În industria vehiculelor electrice, IGBT-urile sunt utilizate pe scară largă în controlerele de motoare, sistemele auxiliare de alimentare și aparatele de aer condiționat. IGBT-urile de mare putere sunt utilizate în principal în controlerele de motoare. Supracurentul va duce la creșterea temperaturii controlerului motorului, ceea ce poate fi detectat de senzorul de temperatură și protejat de circuitul corespunzător. După producerea scurtcircuitului, se va genera instantaneu un curent imens, care va deteriora rapid IGBT-ul.
Caracteristicile de comutare ale IGBT sunt prezentate în Figura 1. Când modulul IGBT este oprit, VCE va genera o tensiune de vârf ridicată datorită inductanței de scurgere, care se modifică odată cu modificarea dv/dt. Pe măsură ce timpul de comutare se modifică odată cu curentul colectorului, temperatura joncțiunii și rezistența porții (Rg), dacă timpul de comutare devine mai lung și rezistența porții devine mai mare, poate apărea fenomenul de trecere a brațului de punte din cauza timpului mort insuficient, ceea ce poate deteriora IGBT-ul. În același timp, pierderea de comutație apare atunci când comutatorul este pornit sau oprit, iar această caracteristică se modifică în funcție de temperatura joncțiunii și de rezistența de acționare. În special, selecția lui Rg este foarte importantă. Dacă Rg este prea mare, va încetini viteza de comutație a IGBT-ului, ceea ce poate reduce evident vârful de supratensiune de comutație, dar pierderea de comutație va crește corespunzător, ceea ce va crește generarea de căldură a IGBT-ului.
Până la figura 2, condensatorul de ieșire echivalent Coes poate oferi o altă cale pentru polul C al IGBT, afectând modificarea tensiunii colectorului. Când IGBT este oprit, curentul de sarcină va încărca Coes. Timpul de încărcare determină dv/dt-ul tensiunii de colector. Deoarece capacitatea Coes este foarte mică, influența sa poate fi ignorată în cazul unui curent mare. Curentul de colector și viteza de comutare au influență asupra ratei de variație a tensiunii de colector. În segmentele superioare și inferioare ale IGBT-ului, când un segment este pornit și celălalt este oprit, se va genera o schimbare de tensiune deVCE/dt pe IGBT și pe dioda de rotire liberă a segmentului oprit, generându-se un curent de încărcare iCG între colector și grila IGBT-ului segmentului, care va fi încărcat de capacitățile parazite CGC și CGE. Zona de funcționare sigură în polarizare inversă (RBSOA) a IGBT variază în funcție de dVCE/dt atunci când IGBT este oprit. Cu cât dVCE/dt este mai mare, cu atât RBSOA este mai îngust.
Modulul IGBT este un dispozitiv cu poartă izolată. Emițătorul porții IGBT are o structură capacitivă, iar inductanța parazitară a circuitului porții este inevitabilă. Procesul de pornire și oprire a IGBT-urilor este în principal procesul de încărcare și descărcare a capacității sau inductanței parazitare, care sunt toate componente reactive. Dacă nu există rezistență la poartă, cea mai mare parte a puterii de acționare va fi consumată pe tubul de ieșire din interiorul driverului, iar temperatura acestuia va crește considerabil. În același timp, rezistența la poartă poate regla și viteza de pornire-oprire a dispozitivului de comutare a puterii, dar o viteză de acționare prea mare va crește semnificativ rata de schimbare a tensiunii și curentului dispozitivului de comutare, iar tensiunea de supratensiune și curentul suportate de IGBT vor crește. În mediul real al vehiculului, este cel mai bine să se utilizeze o rezistență neinductivă. Dacă este o rezistență comună, aceasta poate fi înlocuită cu mai multe rezistențe în paralel. Pe de o parte, poate reduce inductanța buclei și influența acesteia asupra formei de undă a tensiunii de acționare; pe de altă parte, mai multe rezistențe pot partaja curentul de acționare, ceea ce conduce la îmbunătățirea difuziunii termice.
Când IGBT-ul este acționat, semnalul de interferință poate cauza distrugerea semnalului porții, rezultând o supratensiune de recuperare inversă mare. În timpul recuperării inverse a impulsului îngust, va intra în starea de recuperare inversă numai după acumularea completă a purtătorilor. În acest moment, dacă există un impuls de interferență îngust, dioda de rotire liberă rapidă intră în starea de recuperare inversă înainte de acumularea completă a purtătorilor, iar stratul de epuizare se extinde rapid, ceea ce face ca acesta să producă DI/DT și DV/DT puternice. Căderea de tensiune a IGBT-ului după conducție este legată de tensiunea VGE aplicată. Controlerul motorului vehiculului electric este acționat de o punte completă trifazată, iar pentru a acționa brațul punții trifazate în stare PWM sunt necesare șase grupuri de IGBT.
Rolul porții, rezistența RG și alimentarea PWM
Pentru a îmbunătăți integrarea și a reduce costurile, cipurile de control PWM, cum ar fi SG3525, sunt adesea folosite pentru a scoate semnale PWM cu două canale, pentru a conduce transformatoare de impuls și pentru a genera surse de alimentare cu două canale. După cum se arată în figura 3, U3 din figură este SG3525, un cip de control PWM monolitic integrat, cu performanțe excelente, funcții complete și versatilitate puternică, care emite două semnale PWM cu rapoarte de funcționare complementare. Este simplu, fiabil, convenabil și flexibil de utilizat, iar unitatea de ieșire este ieșire push-pull, ceea ce crește capacitatea de conducere. Conține un circuit intern de blocare la subtensiune, un circuit de control al pornirii ușoare și un blocaj PWM. Are funcție de protecție la supracurent, frecvență reglabilă și poate limita ciclul de funcționare maxim. Pentru a realiza izolarea tensiunii, controlul PWM funcționează într-o stare de buclă deschisă.
Când IGBT-ul este oprit, deoarece alte părți ale circuitului încă funcționează, în circuitul porții vor fi generate semnale de oscilație de înaltă frecvență. În vehiculele mari, cum ar fi autobuzele electrice, puterea de ieșire a controlerului motorului este mare, iar curentul de acționare necesar este, de asemenea, mare. Când vehiculul este accelerat sau frânat rapid, curentul impulsiv instantaneu poate ajunge la câteva sute de amperi. Două module IGBT sunt adesea conectate în paralel sau se utilizează IGBT de mare putere pentru a îmbunătăți puterea de ieșire. În figuri, semnalele de intrare PWM1A și PWM1B sunt utilizate pentru a acționa brațele superioare și inferioare ale modulelor IGBT U1 și U2, respectiv. Brațele superioare ale modulelor IGBT U1 și U2 sunt conectate la ieșirea circuitului totem pole al PWM1A, iar brațele inferioare ale modulelor IGBT U1 și U2 sunt conectate la ieșirea circuitului totem pole al PWM1B.
Rezultă că sistemul necesită o protecție riguroasă a circuitelor de pilotaj și o izolare galvanică eficientă. Circuitul de acționare IGBT special Mitsubishi M57962L este izolat electric prin cuplare fotoelectrică rapidă. Acest circuit cu peliculă groasă are un timp de întârziere scurt al transmisiei semnalului, timpul de întârziere al saltului semnalului este mai mic de 1.5 μs, iar cea mai mare frecvență de lucru este de 20 KHz. Fiecare braț al punții IGBT adoptă două M57962L, în care U1 acționează IGBT-ul brațului superior al punții, iar U2 acționează IGBT-ul brațului inferior al punții. DEC1 și DEC2 reprezintă semnalul de defecțiune IGBT pentru detectarea semnalului în Figura 4. Când este detectată o defecțiune, M57962L va opri IGBT-ul, pe de o parte, iar semnalul de defecțiune transmis de pinul 8 al M57962L va fi izolat de optocuploarele PC10 și PC20 și retransmis către CPU; în plus, la terminalul de intrare PWM al M57962L este adoptat un circuit de interblocare hardware.
Stadiul actual al tensiunii DC-Link și supratensiunile în regim de funcționare PWM
În acest moment, tensiunea pe magistrala de curent continuu a vehiculului electric se suprapune cu tensiunea de feedback generată în timpul frânării prin feedback, pe lângă partea furnizată de bateria de alimentare. După testul propriu-zis, când tensiunea magistralei de curent continuu este de 538V, tensiunea maximă de vârf depășește 800V. Supratensiunea în regim staționar este detectată de circuitul hardware corespunzător, care este protejat de CPU-ul principal de control. DC-Link are o tensiune de supratensiune (ESL) scăzută, o tensiune de supratensiune ridicată, cea mai mare tensiune de 1200 V și un curent de ondulație ridicat. IGBT funcționează în stare PWM, așa încât sistemul trebuie să poată furniza un curent de ondulație considerabil. În mediul practic de aplicare al vehiculelor electrice, datorită puterii mari a motorului, curentul de supratensiune tranzitoriu al IGBT poate ajunge la peste 700A. Se folosesc două IGBT-uri 2MBI450VN-120-50 de la Fuji pentru ieșirea în paralel, astfel încât curentul de ieșire al IGBT-ului în paralel poate ajunge la aproximativ 900A, ceea ce poate îndeplini cerințele de curent ale vehiculului. Pentru a evita interferența capacității distribuite parazite pe circuitul de acționare al porții IGBT, sudăm direct placa de circuit de acționare pe pinii de intrare a două module IGBT și conectăm capacitatea de deoscilare și circuitul de limitare bidirețional în paralel la terminalele de intrare ale porții. Când IGBT-ul este supraîncărcat sau scurtcircuitat, potențialul colectorului IGBT-ului crește, iar curentul care curge în circuitul de detecție prin dioda externă crește. Forma de undă a tensiunii și curentului atunci când IGBT-ul este pornit și oprit este afișată în Figura 7. Se observă creșterea curentului la polul C pe măsură ce tensiunea de poartă crește, pe fondul scăderii tensiunii VCE.
Modulul de control PWM, izolarea și siguranța pentru aranjamentele trifazate
În mediul industrial, pentru a asigura izolarea tensiunii, controlul PWM funcționează într-o stare de buclă deschisă. Când IGBT-urile sunt în modul oprit, alte părți ale circuitului pot genera oscilații de înaltă frecvență, ceea ce impune măsuri de protecție și monitorizare. În autovehicule mari, cum ar fi autobuzele electrice, curentul impulsiv instantaneu poate atinge valori mari; de aceea, două sau mai multe IGBT-uri pot funcționa în paralel sau modulele de mare putere pot fi folosite pentru a asigura o ieșire adecvată. Semnalele PWM pentru brațele superioare și inferioare ale modulelor IGBT sunt conectate la circuitele de driver, iar rezistențele de descărcare a sarcinii porții și diodele zener protejează împotriva defectelor de la nivelul modului de acționare. Circuitul de acționare trebuie să fie strict izolat în potențial față de întregul circuit de control. Circuitul de acționare IGBT Mitsubishi M57962L oferă izolare electrică prin cuplare optică rapidă, cu timpi de întârziere scurți și o frecvență de lucru de până la 20 kHz.
MC9001, un modulator PWM, permite ajustarea frecvenței purtătoare între 2 kHz și 16 kHz. Punctele cheie includ protecția la supracurent, reglarea ciclului de funcționare, izolarea tensiunii și compatibilitatea cu controlul în buclă deschisă. Patru module IGBT în paralel pot fi conectate atunci când sarcina motorului este mare, iar testele de rodaj la sarcină asigură fiabilitatea fiecărei unități. IGBT-urile din VFD sunt „inima” sistemului de acționare, comutând curentul de mii de ori pe secundă pentru a controla viteza și cuplul motorului.
Îmbunătățirea performanței motorului electric prin IGBT și PWM
În mediul de aplicații, modul în care se gestionează supratensiunile și curenții de tranziție este crucial. În regimul PWM, tensiunea DC-Link este convertită în semnale pulsante prin IGBT, iar motorul este controlat prin variația duty cycle-ului. Câteva chestiuni esențiale:
- Se folosesc două IGBT 2MBI450VN-120-50 pentru ieșire în paralel, astfel încât curentul total să poată depăși 900 A în funcție de cerințele automobilelor mari.
- Controlul PWM prin SG3525 oferă două canale complementare pentru a gestiona brațele superioare/inferioare ale punții IGBT, facilitând obținerea unei soluții compacte și eficiente.
- Izolarea și protecția la supracurent sunt esențiale pentru a evita deteriorări în timpul pornirii și la sarcini brișe.
Ce este un IGBT într-un VFD și cum funcționează PWM-ul?
Un IGBT este un tranzistor cu poartă izolată, utilizat ca un comutator electronic în VFD. PWM-ul comută tensiunea continuă prin intermediul IGBT-urilor, controlând astfel viteza și cuplul motorului prin variația timpului de conducere al semnalelor PWM. Verificările de bază pentru IGBT într-un VFD includ oprirea unității, descărcarea magistralei DC și testele cu un multimetru în modul diodă pentru a evalua relația colector-emitor și poartă-emitor.
Calitatea IGBT-urilor influențează direct performanța sistemelor: IGBT-urile de înaltă calitate gestionează repetate înalt-viteză de comutare și solicitările de tensiune, asigurând funcționarea fiabilă a VFD-ului. În plus, poate fi integrat un VFD cu un PLC; controlul digital/analogic cablat este potrivit pentru un singur sistem de acționare, în timp ce Modbus RTU permite unui singur PLC să gestioneze mai multe variatoare de frecvență. O frecvență purtătoare PWM tipică pentru aplicații industriale este între 4-6 kHz, oferind un compromis între stabilitatea motorului și încălzirea sistemului de acționare.
Principii și exemple de utilizare a IGBT-urilor în aplicații
Modulele IGBT pot avea tensiuni nominale de 650V sau 1200V, cu diversece curenturi (50A, 75A etc.), utilizate în convertizoare, IPM, invertoare pentru sudură, sisteme fotovoltaice UPS și aplicații de ridicare a tensiunii în mediile industriale. De exemplu, două module IGBT pentru controlul motorului într-un VFD de înaltă tensiune pot gestiona curenți tranzitorii mari în timpul accelerării sau frânării rapide, menținând stabilitatea tensiunii DC-Link. Versiunile de 1200V sunt utilizate frecvent în stații de încărcare EV sau aplicații de energie regenerabilă, în timp ce modelele de 650V sunt recomandate pentru aplicații de sudură și controlul motoarelor de putere moderate.
Întrebări frecvente (A0-A7)
A0: Ce este un IGBT și ce rol are în modulele de putere? Răspuns: IGBT este un tranzistor bipolar cu poartă izolată, folosit ca un comutator în modulele de putere pentru controlul motoarelor, surselor de alimentare și aplicațiilor IPM.
A1: Cum influențează IGBT-urile eficiente ale modulelor de putere performanța sistemelor de energie regenerabilă? Răspuns: Ele permit conversia DC-AC fiabilă, cu pierderi minime, esențială pentru sistemele fotovoltaice și UPS-urile cu invertor.
A2: Ce factori afectează prețul invertorului IGBT? Răspuns: Tensiunea nominală, capacitatea curentă și caracteristicile modulului, inclusiv circuitele de protecție, influențează prețul.
A3: De ce să alegi un IGBT Single de 650V pentru mașini de sudură? Răspuns: Oferă capacitatea mare de curent și stabilitate a trasabilității arcului, critică pentru controlul constant al arcului.
A4: Cum ajută invertorul IGBT în UPS-uri cu invertor? Răspuns: Permite conversie fără întreruperi a puterii, asigurând ieșire AC stabilă în timpul fluctuațiilor de putere.
A5: Sunt IGBT-urile de înaltă tensiune potrivite pentru stațiile de încărcare EV? Răspuns: Absolut, gestionează tensiuni DC mari pentru încărcare rapidă și fiabilă.
A6: Care este rolul invertorului IGBT în sistemele industriale? Răspuns:Definește designul și funcționarea invertorului, asigurând conversia fiabilă DC-AC.
A7: De unde poți cumpăra module IGBT de încredere? Răspuns: Se oferă o gamă cuprinzătoare de module IGBT adaptate nevoilor industriale și de energie regenerabilă.
Concluzie: relevanța IGBT în controlul motoarelor de 230V
IGBT-urile sunt componente esențiale în modulele de putere moderne, oferind eficiență, fiabilitate și performanță ridicată într-o gamă largă de aplicații. În contextul unui sistem de propulsie electrică, IGBT-urile permit controlul precis al motorului prin PWM, gestionând tensiuni mari în DC-Link și furnizând curenți tranzitorii semnificativi în sarcini variabile. Realizarea izolării, optimizarea RG-ului și alegerea frecvenței purtătoare PWM reprezintă elemente-cheie pentru reducerea pierderilor și pentru creșterea duratei de viață a modulelor de alimentare.
tags: #igbt #cu #sarcina #motor #electric #la
Postări populare:
- Alimentația la 10 luni
- Cum se desfășoară ciclurile de somn ale bebelușilor și ce înseamnă pentru părinți
- Mecanismele dezvoltării organelor genitale masculine în viața intrauterină
- Protecția pătuțului bebelușului
- Complicațiile medicale ale avortului provocat: tipuri, impact asupra sănătății și prevenire