При проектировании привода разработчику необходимо произвести выбор элементной базы системы управления, защиты и силовой части привода. Компании производители процессоров имеют в своей линейке множество решений для управления различными типами двигателей, предлагая при этом различные отладочные комплекты. Как показали исследования документации интегральных схем (ИС) для силовой части привода, компании разработчики, к сожалению, ограничиваются краткой документацией на данный продукт с приведением основных параметров и осциллограмм. При этом предполагается, что разработчик должен изначально понимать особенности применения данного типа (ИС). В статье будут рассмотрены демонстрационные наборы для привода компании International Rectifier, описаны их устройство и принцип работы основных компонентов.

Компания International Rectifier, являясь лидером в разработке ИС для управления приводом, предлагает большое семейство различных по своим свойствам драйверов управления транзисторами. Одним из ярких представителей последнего поколения драйверов являются серии IR2x14 и IR2x38. Основные параметры драйверов этих серий приведены в табл. 1.

Понимая все трудности, с которыми вынужден столкнуться разработчик такого класса систем, для ускорения освоения данного типа драйверов компания выпускает демонстрационные наборы IRMD2238q, IRMD2214SS, IRMD22141SS. Инженеры компании в демонстрационных наборах показали все особенности применения новых драйверов с учетом требований использования. Рассмотрим принцип работы, внутреннюю структуру и особенности организации защит каждого из перечисленных наборов в отдельности.

Для драйверов на основе ИС семейства IR2214SS/R2114SS компания International Rectifier разработала демонстрационные платы IRMD22141SS и IRMD2214SS. Отличие между ними состоит в использовании в качестве драйверов управления ИС IR2214SS и IR22141SS. Различие этих драйверов состоит в том, что в ИС IR2214 встроены резистор опорного источника питания и схема двунаправленного обнаружения рассасывания, а в ИС IR22141 — диод, используемый в схеме активного опорного источника при обнаружении рассасывания (подробнее см. документацию на сайте производителя).

Рассмотрим более детально структуру и функции демонстрационной платы IRMD2214SS. На демонстрационной плате IRMD2214SS установлено три драйвера IR2214SS/IR2114SS для управления трехфазным инвертором в корпусе ECONO2-6PACK. Плата может быть использована для частотного регулирования скорости вращения ротора у асинхронного двигателя и двигателя переменного тока с постоянными магнитами в статоре (вентильные). Плата является гибким решением для различных приложений и может быть сконфигурирована под соответствующую задачу путем установки внешних компонентов. Сигналы управления имеют 3.3 В КМОП совместимую логику. Внешний вид демонстрационной платы IRMD2214S представлен на рис. 1.

Рисунок 1. Внешний вид демонстрационной платы IRMD2214S

В качестве силовых модулей в этой плате используются 3-х фазные сборки транзисторов в корпусе ECONO2-6PACK. В настоящее время компания выпускает 600 В трехфазные инверторы в корпусе ECONO2-6PACK. На рис. 2 показана внутренняя структура, а в табл. 2 приведены основные параметры данных типов модулей. 1200 В конфигурация модулей ECONO2-6PACK ожидается в производстве к концу 2007 года.

Рисунок 2. Внутренняя структура силового модуля ECONO2-6PACK

На верхний управляющий буфер ИС IR2214SS/IR2114SS может быть подано управляющее напряжение 1200/600 В соответственно. ИС IR2214SS/ IR2114SS обеспечивают гораздо более высокий ток накачки затворов (до 3 А), позволяющий применять их в устройствах мощностью до 15 кВт. Драйвер предназначен для управления полумостовыми сборками транзисторов с выходными токами до 50 А при 80 °C с учетом возможных аварийных ситуаций. В ИС реализована функция обнаружения рассасывания основных носителей заряда в транзисторе с последующих мягким выключением выходов драйвера и раздельное управление формированием переднего и заднего фронтов переключения ключей полумоста. В случае обнаружения аварии драйвер «мягко» закрывает ключ, на котором была обнаружена аварийная ситуация, тем самым предотвращая перенапряжение и уменьшая электромагнитное излучение. Большая нагрузочная способность выходов драйвера и малый собственный потребляемый ток позволяют питать эту микросхему непосредственно от коммутируемой фазы в системах средней мощности. Это также позволяет измерять ток нижнего эмиттера по схеме транзистора. Ситуация, когда напряжение питания понижается ниже заданного уровня, обрабатывается независимо как в незаземленной высоковольтной части, так и в низковольтных частях схемы. При условии изменения питающего напряжения полумоста напряжение управления остается неизменным.

Для связи платы с системой управления на плате расположен 40-выводной разъем, на котором расположены все управляющие и сигнальные выводы. В 40-выводном разъеме, используемом платой IRMD2214SS, задействовано 17 выводов разъема. Оставшиеся выводы используются для платы измерения тока IRCS2277S, которая может быть размещена над платой IRMD2214SS.

Входными логическими сигналами на плате являются шесть входов управления верхними и нижними ключами инвертора, а также сигнал отмены ошибки драйверов FLT_CLR. Активным уровнем сигналов управления транзисторами является 3.3 В, внутренним резистором 10 кОм, который соединен с землей на входе, поддерживается потенциал земли для исключения непроизвольного открытия ключа при включении схемы. Сигнал HIN управляет верхним ключом полумоста, в то время как LIN — нижним ключом полумоста. Если на входы HIN и LIN одной группы управления подать сигнал на открытие ключей, это может привести к появлению сквозного тока в полумосте, но внутренняя логика для защиты от такой ситуации отключит выходы драйверов и процесс управления остановится. На выходе двунаправленного сигнала FAULT/SD появится сообщение об ошибке. Для исключения появления сквозного тока драйвер обеспечивает минимальное значение мертвого времени — 330 нсек. Поскольку активным уровнем сигнала FAULT/SD является низкий, его вход для защиты от ложных срабатываний при включении соединен через резистор 10 кОм с питанием ИС — VCC. Вход управления FAULT/SD — удаленное отключение драйвера позволяет отключить модуль от сети, тем самым предотвратив его выход из строя. В случае возникновения аварийной ситуации на плате загорается красный светодиод DL2. Сигнал FLT_CLR используется для сброса всех аварийных режимов драйверов, входы которых соединены с данным сигналом. При подаче питания на плату не следует производить одновременную подачу управляющих сигналов, поскольку в это время идут переходящие процессы, что может привести к неправильному выполнению команды. Для исключения такой ситуации, при включении схемы выход FLT_CLR является активным. Это достигается путем контроля заряда бутстрепной емкости. Время включения и выключения транзисторов происходит в соответствии с параметрами драйвера.

Для уменьшения электромагнитной составляющей EMI на плате произведено разделение между печатными проводниками высокого напряжения и сигнальными линиями. Для улучшения помехозащищенности по цепи питания постоянного тока печатные проводники «земля управления» и «силовая земля» на плате имеют различные выводы. Земля платы соединена с выводом силового модуля DC-, а вывод VSS соединен с выводом DC- по звезде. Такое соединение выбрано для уменьшения высокочастотных шумов в сигналах управления. На плате можно установить низкоомный шунт для измерения тока в фазе и защиты платы от короткого замыкания. Для получения токового сигнала на плате имеется возможность установить шунт в каждую фазу, подключение к шунтам производится разъемами Р4, Р8, Р12. Данные разъемы установлены в месте подключения шунта на выходе фаз. Близкое расположение разъемов к шунту исключает появление паразитной составляющей в сигнале датчиков. Разъемы Р4, Р8, Р12 расположены в соответствии с одноименными разъемами измерения на плате IRCS2277S.

На плате IRMD2214SS для подключения силовых сигналов — питание инвертора DC+ и DC-, выход фаз управления двигателем U, V, W — используется силовой разъем. Каждый вывод разъема рассчитан на постоянный ток 30А. Шины питания DC+ и DC- для уменьшения потерь на проводнике проведены на верхнем и одном внутреннем печатном слое. Для мощных приложений силовые разъемы могут быть удалены, а соединение производится непосредственно к контактам силового модуля. На рис. 3 представлена схема включения ИС IR2214SS/IR2114SS.

Рисунок 3. Схема включения ИС IR2214SS/IR2114SS

Драйвер IR2214SS/IR2114SS способен обнаружить перегрузку и мониторинг по току IGBT ключа. В многофазовой системе (две, три, четыре и т.д.) драйверы соединены в общую синхронизированную сеть (сигналы SY_ FLT и FAULT/SD) для общего анализа аварийных ситуаций в фазах двигателя. При трехфазном соединении драйверы позволяют исключать все ошибки управления модуля, используя сигналы FAULT/SD и SYNC_FLT. Система управления может произвести закрытие или чтение состояния выхода ошибки драйвера через выводы FAULT/SD. При обнаружении сигнала аварийной ситуации на транзисторе драйвер, обнаруживший ошибку, выдает сигнал аварии на линию SYNC_FLT, тем самым запрещая остальным драйверам производить управление ключами. Аварийный ключ драйвер закрывает в мягком режиме и устанавливает активный уровень на выходе FAULT. Защита выполнена на аппаратном уровне, чтобы обеспечить быстрое срабатывание и исключить задержку на отключение драйверов в случае, если контроль аварии производится микроконтроллером.

Фильтр RC, состоящий из элементов RCOM, CCOM, обеспечивает защиту ИС в случае перенапряжения на эмиттером выходе нижнего IGBT транзистора. Для ускорения закрытия верхнего и нижнего транзисторов на плате установлены быстрые диоды, соединенные с затвором соответствующего транзистора. А для исключения появления на затворе транзистора высокого напряжения управления в схеме применяются стабилитроны, включенные между затвором и эмиттером транзисторов. При работе с платой IRMD22141SS пользователь должен соблюдать правила безопасности, поскольку не обеспечивается гальваническая изоляция с сетью.

Для 3-х фазного драйвера IR2238Q/IR2138Q компания International Rectifier выпускает демонстрационную плату управления трехфазным инвертором — IRMD22381Q. Демонстрационная плата IRMD22381Q предназначена для управления модулем в корпусе ECONO2-PIM. Плата может примяться для управления асинхронным двигателем или двигателем переменного тока с постоянными магнитами в статоре, используя при этом силовые модули с номинальным током до 25 А. Как и в предыдущем случае, плата IRMD22381Q представляет гибкое решение для пользователя и может быть сконфигурирована под конкретную задачу путем установки дополнительных компонентов на плату. Все входные и выходные сигналы управления на плате совместимы с КМОП 3.3 В логикой. Все аварийные ситуации в силовом модуле контролируются драйвером IR2238Q/ IR2138Q, который также выполняет синхронизированное включение/выключение транзисторов в IGBT модуле. Для уменьшения шумовых характеристик на плате выполнено раздельное расположение силовых и сигнальных линий. Внешний вид демонстрационной платы IRMD22381Q представлен на .

Рисунок 4. Внешний вид демонстрационной платы IRMD22381

В качестве силовых модулей в плате используются 3-х фазные сборки транзисторов в корпусе ECONO2 –PIM. В настоящее время компания выпускает 600В модули семейства ECONO2 –PIM. Основные параметры модулей приведены в табл. 3, а внутренняя структура на рис. 5.

Рисунок 5. Внутренняя структура силового модуля ECONO2–PIM

В драйвере интегрирована логика защиты при токовых перегрузках транзисторов включая защиту шины земля от появления высоко напряжения на ней. Встроенная функция обнаружения рассасывания на затворе реализуется во всех ситуациях связанных с перегрузкой по току, будь то короткое замыкание на землю, замыкание в полумосте или замыкание на шину питания. ИС IR2238Q/IR2138Q позволяет программировать время паузы на переключение ключей полумоста и наклоны переднего и заднего фронтов управления. Вход DT в сочетании с внешним резистором устанавливает значение паузы на переключение транзисторов «dead time». Для задания величины dv/dt на фронтах включения и выключения IGBT в драйверах данной серии предусмотрены раздельные выходы управления каждым из 6 ключей инвертора. На рис. 6 представлена упрощенная схема включения ИС IR2238Q/IR2138Q.

Рисунок 6. Схема включения ИС IR2238Q/IR2138Q

Низкое энергопотребление позволяет питать ИС от бутстрепного источника. Для удаленного включения/ отключения драйвера используется вывод SHUTDOWN: когда он активен, все ключи закрываются. Для соединения с системой управления на плате расположен 40-выводной разъем, в котором используется 26 выводов. Входными сигналами для платы являются сигналы управления транзисторами инвертора и удаленное отключение драйвера. В драйвере предусмотрена внутренняя логическая защита от одновременной подачи активных уровней сигналов на входы управления ключами одного полумоста. При возникновении аварии драйвер прекращает подачу всех управляющих сигналов на инвертор и переходит в состояние ошибки управления. В это время на выходе FAULT

устанавливается активный уровень. Активным уровнем данного сигнала является низкий уровень, а схема выхода имеет вид открытого коллектора. При переходе драйвера в состояние аварии на плате одновременно загорается красный светодиод DL2. Чтобы защитить силовой модуль от перегрева, на плате есть возможность установить термосопротивление. Термосопротивление соединено с цепью защиты драйвера и может производить его отключение в случае, если температура модуля достигнет критической величины.

Для подключения силовых сигналов на плате используются мощные соединительные разъемы, каждый из которых рассчитан на постоянный ток 25 А. Для уменьшения потерь в проводнике силовые линии от разъема к модулю продублированы на верхнем и внутреннем печатных слоях. При использовании силовых модулей, номинальный ток которых превышает допустимое значение тока разъема, допускается распайка силовых подводящих проводников непосредственно на выводы силового модуля. Поскольку выход управления драйвера рассчитан для модуля с номинальным током не более 25 А, то для использования более мощных модулей необходимо устанавливать дополнительный буфер управления между драйвером и силовым модулем. На плате используются тестовые выводы, которые не дублируются на выходном разъеме — питание верхнего/нижнего драйвера.

Для контроля тока в фазах на плате возможно размещение трех низкоомных шунтов. Для измерения тока на плату IRMD22381Q может быть установлена плата измерения тока IRCS2277S. Размещенные на плате шунты могут быть подсоединены к плате измерения тока IRCS2277S через соединительные разъемы Р4, Р8, Р12. Питание верхнего буфера драйвера выполнено бутстрепным способ, поэтому, чтоб избежать возникновения аварийных режимов, не следует производить подачу сигналов управления одновременно с включением питания. Для защиты транзистора от ложных срабатываний вследствие переходных процессов в ИС при переключении на плате установлен фильтр, состоящий из элементов RCOM и CCOM.

Применение стабилитрона между затвором и эмиттером исключает появление высокого напряжения на затворе.

При работе с платой следует соблюдать безопасность, поскольку она гальванически не изолирована от сети.

Для измерения тока в фазах двигателя компания производит ИС токовых сенсоров IR2277S/IR2177S. Для того, чтобы ускорить освоение ИС, выпускается демонстрационная плата IRCS2277S. Демонстрационная плата IRCS2277S предназначена для измерения 3-фаз-ного тока двигателя путем установки на плату драйверов управления транзисторов IRMD2214SS, IRMD22141SS или IRMD22381Q.

Для всех трех фаз, по которым плата ведет измерение тока, производится преобразование напряжения падения на шунте в ШИМ выход и аналоговый выход. Падение напряжения на безиндуктивном токовом шунте, которое преобразуется в ШИМ переменной скважности, сдвигается по уровню и преобразуется в цифровой код, который поступает с выхода ИС непосредственно в систему управления. Максимальная частота ШИМ ИС составляет 20 кГц, а задержка при обнаружении аварийной ситуации на этой частоте — 7.5 мкс. Помехозащищенная двунаправленная схема сдвига уровня позволяет избежать ошибок измерения при воздействии шумов dV/dt до 50 В/ нсек. Сигналы ШИМ выхода и перегрузки по току имеют конфигурацию открытого коллектора, поэтому амплитуда данных сигналов может быть установлена пользователем. Для уменьшения шумовых характеристик сигналов на плате произведено разделение между сигнальными и высоковольтными печатными проводниками.

Встроенный фильтр ИС обеспечивает выходной сигнал ШИМ следующий синхронно сигналу от микроконтроллера SYNC без пульсаций и искажений.

Входной сигнал SYNC должен следовать с 50% скважностью для стабильной работы внутреннего фильтра синхронизации ИС IR2277/IR2177. Упрощенная схема включения ИС IR2277 (IR2177) представлена на рис. 7.

Рисунок 7. Схема включения одного канала измерения ИС IR2277 (IR2177) на демонстрационной плате IRCS2277S

Для соединения с системой управления на плате расположен 40-вывод-ной разъем, в котором задействовано только 26 выводов. Остальные выводы используются платами IRMD22381Q, IRMD2214SS или IRMD22141SS. Выход/ вход платы IRCS2277S являются совместимыми с 5 В и 3.3 В КМОП логикой. Сигнал РОх (сброс аварии) ИС IR2277, в случае возникновения аварийной ситуации в измеряемой фазе, может произвести отключение соответствующего драйвера транзисторов. Поскольку выход имеет структуру «открытый сток», то максимальная амплитуда сигнала может быть установлена пользователем также, как и выход сигнала OCx (перегрузка по току). При срабатывании токовой перегрузки на выходе ОС (авария) устанавливается постоянное значение, ИС прекращает производить измерение тока в фазе и сигнал аварии передается драйверам и СУ. После устранения режима токовой защиты, функция автозапуск переведет ИС в рабочее состояние. Данная функция может производиться автоматически и дистанционно. Чтобы функция автозапуска выполнялась автоматически, необходимо на плате произвести установку перемычек P1, P5, P9. Для удаленного сброса ИС используются соответствующие выводы на 40-ка выводном разъеме.

Для визуальной оценки режима сигнала OCx на плате IRCS2277S расположены три желтых светодиода, показывающие перегрузку по току на соответствующем шунте. Когда привод находится в состоянии останова, светодиоды гаснут. Аналоговый выход OUT uvw микросхемы IR2277/IR2177 может быть установлен в диапазоне от 0 В до VCC (напряжение питания ИС) через входы VRH и VRL на плате. Вход VRL является нижней границей выходного сигнала OUT uvw, он соединен с шиной VSS через перемычку. Вход VRH является верхней границей выходного сигнала OUT uvw, на плате он соединен с источником питания +5 В через перемычку. Оба сигнала VRH и VRL могут быть отсоединены от сигналов VSS и 5 В для задания уровня выходного сигнала пользователем. Линия питания VRH подключается к линейному стабилизатору типа 7805 через перемычку R2 — 0 Ом.

В случае, если аналоговый выход имеет более высокое максимальное напряжение, перемычка разъединяется, а напряжение питания можно подать через 40-выводной соединительный разъем. С типом и назначением выводов разъема вы можете ознакомиться в документации на демонстрационную плату. Сигналы OUT uvw на плате IRCS2277S соединены непосредственно с выходом ИС IR2277/IR2177. Внешний вид демонстрационного набора IRCS2277S представлен на рис. 8.

Рисунок 8. Внешний вид демонстрационного набора IRCS2277S

Платы IRCS2277S и IRMD22381Q (IRMD2214SS, IRMD22141SS) соединенные вместе через разъем соединяют линию VSS «земля» платы IRCS2277S с силовой землей модуля DC-. На плате драйвера IRCS2277S для подсоединения к шунту, который располагается на плате IRMD22381Q (IRMD2214SS, IRMD22141SS), используются разъемы P4, P8 и P12.

На плате расположены тестовые сигналы: аналоговые выходы ИС положительной и отрицательной полярности, опорные напряжения измерения, выход токовой перегрузки, ШИМ выход сигнала тока, общая земля. Демонстрационная плата IRCS2277S является гибким устройством и может быть сконфигурирована пользователем к различным условиям работы. Для этого на плате располагаются места с запасными элементами, которые могут быть включены в необходимую последовательность. В качестве источника питания при измерении тока в верхнем транзисторе (VBS) ИС использует бутстрепный источник питания.

Для предотвращения выхода ИС из строя на плате применены ограничивающие диоды, которые подсоединены к входам Vinp и Vinm ИС и не допускают появления перенапряжения на них. Это важно при оценке различия между напряжением VS и соотношением напряжений VINP/VINM. Данное соотношение должно оставаться постоянным. Для поддержания постоянного значения соотношения напряжений между выводами ИС VINP и VINM на плате установлены высокочастотные конденсаторы. К данным конденсаторам не предъявляется специальных требований при размещении, поэтому они располагаются с нижней стороны платы относительно вывода VSS.

При работе с платой следует соблюдать меры безопасности, поскольку на плате не выполнена гальваническая изоляция выходов и элементов на печатной плате.

Более подробно с работой описанных в статье ИС и демонстрационных наборов Вы можете ознакомиться, прочитав документацию на сайте производителя www.irf.com. Получить гербер файлы демонстрационных наборов и приступить к производству приводов без затраты времени на разработку Вы можете, обратившись к официальному дистрибьютору на территории Украины — компании Rainbow Technologies (ООО «РТЕК»):
03035, г. Киев, ул. Урицкого, 32, оф. 1, тел./факс: (044) 520-04-77, 520-04-78, 520-04-79, www.rtcs.ru, www.rainbow.com.ua