса второго ключа той же фазы - так называемую «мертвую зону». Сформированные таким образом последовательности импульсов ТТЛ-уровня передаются от микроконтроллера к маломощному

вспомогательному инвертору напряжения 2, содержащему конденсаторы 5...7 и резисторы 3, 4 на входе, образующие нулевую точку источника, микросхемы драйверов 8...10, необходимые для управления МОП-транзисторами, входящими в транзисторные сборки 17...22.

Известно, что в трехфазном мостовом инверторе напряжения фазное напряжение на его выходе или фазный ток при чисто резистивной нагрузке и соединении нулевой точки нагрузки с нулевой точкой источника питания повторяют импульсную последовательность управляющих сигналов. Поэтому управляющие импульсы к силовым ключам инвертора передаются в виде токового сигнала, т.е. вспомогательный инвертор работает в режиме источника тока. Для этой цели в состав вспомогательного инвертора входят резисторы 23...28, включенные в плечи моста и выполняющие, кроме основной функции, также функцию ограничения аварийного тока в случае случайного одновременного отпирания обоих (верхнего и нижнего) транзисторов одной фазы. Токовые цепи служат для передачи с более высокой помехоустойчивостью импульсов от микроконтроллера к каждому из параллельно или/и последовательно работающих трехфазных мостов силовых ключей. Для этой цели в каждой фазе нагрузки включен последовательно резистор 35, 36, 37, ..., падение напряжения на котором воспроизводит последовательности импульсов для двух каналов силовых ключей. Импульсы двух каналов различаются полярностью и соответственно могут быть разделены с помощью быстродействующих оптронов 50, 51, 52 с диодным входом и распределены по каналам от 1 до 6. Серийно производятся двухканальные оптроны, удобные для использования в этой схеме, обеспечивающие также гальваническую развязку в каждом канале. На входе оптронов включены резисторы 38, 39, 40 для того, чтобы ток через диод оптрона имел оптимальное значение. Выходы оптронов выполнены по схеме «транзистор с открытым коллектором» и поканально подключены к входам драйверов 53...58 силовых ключей 59...64 одной из параллельно или/и последовательно включенных силовых схем транзисторов. Количество синхронно или синфазно управляемых силовых ключей практически неограниченно. Например, в системе погружного электропривода насоса оно обеспечивает управление шестью параллельно включенными трехфазными мостами на IGBT.

Устройство управления по схеме на фигуре 1 отличается простотой, малым числом компонентов, малыми габаритами, обладает повышенной помехоустойчивостью, а для передачи импульсов от микроконтроллера к драйверам силовых ключей при любом числе параллельно или/и последовательно работающих силовых ключей требуется четыре провода вместо 12-ти проводов, которые понадобились бы при построении устройства управления на классических импульсных усилителях в каждом канале.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР №1757045 А1 Бюлл. №31 23.09.92

2. Патент России №2199812 С2 Бюлл. №6 27.02.2003

Устройство управления IGBT и МДП-транзисторами, содержащее микропроцессорный контроллер или другой генератор ШИМ-импульсов, который формирует многоканальную (например, для силовой трехфазной мостовой схемы шестиканальную) систему импульсов ШИМ, и гибридные или интегральные микросхемы драйверов на входе силовых ключей, отличающееся тем, что, 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, 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, среднюю точку между двумя конденсаторами и резисторами соединяют с нулевой точкой трехфазной нагрузки инвертора, в качестве которой включают в каждую из трех фаз резистор, падение напряжения на котором используют как импульсы для двух каналов управления силовыми ключами одного трехфазного мостового инвертора, передаваемые от резисторов каждой фазы к драйверам через двухканальные оптроны.