FI105616B - Menetelmä ja järjestely tehopuolijohteen tilatiedon määrittämiseksi - Google Patents

Description

105616 i

Menetelmä ja järjestely tehopuolijohteen tilatiedon määrittämiseksi

Keksinnön tausta Tämän keksinnön kohteena on menetelmä tehopuolijohteen tilatie-5 don määrittämiseksi, tehopuolijohteen käsittäessä kollektorin, emitterin ja hilan, jolloin tehopuolijohteen hilalle on kytketty hilaohjain, joka käsittää apujän-nitesyötön.

Nykyaikaisissa tehoelektroniikkalaitteissa, kuten esimerkiksi oiko-sulkumoottoreiden pyörimisnopeuden säätöön käytettävissä taajuusmuuttajis-10 sa, sovelletaan nopeita puolijohteita. Tyypillisesti nämä ovat IGB-transistoreita, jotka kestävät oikosulkua tavallisimmin enintään 10 mikrosekunnin ajan. On siis tärkeää, että laitteesta saadaan mahdollisimman nopeasti ilmaisu sitä rasittavasta ylivirrasta, jotta tehopuolijohteet voidaan kytkeä johtamattomaan tilaan, ennen kuin ne tuhoutuvat ylikuumenemisen seurauksena.

15 IGB-transistorin kyllästysjännite, eli jännite kyseisen komponentin kollektorin ja emitterin yli kollektorivirran kulkiessa, on riippuvainen puolijohteen kautta kulkevan virran suuruudesta ja sen arvo normaalilla toiminta-alueella on 2 - 4 volttia. Kyllästysjännite kasvaa nopeasti, kun kollektorivirta ylittää nimellisvirran ja tätä seikkaa käytetäänkin yleisesti ylivirran ilmaisemi-20 seen. Esimerkiksi taajuusmuuttajissa kyllästysjännitteen maksimiarvo jäykässä oikosulkutilanteessa saattaa olla lähellä taajuusmuuttajan välipiirin jännitettä. Yleisesti ottaen kyllästysjännitteen maksimiarvo riippuukin oikosulun impedanssista. Tavallisesti ilmaisurajana on 10-20 voltin jännite, ja ilmaisun on !' kestettävä yhtämittaisesti vähintään kaksi mikrosekuntia, jotta tilanne tulkittai- 25 siin toimenpiteitä vaativaksi ylivinraksi.

On aikaisemmin tunnettua mitata tehopuolijohteen kyllästysjänni-tettä taajuusmuuttajissa käyttäen esimerkiksi vaihe- ja välipiirikohtaisia, nopeus- ja amplitudisovitettuja jännitteenjakajia taajuusmuuttajan miinuskisrkoa vastaan, ja vertaamalla vähennyslaskun avulla saatua arvoa tunnettuun refe-30 renssiin. Tällöin saatu digitaalinen tieto on miinuskiskon potentiaalissa, mutta se voidaan erottaa galvaanisesti käyttäen esimerkiksi optoisolaattoreita.

ψ

Keksinnön lyhyt selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä, joka välttää edellä mainitut epäkohdat ja edellä mainitun menetelmän tarvitsemat : 35 monet komponentit ja niiden viritystarpeen, ja mahdollistaa tehopuolijohteen 2 105616 kyllästysjännitetiedon ja sitä kautta vaihetilatiedon tuottamisen yksinkertaisemmalla, luotettavammalla ja edullisemmalla tavalla, referoituna haluttuun potentiaaliin. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä, jolle on tunnusomaista, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa 5 käytetään hilaohjaimen apujännitettä referenssijännitteenä, verrataan tehopuolijohteen kyllästysjännitettä referenssijännittee-seen käyttäen optoisolaattoria, ja tuotetaan tilatiedon ilmaisusignaali kyllästysjännitteen ja referenssi-jännitteen suuruuksista riippuen.

10 Keksinnön mukainen menetelmä perustuu siihen, että jo muutenkin olemassa olevaa hilaohjaimen syöttöjännitettä käytetään sellaisenaan referenssijännitteenä ja että tehopuolijohteen kyllästysjännitettä ja referenssijän-nitettä vertailevana komparaattorina käytetään jo muutenkin olemassa olevaa, galvaanisen erotuksen muodostamiseen tarvittavaa optoisolaattoria. Ainoa 15 tarvittava lisäkomponentti on optoisolaattorin erottava diodi, jonka tulee kestää estosuunnassaan sama jännite, jonka itse tehopuolijohdekin kestää. Tämä diodi on kuitenkin erittäin edullinen, sillä sen kautta kulkee ainoastaan optoisolaattorin valodiodin myötäsuuntainen, vain muutaman milliampeerin suuruinen virta. Vertaamalla optoisolaattorin lähdöstä saatavaa kyllästysjännite-20 tietoa ja valvottavan tehopuolijohteen hilan ohjaustietoa, voidaan loogisesti päätellä, onko kyseessä vaarallinen ylivirtatilanne vai vain normaali ‘kytkin au-ki’-tilanne.

Keksinnön kohteena on myös järjestely tehopuolijohteen tilatiedon määrittämiseksi, tehopuolijohteen käsittäessä koilektorin, emitterin ja hilan, 25 jolloin tehopuolijohteen hilalle on kytketty hilaohjain, joka käsittää apujännite-syötön, jolloin järjestelylle on tunnusomaista, että järjestely käsittää tehopuolijohteen emitteripotentiaaliin referoidun referenssijännitteen ja sarjaan kytketyt erotusdiodin ja tehopuolijohteen tilaa ilmaisevan ilmaisimen, jonka sarjakyt-kennän ensimmäinen pää on kytketty referenssijännitteeseen ja toinen pää te-30 hopuolijohteen kollektoriin .Tällaisen järjestelyn avulla voidaan keksinnön mukaisen menetelmän tarjoamat edut saavuttaa yksinkertaisella ja luotettavalla rakenteella.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen 35 yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joissa: 3 105616

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen menetelmän toteuttavaa piiri- järjestelyä;

Kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen menetelmän toteuttavaa periaatteellista piirijärjestelyä taajuusmuuttajan yhteydessä; ja 5 Kuvio 3 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaista kytken tää.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen menetelmän toteuttavan järjestelyn, jossa tehopuolijohteena on esitetty esimerkinomaisesti IGB-transistori 10 (IGBT) 1. IGBT on varsin nopea komponentti, jolla voidaan kytkeä suuria jännitteitä ja virtoja suurella kytkentätaajuudella. IGBT:n kollektori C on kytketty jännitteessä Vd olevaan johdinkiskoon 2 ja hila G on kytketty hilaohjaimeen, joka tuottaa IGBT:lle sytytykseen ja sammutukseen tarvittavat virta- ja jännite-pulssit. IGBT:llä voidaan kytkeä kollektorilla vaikuttava jännite Vd emitterin E 15 ulostulojännitteeksi Vo.

Hilaohjain 3 on kytketty tehopuolijohteen emitteriin hilaohjaimen nollatason määrittämiseksi. Kytkennän ansiosta hilaohjain on emitterin potentiaalissa huolimatta itse emitterin potentiaalista maahan nähden. Hilaohjaimen tehopuolijohteen puoleisena apujännitteenä Vcc käytetään tyypillisesti 15 volt-20 tia. Apujännite Vcc on siis referoitu emitteripotentiaaliin nähden. Mainitun apujännitteen tehtävänä on olla tehokomponentin hilan tarvitseman jännitteen jännitelähde komponentin sytytyksen ja johtavuustilan aikana. Kuvion 1 kytkennässä on lisäksi diodin V1, sovitusvastuksen R1 ja valodiodin V2 sarjaankytkentä, joka on kytketty hilaohjaimen 3 apujännitteen Vcc ja tehopuolijohteen 25 kollektorin väliin. Diodin V1 tehtävänä on erottaa mahdollinen suuri kollektori-jännite muusta piiristä. Valodiodia V2 käytetään sen sijaan ilmaisimena piirissä kulkevasta virrasta, ja kuvion 1 mukaisesti valodiodi on osa optoisolaattoria 4, jolloin valodiodin signaali saadaan siirrettyä galvaanisesti erotettuna.

Keksinnön menetelmän mukaisesti käytetään hilaohjaimen apujän-'· 30 niteitä Vcc referenssijännitteenä kuvion 1 esittämällä tavalla. Tehopuolijohteen ollessa johtavassa tilassa normaalissa toimintatilanteessa, jolloin normaali ' kollektorivirta kulkee komponentin läpi, tyypillinen kyllästysjännite Vsat on 2 - 4 volttia tehopuolijohteen ollessa IGBT. Menetelmän mukaisesti verrataan kyl-lästysjännitettä Vsat referenssijännitteeseen Vcc käyttäen optoisolaattoria. Mi-35 käli kyllästysjännite on pienempi kuin referenssijännite, tuotetaan tilatiedon il-maisusignaali. Ilmaisusignaalin tuottaminen tapahtuu kuvion esittämällä tavalla 4 105616 siten, että valodiodin V2 kautta kulkee virtaa, jolloin valodiodi tuottaa signaalin palamalla. Reaalisessa tapauksessa kyllästysjännitettä verrataan referenssi-jännitteeseen, josta on vähennetty virtapiirissä olevien muiden komponenttien jännitehäviöt ja kynnysjännitteet. Esimerkiksi kuvion 1 esittämässä tapaukses-5 sa, jossa referenssijännitteenä on apujännite Vcc, joka on tyypillisesti 15 volttia, todellinen verrattava jännite on noin 12 volttia.

Mikäli tehopuolijohteen, kuten IGBT:n läpi kulkeva virta kasvaa yli kyseiselle komponentille määritetyn nimellisvirtarajan, kasvaa komponentin kyllästysjännite voimakkaasti. Tällöin indikaationa ylivirrasta kyllästysjännite on 10 suurempi kuin referenssijännite, jolloin virran kulkeminen valodiodin V2 kautta ei ole mahdollista. Koska virta ei kulje ilmaisuun käytettävän valodiodin läpi samalla kun tehopuolijohde on ohjattu johtavaan tilaan, tiedetään, että teho-puolijohteen kollektorivirta on kasvanut tai kasvamassa liian suureksi. Diodin V1 ja valodiodin V2 sarjakytkentä on kytketty järjestelyssä siten, että ne erot-15 tavat kollektorilla vaikuttavan jännitteen hilaohjaimesta.

Tehopuolijohteen 1 ollessa johtamattomassa tilassa kollektorilla C vaikuttava jännite Vd on tyypillisesti huomattavasti suurempi kuin emitterillä vaikuttava jännite Vo. Tällöin tehopuolijohde ottaa kaiken jännitteen ylitseen, ja koska kollektorin jännite emitteriin verrattuna on suurempi kuin referenssijän-20 riite ilmaisuun käytettävän valodiodin V2 kautta ei kulje virtaa. Ilmaisuun käytettävän valodiodin kautta kulkee virtaa, ja ilmaisu saadaan aikaiseksi ainoastaan silloin, kun tehopuolijohteen kollektorivirta on normaalilla virta-alueella.

Kuvion 2 esittää keksinnön mukaisen menetelmän toteuttavaa periaatteellista kytkentää taajuusmuuttajan yhteydessä, josta kuviossa on esitetty 25 yhden vaiheen kytkentä esimerkinomaisesti. Keksinnön mukaista menetelmää ja sitä toteuttavaa kytkentää voidaan hyödyntää eräiden moottorisäätömene-telmien, kuten suoraan vääntömomentin säätöön perustuvan DTC säädön, tarvitseman vaihetilatiedon tuottamiseen kyllästysjännitteen tarkkailemisen ohella. Vaihetilatiedolla tarkoitetaan loogista tietoa siitä, onko moottorille me-30 nevä vaihejännite taajuusmuuttajan plus- vai miinuskiskon potentiaalissa, vai ;; muutostilassa näiden välillä. Vaihetilatietoa ei voida suoraan saada tehopuoli- johteiden hilojen ohjaussignaaleista, sillä puolijohteiden kytkemis- ja katkaisu-viiveet ovat riippuvaisia niiden toimintaoloista. Tämä riippuvuussuhde voidaan kompensoida vaihetilatiedon avulla.

35 Kun vaihelähtö kytketään taajuusmuuttajan välipiirin joko plus- tai miinuskiskoon vastaavalla tehopuolijohteella, kuten esimerkiksi IGBT:llä, gene- t 5 105616 roi vastaava kyllästysindikaattori aktiivisen signaalin optoisolaattorin 4 lähtöön (Outu, Outi). Näistä kahdesta tiedosta voidaan helposti päätellä, onko vaihe-lähtö milnuskiskossa, jolloin Outi on aktiivinen, pluskiskössa, jolloin Outu on aktiivinen vai näiden välisessä potentiaalissa, jolloin kummankaan optoiso-5 laattorin lähtö ei ole aktiivinen. Ratkaisulla säästetään muuten tarvittavat kolme nopeaa vaihekohtaista jännitteenjakajaa ja lopputulos on lisäksi suoraan logiikkatasoinen ja galvaanisesti erotettu.

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan referenssijännitteeksi tuotetaan hilaohjaimen apujännitteestä kolmioaalto, jolloin tehopuolijohteen 10 kyllästysjännite voidaan mitata. Nopeaa kolmio- tai saha-aaltoa referenssijän-nitteenä käytettäessä komparaattorina toimivan optoisolaattorin aktiivinen lähtötila muuttuu pulssisuhdemoduloiduksi kyllästysjännitteen suuruuden mukaisesti kyllästysjännitteen ollessa pienempi kuin referenssijännitteen huippu-arvo. Käytettävän kolmioaallon minimiarvo on edullisesti nolla volttia referoitu-15 na tehopuolijohteen emitteripotentiaaliin ja maksimiarvo hilaohjaimen apujän- . .

nite Vcc. Käytettäessä kolmioaaltoa referenssijännitteenä optoisolaattorin lähtö muuttaa tilaansa jokaista kolmioaallon jaksoa kohti kahdesti, ja kyllästysjännitteen suuruuden muuttuessa optoisolaattorin lähtöön muodostuvien pulssien pulssisuhdekin muuttuu. . Optoisolaattorin 4 lähtöön muodostuvan 20 pulssijonon pulssisuhteesta voidaan edelleen päätellä kyllästysjännitteen suuruus. Edullisimmin referenssiaaltomuodon taajuus on noin 500 kHz, jolloin komparaattorina toimivina optoisolaattoreina voidaan käyttää sarjavalmisteisia halpoja optoisolaattoreita. Tällöin ylivirtailmaisu tapahtuu viimeistään kahden mikrosekunnin aikana ja modulointisuhteen määrittelyyn 1 % erotuskyvyllä 25 riittää 50 MHz:n kellotaajuus.

Sovellettaessa suoritusmuodon mukaista kyllästysjännitteen mittausta, on tunnettava tehopuolijohteen lämpötila mahdollisimman tarkasti, sillä se vaikuttaa oleellisesti kyllästysjännitteeseen. Lämpötila voidaan päätellä esimerkiksi mittaamalla jäähdyttimen lämpötila.

30 Keksinnön mukaista menetelmää toteuttavan laitteen ollessa taa- juusmuuttaja, tai muu vastaava laite, jossa on hyödyllistä tietää laitteen ohjaaman kuorman jännitteen suuruus, voidaan keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti summata eri tehopuolijohteiden kyllästysjännitteiden suuruudet tehopuolijohteiden yhdistetyn kyllästysjännitteen aikaansaamiseksi. Tällöin 35 esimerkiksi taajuusmuuttajissa summaamalla ylä- ja alahaaran tehopuolijohteiden, tyypillisesti IGBT:n, kyllästysjännitteet, saadaan tietoon kuinka paljon 6 105616 moottorinjännite on pienempi kuin välipiirin jännite. Tätä tietoa voidaan käyttää hyväksi, kun halutaan tietää mahdollisimman tarkka moottorijännite ilman vai-hevirrasta riippuvaa puolijohdemallia. Suoritusmuotoa hyödyntämällä säästetään prosessorikapasiteettiä ja voidaan valita hitaampi, ja samalla kustannuk-5 siltaan edullisempi prosessori.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

• m t

Claims (5)

1. 7 105616
2. 1. Menetelmä tehopuolijohteen (1) tilatiedon määrittämiseksi, teho-puolijohteen käsittäessä kollektorin (C), emitterin (E) ja hilan (G), jolloin teho-puolijohteen hilalle on kytketty hilaohjain (3), joka käsittää apujännitesyötön 5 tunnettu siitä, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa käytetään hilaohjaimen (3) apujännitettä (Vcc) referenssijännittee-nä, verrataan tehopuolijohteen (1) kyllästysjännitettä (Vsat) referenssi-jännitteeseen käyttäen optoisolaattoria (4), ja 10 tuotetaan tilatiedon ilmaisusignaali kyllästysjännitteen ja referenssi- jännitteen suuruuksista riippuen.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuotetaan hilaohjaimen apujännitteestä kolmioaalto referenssijän- 15 nitteeksi, muodostetaan tehopuolijohteen kyllästysjännitteeseen verrannollinen pulssisuhdemoduloitu signaali tilatiedon ilmaisusignaaliksi, ja määritetään tehopuolijohteen kyllästysjännite pulssisuhdemodu-loidusta signaalista.
4. 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, jolloin menetelmää hyödynnetään taajuusmuuttajan kaltaisessa käytössä, joka käsittää useita te-hopuolijohteita, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheen, jossa summataan ennalta määrättyjen tehopuolijohteiden kyllästysjännitteet yhdistetyn kyllästysjännitteen aikaansaamiseksi. 25 4. Järjestely tehopuolijohteen (1) tilatiedon määrittämiseksi, teho- puolijohteen käsittäessä kollektorin (C), emitterin (E) ja hilan (G), jolloin teho-puolijohteen hilalle on kytketty hilaohjain (3), joka käsittää apujännitesyötön, tunnettu siitä, että järjestely käsittää sarjaan kytketyt erotusdiodin (V1) ja tehopuolijohteen tilaa ilmaisevan optoisolaattorin (4) valodiodin (V2), jonka y 30 sarjakytkennän ensimmäinen pää on kytketty referenssijännitteenä käytettävään hilaohjaimen apujännitteeseen (Vcc) ja toinen pää tehopuolijohteen kol-' lektoriin (C).
5. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että referenssijännite on hilaohjaimen apujännitteestä (Vcc) muodostettu kol- 35 mioaalto, jolloin optoisolaattorin (4) ulostulo käsittää tehopuolijohteen (1) kyllästysjännitteeseen (Vsat) verrannollisen pulssisuhdemoduloidun signaalin. r 105616