Частотний перетворювач

Реферат: Частотний перетворювач належить до електротехніки і може бути використаний при виробництві інверторів з симетричними IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) модулями з відповідними драйверами керування, які призначені для асинхронних або синхронних електроприводів. Частотний перетворювач містить IGBT-модулі, що включають щонайменше два півмости, які містять верхні та нижні IGBT-транзистори зі зворотною провідністю і драйвера керування цими транзисторами. Верхні IGBT-транзистори виконані з прямою провідністю. При цьому драйвера, які керують верхніми IGBT-транзисторами, виконані зі зворотною структурою побудови і підключені до одного джерела живлення зі зворотною полярністю по відношенню до структури побудови та джерела живлення драйверів, які керують нижніми IGBT-транзисторами. Технічним результатом є спрощення схеми керування за мінімальною кількістю джерел живлення в ланцюгах керування. UA 102195 C2 (12) UA 102195 C2 UA 102195 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до частотних перетворювачів, призначених для асинхронних або синхронних електроприводів, і може бути використаний при виробництві інверторів з симетричними IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) - модулями з відповідними драйверами управління, забезпеченими мінімальною кількістю джерел живлення в ланцюгах управління. Відомий частотний перетворювач (AC Induction Motor Volts per Hertz Control, Driven by eTPU on MCF523x: http:// www.freescale.com), інвертор якого містить IGBT - модулі, що складаються з одного або більше півмостів, які містять нижні і верхні IGBT - транзистори із зворотною n-р-n провідністю (http://www.infineon.com: High Power Semiconductors Industrial Application "Short form Catalog 2006"; http://www.datasheetdir.com). Цей частотний перетворювач, що містить згадані IGBT-модулі, є найбільш близьким по технічній суті до об'єкту, який заявляється, і тому вибраний як прототип. Недоліком прототипу є те, що в існуючому частотному перетворювачі використаний інвертор, який комплектується IGBT-транзисторами тільки однієї зворотної n-р-n провідності, що вимагає гальванічної розв'язки по ланцюгах, що живлять, драйверів управління верхніми IGBTтранзисторами. Якщо інвертор містить n півмостів, то кількість джерел живлення керуючих драйверів необхідно мати в кількості (n+1). Так, для шестиімпульсної схеми інвертора, що містить три півмости, необхідна наявність чотирьох окремих стабілізованих джерел живлення для драйверів управління. Відповідно, для дванадцятиімпульсної схеми інвертора, що містить шість півмостів, необхідно мати сім стабілізованих джерел живлення. Наявність такої кількості стабілізованих джерел живлення збільшує вартість обладнання. В основу винаходу поставлена задача - удосконалити частотний перетворювач для асинхронного керованого електроприводу на основі спрощення апаратних засобів за допомогою простої схеми управління. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в частотному перетворювачі, що містить IGBT-модулі, що включають один або кілька півмостів, які в свою чергу містять нижні IGBT-транзистори зі зворотною провідністю і драйвера управління цими транзисторами, верхні IGBT-транзистори виконані з прямою провідністю, при цьому драйвера, які керують верхніми IGBT-транзисторами, виконані зі зворотною структурою побудови і підключені до одного джерела живлення із зворотною полярністю по відношенню до структури побудови та джерела живлення драйверів, які керують нижніми IGBT-транзисторами. Виходячи із суті винаходу, в інверторі частотного перетворювача прототипу емітери верхніх силових транзисторів мають різні потенціали під час своєї роботи. Тому ланцюги управління драйверів, які підключаються до емітера і затворам IGBT-транзисторів верхнього ряду, можуть закоротити силові кола інвертора, якщо це управління буде здійснюватися за допомогою одного джерела живлення. Тобто один загальний провід живлення закоротить згадані емітери. З цієї причини кількість гальванічно розв'язаних слабкострумових джерел живлення збільшується пропорційно кількості застосовуваних півмостів. В технічному рішенні, що заявляється, пропонується верхній ряд IGBT-транзисторів інвертора частотного перетворювача виконати з прямою р-n-p провідністю, що дозволяє емітера IGBT-транзисторів верхнього ряду з'єднати з плюсовим виходом постійної ланки силового випрямляча, що живить інвертор. Тому драйвера, які управляють IGBT-транзисторами верхнього ряду інвертора, повинні мати зворотну структуру побудови і використовувати тільки одне стабілізоване джерело живлення зі зворотною полярністю. Частотний перетворювач пояснюється наступними фігурами. На фіг. 1 наведена схема існуючого однофазного IGBT-модуля і його внутрішня компоновка з двома півмостами і IGBT-транзисторами з однаковою n-р-n провідністю. На фіг. 2 наведена схема запропонованого однофазного IGBT-модуля і його внутрішня компоновка з двома півмостами і IGBT-транзисторами з симетричними n-р-n і р-n-р провідностями. На фіг. 3 наведена схема драйверів, що мають три гальванічно розв'язаних джерела живлення, драйвера керують відомим однофазним IGBT-модулем з двома півмостами і IGBTтранзисторами з однаковою n-р-n провідністю. На фіг. 4 наведена схема драйверів, що мають два гальванічно розв'язаних джерела живлення, драйвера управляють однофазним IGBT-модулем з двома півмостами і IGBTтранзисторами з симетричними n-р-n i р-n-р провідностями. На фіг. 5 наведено варіант виконання внутрішньої структури IGBT-транзисторів з симетричними n-р-n і р-n-р провідностями і дзеркальним розташуванням їх внутрішніх елементів, що складають IGBT-півміст. Частотний перетворювач прототипу містить IGBT-модуль (інвертор), який складається з IGBT-транзисторів зі зворотною n-р-n провідністю. Кожен IGBT-транзистор має в собі складну 1 UA 102195 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 компоновку з двох транзисторів керуючого польового з n-каналом (МОП-структура) і силового біполярного з р-n-р провідністю, а також зворотного діода. На фіг.1 наведено справа прийняте коротке позначення цих IGBT-транзисторів, що утворюють два півмости або однофазний інвертор, а зліва - їх внутрішня компоновка. Емітера нижнього ряду IGBT-транзисторів з'єднуються разом на мінусову шину постійної ланки, а емітера верхнього ряду цих транзисторів роз'єднані і включаються з різних сторін на силове навантаження. А колектори верхнього ряду IGBT-транзисторів навпаки з'єднуються разом на плюсову шину постійної ланки. В результаті виходить асиметрія в слабкострумових ланцюгах управління входами згаданих польових транзисторів. А так як кожен IGBT-транзистор має свій керуючий драйвер, доводиться використовувати гальванічно розв'язані слабкострумові стабілізовані джерела живлення в кількості (n+1), де n- кількість півмостів, що входять в IGBT-модуль. Наприклад, при незалежному ШІМ-формуванні трьох фазних струмів асинхронного електродвигуна, що значно спрощує всю структуру управління частотним перетворювачем, необхідно використовувати для кожної фази два силових півмости. Отже, для трьох обмоток двигуна потрібно мати шість півмостів інвертора. В цьому випадку для шести драйверів, які управляють шістьма IGBT транзисторами верхнього ряду, треба використовувати шість слабкострумових стабілізованих джерел живлення. А для IGBT транзисторів нижнього ряду досить мати тільки одне слабкострумове стабілізоване джерело живлення. На фіг. 2 показана симетрична компоновка IGBT-модуля пропонованого частотного перетворювача, у якого емітера транзисторів верхнього ряду з'єднані разом на плюсову шину постійної ланки, а їх колектори роз'єднані і включені до навантаження інвертора. Тому силові транзистори верхнього ряду мають р-n-р структуру і складаються з керуючого польового МОНтранзистора з p-каналом і силового біполярного з n-р-n провідністю, а також зворотного діода. Отже, нижній ряд IGBT транзисторів управляється сигналом позитивної полярності, а верхній ряд IGBT транзисторів управляється сигналом негативної полярності. Завдяки цьому нижній і верхній ряди IGBT транзисторів незалежно від кількості використовуваних півмостів мають в ланцюгах управління тільки по одному стабілізованому джерелу живлення, але різної полярності. Тоді й драйвера управління, відповідні нижньому і верхньому рядам, мають симетричну схемотехніку в своїх побудовах. Зазначена симетрія відображена в побудові драйверів існуючого і пропонованого IGBT-модулів, що показано на фіг. 3 і фіг. 4. На фіг. 5 показаний можливий приклад виконання внутрішньої структури пропонованого симетричного IGBT-півмосту, складеного з двох симетричних IGBT-транзисторів. Тут нижній IGBT транзистор з n-р-n провідністю складається з польового МОН-транзистора з n-каналом, біполярного транзистора з р-n-р провідністю і зворотного діода. Вони позначені відповідно номерами 1, 2, 3. Тоді верхній IGBT транзистор з р-n-р провідністю складається з польового МОН-транзистора з p-каналом, біполярного транзистора з n-р-n провідністю і зворотного діода, позначені відповідно номерами 6, 5, 4. Запропонований частотний перетворювач в комплекті з симетричним IGBT-модулем і відповідними драйверами працює таким чином. Компонування симетричних IGBT-транзисторів однофазного інвертора, показане на фіг. 2, пояснює фізичний принцип їх роботи. На затворвитік нижнього IGBT - транзистора подається від драйвера сигнал управління позитивної полярності, відкривається n-канал польового транзистора, зі стоку якого подається струм на базу біполярного р-n-р транзистора. Далі струм бази відкриває еміттерно-колекторний перехід цього біполярного транзистора. А на затвор-витік верхнього IGBT транзистора подається від драйвера зі зворотною структурою сигнал управління негативної полярності, відкривається рканал польового транзистора, зі стоку якого подається струм на базу біполярного n-р-n транзистора. Далі струм бази відкриває емітерно-колекторний перехід згаданого біполярного транзистора. В результаті поперемінне діагональне включення симетричних IGBT-транзисторів формує змінний струм у фазі асинхронного двигуна. Тут нижні ІGBT-транзистори управляються драйверами, що мають одне стабілізоване джерело живлення з позитивною полярністю. Відповідно, верхні IGBT-транзистори управляються симетрично побудованими драйверами, які мають також одне стабілізоване джерело живлення, але з негативною полярністю. Таким чином, завдяки новим ознаками запропонованого винаходу, зменшується кількість слабкострумових стабілізованих джерел живлення, що спрощує управління інверторами частотних перетворювачів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 60 Частотний перетворювач, що містить IGBT-модулі, що включають щонайменше два півмости, які містять верхні та нижні IGBT-транзистори зі зворотною провідністю і драйвера керування 2 UA 102195 C2 5 цими транзисторами, який відрізняється тим, що верхні IGBT-транзистори виконані з прямою провідністю, при цьому драйвера, які керують верхніми IGBT-транзисторами, виконані зі зворотною структурою побудови і підключені до одного джерела живлення зі зворотною полярністю по відношенню до структури побудови та джерела живлення драйверів, які керують нижніми IGBT-транзисторами. 3 UA 102195 C2 4 UA 102195 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5