PE Zasilanie driverow kluczy Archiwum

PE Zasilanie driverow kluczy Archiwum

  W energoelektronice wszystkie klucze mocy są tylko typu N lub NPN. W półmostku i każdym mostku istnieje konieczność izolowanego zasilania driverów górnych kluczy. Tyrystory, poza wielkimi i gigantycznymi mocami, są elementem przestarzałym i wychodzącym z użycia. Oczywiście nie dotyczy to wyłączalnych tyrystorów GTO.

Statyczne wzmocnienie prądowe wysokonapięciowych tranzystorów mocy Darlingtona szybko spada z ich prądem kolektora. Przy prądzie nominalnym kolektora wzmocnienie na granicy nasycenia czyli przy Uce=Ube dla tranzystorów o Uceo=450V wynosi około 100 a dla potrójnych Darlingtonów o Uce=800V wynosi około 50 razy. Zatem dla Darlingtona o Uceo=800V i Ic=300A statyczny prąd sterowania wyniesie ca 6A a więc niemało a prąd dynamiczny znacznie więcej.

W Japonii która dominuje w energoelektronice sieciowe napięcie trójfazowe wynosi 200/220V i tranzystor z napięciem Uceo=450V jest wystarczający. Chcąc japońskie sterowanie CNC użyć w Europie trzeba dodatkowo zakupić zawsze oferowany transformator obniżający napięcie sieciowe dla którego gotowe miejsce jest w szafie. Do inverterów zasilanych z wyprostowanego trójfazowego napięcia „europejskiego” trzeba stosować tranzystory o Uceo > 800V.

Tranzystory Darlingtona nigdy nie są wprowadzane w stan nasycenia ponieważ wymusiłoby to konieczność długiego oczekiwania na wyjście tranzystora z nasycenia i znaczne zmniejszenie maksymalnej głębokości modulacji PWM co jest niepożądanie. Statycznie prąd bazy szybko maleje ze spadającym prądem kolektora bowiem tranzystor jest sterowany quasi proporcjonalnie. W mostkach trójfazowych wyjściowe prądy mają być sinusoidalne i stąd gdy jeden driver pobiera z zasilacza dużo mocy to pozostałe pobierają mniej lub niewiele.

Prąd bazy przy załączeniu klucza Darlingtona powinien być znacznie większy niż statyczny po to aby prąd kolektora szybko narastał a dioda antyrównoległa drugiego klucza szybko odzyskała zdolność zaworową i aby napięcie na przewodzącym tranzystorze w miarę szybko spadło. Jest to konieczne dla minimalizacji strat przy przełączaniu. Typowy układ przeciwnasyceniowy drivera daje zarazem forsowanie włączenia klucza. W istocie spełnia więc dwie niezbędne funkcje.

Parametry dynamiczne tranzystora Darlingtona a więc moc strat przełączania psują się wraz z prądem kolektora i temperaturą. Spada więc ich trwałość i niezawodność. Po trzecie szybko rośnie potrzebna driverom moc i straty w driverze. Wszystko to sprawia że tranzystory nie są mocno eksploatowane w inverterach.

Drivery do kluczy, Darlingtonów i tyrystorów GTO zawsze mają dodatnie i ujemne napięcia zasilania.

Driver do dużego wyłączanego tyrystora GTO oprócz potężnego impulsu do wyłączania bramką i sporego impulsu do załączania musi też dostarczać spory statyczny prąd do bramki.

W mostku trójfazowym trzy drivery górnych kluczy muszą mieć izolowane zasilania natomiast dolne drivery mogą mieć wspólne zasilanie ale poza mostkami dużej mocy gdzie dynamiczne spadki napięć na połączeniach są zbyt duże.

Najlepiej tranzystor SMPS , transformator i diody prostownicze wykorzystuje konwerter pracujący w modzie Forward półmostkowy lub mostkowy, gorzej konwerter Forward asymetryczny z jednym lub dwoma tranzystorami a najgorzej konwerter Flyback. Każdy regulowany konwerter w modzie Forward ma dławik w każdym prostowniku i dla współbieżności napięć winny być one wykonane na jednym rdzeniu z jak najlepiej sprzężonymi uzwojeniami. Z tego względu regulowany konwerter Forward zdecydowanie odpada do zasilania driverów inwertera.

W serwo wzmacniaczu Seidel zastosowano przetwornice Flyback. Dolne klucze mają wspólny prostownik napięć circa +-7.5V a trzy górne drivery osobne prostowniki. Osobne prostowniki zasilają część sygnałową. Transformator do każdego prostownika ma trzy wyprowadzenia ( dwa uzwojenia są połączone jako jedno w odczepem aby użyć trzech pinów karkasu a nie czterech ) a zatem problemem z transformatorem jest co najwyżej karkas z dużą ilością pinów. Jak powiedziano gdy jeden driver pobiera dużo mocy inne pobierają mało mocy i SMPS jest zwymiarowany na średnią pobieraną moc a nie sumę pobieranych mocy maksymalnych. Inverter ze sterowaniem umieszczono na jednej płycie drukowanej. Takie rozwiązanie nie nadaje się do dużo mocniejszych kluczy i driverów dlatego że zbyt duża byłaby indukcyjność rozproszenia ścieżek płyty drukowanej na co konwerter Flyback jest bardzo wrażliwy i długość grubych ścieżek dla dużych prądów okupujących cenne miejsce na PCB. Niemniej można prostowniki pojemnościowe dać przy transformatorze i tylko kondensatory blokujące zasilania przy driverach. Co prawda zdublowane są kondensatory ale koszt tego nie jest duży. Dla największych kluczy trzeba dać osobne transformatory i to zwymiarowane niestety na moc szczytową. Uzwojenia pierwotne tych transformatorów są połączone równolegle i zasilane jednym tranzystorem w SMPS.

W maszynie CNC lub robocie gdzie jest wiele napędów - inverterów może być zastosowana tylko jedna przetwornica SMPS a w poszczególnych inverterach tylko transformatory. Zauważyć należy że napędy rzadko jednocześnie pracują z pełną mocą i moc tej wspólnej przetwornicy nie będzie duża.

Tak samo w systemie winien być tylko jeden prostownik mocy napięcie stałego DC do zasilania inverterów z ewentualnym opornikiem mocy do wytracania energii hamowania. Zauważyć należy że w czasie gdy jeden napęd intensywnie hamuje pozostałe najczęściej pobierają moc i straty mocy hamowania w załączanym oporniku mocy mogą być bardzo małe lub wręcz zerowe.

Dla potężnych driverów idealna jest idea rozwiązania zasilającego konwertera zastosowanego w innowacyjnym wzmacniaczu mocy TA-N88 Sony.

Prosty impulsowy nieizolowany zasilacz obniża i stabilizuje napięcie z prostownika sieciowego dla mostka pracującego z wypełnieniem bliskim 100% bez modulacji PWM. Zapobiega też przeciążeniom. Najlepiej gdy konwerter wejściowy pracuje synchronicznie z podwójną częstotliwością pracy mostka.

Każdy potężny driver GTO ma własny transformator obniżający i prostowniki. W rozwiązaniu tym klucze, diody, transformator i kondensatory są doskonale wykorzystane. Indukcyjność rozproszenia każdego transformatora można skompensować szeregowym kondensatorem pseudo rezonansowym. Transformator zasilający dla drivera szybkiego potężnego tyrystora GTO o Iav=1000A i maksymalnym prądzie wyłączanym 3000 A gdzie wymagany jest maksymalnie prąd bramki do 1200 A mógłby być przy częstotliwości zasilania 60KHz rozmiaru E34 a z przyszłymi lepszymi ferrytami i przy wyższej częstotliwości pracy nawet mniejszy Cały driver zmieści się na niewielkiej płytce drukowanej umieszczonej jak najbliżej GTO. Prąd statyczny dla sterowania bramki GTO można uzyskać małymi dławikami bez straty mocy lub celowo wykonanym uzwojeniem o bardzo dużym rozproszeniu. Potężny driver GTO byłby mały, zimny lub co najwyżej lekko ciepły co da znakomitą niezawodność.

Drivery kluczy tranzystorów Mosfet i IGBT przy niewielkich częstotliwościach modulacji PWM potrzebują niewiele mocy i idealnym rozwiązaniem dla górnych kluczy są zasilaczyki Bootstrap.

Problemem jest jednak inicjacja pracy invertera jako że wpierw muszą być załączone dolne klucze aby przez diody naładowały się kondensatory Bootstrap zasilaczyków z dolnego napięcia zasilania 12-15V.

Załóżmy że zasilany jest silnik synchroniczny lub asynchroniczny i nastąpiła krótka przerwa w zasilaniu. Nie możemy na ślepo załączyć dolnych kluczy inwertera bowiem zewrzemy kluczami silnik – generator synchroniczny lub asynchroniczny bowiem stała czasowa magnesowania rotora jest całkiem spora. Trzeba zaangażować do tego inteligentny programik procesora co może w przyszłości nastąpi.

Górne kondensatorki Bootstrap można wstępnie naładować prostując napięcie z generatorka o częstotliwości kilku MHz podane przez kondensatorki 10-50 pF odpowiednie na napięcie invertera. Generatorek może być wykonany na buforach CMOS z ochroną wyjścia dwoma diodami. Lepszy jest tranzystorowy generatorek LC jako że jest mniej podatny na silne zakłócenia podawane kondensatorkami przy akcji kluczy. Kondensatorki mogą być z szeregowymi dławiczkami ( wyglądu oporników) dla rezonansu i powiększenia sztywności zasilania.

Alternatywnie można zastosować wydrukowane ( tak jak cewki filtrów telewizyjnych wzmacniaczy częstotliwości pośredniej IF ) na obu stronach płyty PCB „transformatorki” ( uzwojenie pierwotne na jednej stronie PCB a wtórne na drugiej stronie dokładnie nad nim) bez rdzenia zasilane napięciem częstotliwości ca 20-40 MHz z prostego generatorka tranzystorowego.

Generatorki RF mogą być po inicjacji wyłączone a gdy są włączone pozwalają na dowolnie długie załączenie górnych kluczy.

Kondensatory Bootstrap można też wstępnie naładować przez dwójniki RD załączając dwa pomocnicze tranzystory małej mocy na wysokie napięcie do napięć zasilania mostka DC.

Konkretne schematy zasilaczy driverów omówiono w konkretnych urządzeniach i eksperymentalnych projektach autora.

Maszyny ze sterowaniem komputerowym CNC i roboty zastępują pracę ludzi. Żeby ten mechanizm miał sens ekonomiczny skumulowany nakład pracy na wyprodukowanie invertera i całego sterowania CNC musi być odpowiednio mały.

Dla rozpowszechnienie maszyn CNC i robotów zastosowanie innowacji jest konieczne. Modułowe trójfazowe mostki tranzystorów Darlingtona są już produkowane. Wielkie nadzieje pokładane są w tranzystorze IGBT.

Potrzebne są lepsze scalone drivery i sprytne ich zasilanie tak aby cały serwo wzmacniacz nawet średniej mocy mieścił się na jednej pracooszczędnej płycie drukowanej PCB montowanej automatycznie. Potem przyjdzie czas na zintegrowanie na jednej PCB dwóch i trzech inverterów...