HU222091B1 - Kapcsolási elrendezés egyenáramú hálózatra visszatápláló járművek túláramvédelmére - Google Patents

Abstract

A találmányunk szerinti kapcsolási elrendezés az egyenáramú hálózatpontjai (P és N), valamint az önmagában ismert kondenzátorteleppel(C), fékellenállás-fokozattal (FE) és inverter fokozattal (INV)rendelkező aszinkronmotoros (3) hajtásrendszer pozitív sínje (+SIN) ésnegatív sínje (–SIN) közé van beépítve. Kapcsolási elrendezésünkben ahálózat egyik pontja (P) egy meghajtóegységgel (M1) ellátott IGBT-n(T1) és a vele párhuzamosan kötött diódán (D1) keresztül csatlakozik ahajtásrendszer pozitív sínjére (+SIN), míg ezek közös hálózatoldalipontja (P) egy szabadonfutó diódán (D4) keresztül csatlakozik anegatív sínre (–SIN). Amennyiben a felsővezetékes hálózat nemrögzített polaritású (tehát polaritásváltás léphet fel), kapcsolásielrendezésünk – az előzőekkel szimmetrikus felépítést tükrözve – egytovábbi meghajtóegységgel (M2) rendelkező IGBT (T2)-t is tartalmaz,amely úgyszintén egy diódával (D2) van áthidalva, és a hálózat másikpontja (N) és a hajtásrendszer negatív sínje (–SIN) közé van bekötve;továbbá ezek hálózatoldali közös pontja (N) is egy szabadonfutó diódán(D3) keresztül csatlakozik a hajtásrendszer pozitív sínjére (+SIN). ŕ

Description

A találmány tárgya kapcsolási elrendezés nagy teljesítményű IGBT-k túlfeszültség- és túláramvédelmét egyaránt biztosító meghajtóáramkörére, amely külső passzív elemek nélkül, magán a védendő IGBT kapcsain fellépő feszültségesések egyidejű érzékelésén alapuló, folyamatos, minden kikapcsoláskor hatásosan működő tranziens feszültségkorlátozást, minden bekapcsoláskor működő túlfeszültség-védelmet, és kis meredekségű lágy zárlat kikapcsolására alkalmas túláramvédelmet biztosít, mindezeken túl ellátva az ismert megoldással egyezően kemény zárlatok esetén is a túláramvédelmet.

A találmány alkalmazási területe a nagy teljesítményű IGBT-kkel felépített ipari hajtások, járműhajtások és segédüzemi berendezések.

A villamos hajtású berendezésekben (járművek, statikus motorhajtások) széles körben alkalmazzák a szigetelt bázisú bipoláris tranzisztor (Insulated Gate Bipolar Transistor, a továbbiakban IGBT) elnevezésű nagy teljesítményű félvezető kapcsolóelemeket. Az IGBT-k vezérlőjeleit, azaz a be- és kikapcsolásukhoz szükséges feszültségimpulzusokat nagy integráltságú vezérlő áramkörökkel egy külső tápfeszültség felhasználásával állítják elő. A vezérléshez szükséges energiát külső tápforrás biztosítja. A bejövő logikai vezérlőimpulzusok, azaz a be/ki kapcsolási parancs villamos vagy fényimpulzusok formájában jut a vezérlő áramkörre. Egy jelfeldolgozó logikai áramkör (vezérlőegység) után egy (általában tranzisztoros) végfokozat állítja elő a gate vezérléséhez szükséges feszültségimpulzusokat.

Az IGBT-k érzékeny félvezető elemek, melyeknek mind a túlfeszültséggel, mind a túlárammal szembeni állóképességük korlátozott, ezért gondoskodni kell az adatlapokban megadott határértékek betartásáról, hogy az IGBT ne menjen tönkre. Ismeretesek eljárások a túlfeszültség és túláram elleni védelemre, melyeket külön-külön vagy együttesen is alkalmaznak.

A túlfeszültséggel szembeni védelem követelménye azt jelenti, hogy a félvezető eszközökön semmilyen körülmények között nem léphet fel nagyobb záróirányú feszültség, mint amelyet a rá jellemző adatlapon a gyártók előírtak. Ugyanakkor az IGBT rendkívül gyors kikapcsolási folyamata során fellépő nagy kikapcsolási árammeredekség a berendezésekben meglévő szórási induktivitásokon jelentős tranziens túlfeszültséget hoz létre, amely hozzáadódva a hálózati feszültséghez az IGBT-t minden kikapcsoláskor igénybe veszi. Az IGBT-re jutó feszültség korlátozását ezekben a berendezésekben általában külső kiegészítő erősáramú áramköri elemek alkalmazásával, a vezérlő áramkör gate ellenállásának megfelelő megválasztásával, vagy egyéb gate-oldali villamos paraméter módosításával, illetve a berendezés alacsony szórási induktivitást eredményező konstrukciós kialakításával érik el.

A technika állásából ismert, hogy a gate paramétereket az IGBT kapcsolási tranziens üzemi körülményei közben, azaz a be/ki kapcsolási folyamat alatt módosítva befolyásolni lehet az IGBT-n átfolyó áram és a rajta fellépő feszültség időbeni lefutását. A problémát az jelenti, hogy a gate-oldali paraméterek gyors változtatása alacsony kapcsolási veszteségeket, viszont jelentős kikapcsolási túlfeszültséget, illetve bekapcsolási áramcsúcsot okoz, míg a lassú változtatás nagy kapcsolási veszteségeket, viszont mérsékelt kikapcsolási feszültség- és bekapcsolási áramcsúcsokat eredményez. A gate paraméterek változtatására ezért a két módszer kombinációját alkalmazzák, azaz a gyors és lassú változtatás közötti különböző szempontok szerinti átkapcsolást. Ennek az ismert módszernek a nehézsége abban rejlik, hogy az átkapcsolások időtartama a rendkívül gyors kapcsolási folyamatok miatt néhány száz nanoszekundum nagyságú lehet csak. A gate feszültség módosításával megvalósított túlfeszültség-védelemre ad megoldást a WO 97/43832 számú „Insulated gate bipolar transistor control” című szabadalmi leírás. Ebben a kollektorról visszacsatolt kondenzátor osztólánc jelével két lépcsőben csökkentik az IGBT gate feszültségét, melynek hátránya, hogy csak diszkrét lépésekben hajtja végre a beavatkozást.

Az IGBT-k túlárammal szembeni állóképessége, mind az időtartam, mind a fellépő áram abszolút értékének függvényében szintén korlátozott. A túlárammal szembeni védekezést ezenkívül tovább bonyolítja, hogy egy berendezésben az üzemszerű működésen kívül többféle túláram is felléphet, így

- a kikapcsolt állapotból zárlatra kapcsolás során kialakuló túláram (switched fault, a továbbiakban SF),

- a bekapcsolt állapotban fellépő zárlat során kialakuló túláram (fault under load, a továbbiakban FÜL).

Mindkét állapot felosztható további két alapesetre. Amennyiben az IGBT-n a zárlati esemény során az áram kis meredekséggel növekszik, a feszültség pedig teljes mértékben összeesik a kollektor emitterkapcsain, azaz telített (szaturációs) kapcsolási állapotba kerül. Ezt a kapcsolási állapotot nevezik lágy zárlatnak (L: low). A másik alapesetet az jelenti, mikor a zárlati kör induktivitása olyan alacsony, hogy a kollektor emitterfeszültség nem esik össze a bekapcsolás során, azaz az IGBT kapcsain jelentős feszültség marad, a zárlati áram pedig ezalatt nagyon nagy meredekséggel növekszik. Ez utóbbi kapcsolási állapotot kemény (H: hard) zárlatnak nevezik.

A fenti felosztás szerint megkülönböztetett zárlati állapotok az angol betűrövidítéseknek megfelelően:

- kikapcsolt állapotból kemény zárlatra kapcsolás (Hard switched fault, a továbbiakban H-SF),

- kikapcsolt állapotból lágy zárlatra kapcsolás (Low switched fault, a továbbiakban L-SF),

- bekapcsolt állapotban fellépő kemény zárlat (Hard fault under load, a továbbiakban H-FUL),

- bekapcsolt állapotban fellépő lágy zárlat (Low fault under load, a továbbiakban L-FUL).

A hagyományos IGBT vezérlő áramkörök tartalmaznak megoldásokat az IGBT-k túláramvédelmére. Ezek a megoldások a kapcsolóeszköz azon tulajdonságát használják ki, hogy a rajtuk fellépő zárlati áram maximális értékét a vezérlő gate feszültség értéke határozza meg az úgynevezett kimeneti karakterisztika függvényében. Az így kialakuló jelentős mértékű áram elérése2

HU 222 091 Bl kor az IGBT a telített üzemállapotából az aktív tartományú üzemi állapotba megy át, melynek eredményeként megnövekszik a kollektor emitterkapcsain a feszültség. Ezt érzékelve a vezérlő áramkör azonnali kikapcsolást kezdeményez. Ez az eljárás a technika mai állása szerint széles körben ismert, például a DE19849097 számú „Verfahren zűr Schaltzustandsüberwachung eines IGBT und Vorrichtung zűr Durchfuhrung des Verfahrens” című szabadalmi leírás is ezt az eljárást ismerteti.

Az ismert megoldás hátránya, hogy a közvetett áramérzékelés miatt csak a H-SF és H-FUL jellegű zárlati eseményekre nyújt biztonságos megoldást. Az üzemi tapasztalatok szerint gyakoribb lágy zárlati eseményekre, L-SF és L-FUL hibák esetében a megoldás jelentős hátránya, hogy nem képes megakadályozni a szabályzóberendezés felől kezdeményezett idő előtti kikapcsolást. Ez azt jelenti, hogy egy olyan időpontban érkezik a kikapcsolási parancs, amikor az IGBT még nem érte el az aktív tartomány határát, azaz nem lépett ki a telített állapotból, viszont az áram már túllépte azt az értéket, ami felett telített állapotban semmi esetre sem szabad kikapcsolási folyamatot elindítani. Az ilyen körülmények között bekövetkezett L-SF vagy L-FUL hiba az IGBT tönkremenetelét eredményezi.

Nagyáramú IGBT-k esetén ismeretesek megoldások a zárlati áram más módon történő érzékelésére. Ehhez az IGBT vezérlő emitterkivezetése és az erősáramú emitterpont között szükségszerűen meglévő néhány nHs belső induktivitáson az áram növekedési sebességével arányos feszültségesést érzékelve avatkoznak be a gate körbe. Az eljárás nehézségét az okozza, hogy az így kialakuló feszültség amplitúdója néhány tíz, esetleg száz mV, lágy zárlat esetében még ennél is alacsonyabb. A módszer alkalmazására mutatnak példát az alábbi cikkek. H-G. Eckel: Optimization of the short-circuit behaviour of npt-IGBT by the gate drive, EPE’95 (old. 2213-2218) és a Vinod John: Fást clamped shortcircuit protection of IGBT’s, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 35. No.2, 1999, (old. 477-486). Az előbbi csak nagy meredekségű kemény zárlat esetében alkalmazható eljárást mutat be, az áramot nem képezi le, csupán egy passzív osztóláncon keresztül érzékeli. Az utóbbi a lágy zárlat esetében egy integrátor áramkört alkalmaz. Ez már árammal arányos jelet képez, viszont ennek a megoldásnak egyik hátránya az, hogy az integrátor bemenőfeszültsége nagyon kis értékű, emiatt kis ofszetfeszültséggel rendelkező áramkört kell alkalmazni, másrészt nem oldja meg azt a problémát, hogy a normál üzemi áramnál az emitterköri ellenálláson eső feszültség miatt az integrátor elintegrál és tévesen zárlatot jelezhet.

A találmány célja olyan, az ismert megoldások hiányosságait kiküszöbölő összetett meghajtóáramkör kialakítása, mely lehetőséget nyújt a nagy értékű IGBTk megbízható, üzembiztos vezérlésére minden kapcsolási állapotban.

A találmánnyal megvalósított kapcsolási elrendezés abból a felismerésből származik, hogy a fenti célkitűzést külső passzív áramköri elemek nélkül, magán a védendő IGBT sarkain fellépő feszültségesések érzékelésén alapuló túlfeszültség-, illetve zárlatvédelemmel érhetjük el kellő biztonsággal, nevezetesen egyrészt az IGBT-k kikapcsolása során emelkedő kollektorfeszültség tranziens csúcsértékét megfelelő áramkörökkel periodikusan korlátozni lehet; az IGBT-k bekapcsolása előtt a rajta fennálló statikus feszültség megmérésével statikus hálózati túlfeszültség-védelmet, továbbá az IGBT-k vezérlési emittere és az erősáramú emittere között meglévő IGBT induktivitáson a zárlati áram hatására fellépő feszültségesés transzformátoros leválasztásával és jelerősítésével majd az ezt követő gate feszültségkorlátozással lágy zárlati túláramvédelmet lehet megvalósítani. (Egyúttal az így kialakított kapcsolási elrendezés a kemény zárlati események során is zárlatvédelmet biztosít az ismert módon.)

A találmány szerinti kapcsolási elrendezés lényege, hogy egyrészt egy feszültségemelkedést érzékelő áramkörön keresztül a kollektorfeszültségnek az IGBT-k kikapcsolásakor bekövetkező emelkedését differenciáló jellegű szűrő áramkörön keresztül logikailag feldolgozva tranzisztoros végfokozaton keresztül gyors gate paraméterváltoztatást valósít meg, másrészt a kollektorfeszültségnek hálózati túlfeszültséget érzékelő áramkörön keresztüli érzékelésével, időzítő és logikai áramkörön keresztül történő feldolgozásával statikus hálózati túlfeszültség-védelmet biztosít, harmadrészt az IGBT-k vezérlési emitterpontja és az erősáramú emitterpontja között meglévő parazita induktivitáson a zárlati áram hatására fellépő feszültségesést áramszint-érzékelő áramkörön keresztül megmérve, majd a logikai vezérlőegységen keresztül beavatkozva, a gate feszültséget korlátozó áramkör és a telítési feszültséget érzékelő áramkör segítségével lágy zárlati túláramvédelmet valósít meg.

A fentieknek megfelelően találmányunk tárgya egy kapcsolási elrendezés a nagy teljesítményű IGBT-k túlfeszültség- és túláramvédelmét egyaránt biztosító meghajtóáramkörére, amely kapcsolási elrendezésnek a védendő IGBT gate bemenetpontjára tranzisztoros végfokozaton keresztül kapcsolódó jelfeldolgozó logikai vezérlőegysége van, amely impulzust fogadó és hibajelzést adó áramkörökkel van leválasztva az IGBT-t vezérlő kisfeszültségű áramkörtől, továbbá a működéshez és a meghajtáshoz szükséges külső tápfeszültséget előállító áramkörökkel rendelkezik. Megoldásunk sajátosan új jellemzői, hogy az IGBT kollektorpontjára egy hálózati túlfeszültséget érzékelő áramkör, egy feszültségemelkedést érzékelő áramkör, valamint egy telítési feszültséget érzékelő áramkör bemenetel vannak kötve, az IGBT erősáramú emitterpontjára pedig egy áramszint-érzékelő áramkör bemenete csatlakozik, és mindezen áramkörök kimenetei a logikai vezérlőegység bemenetére vannak kötve, a logikai vezérlőegység kimenetére pedig - a tranzisztoros végfokozaton túlmenően - egy gate feszültséget korlátozó áramkör bemenete van kapcsolva, melynek egyik kimenete az IGBT gate bemenete pontjára, másik kimenete pedig az IGBT vezérlési emitterpontjára csatlakozik.

A találmányunk szerinti kapcsolási elrendezés egy előnyös kiviteli alakjánál a feszültségemelkedést érzé3

HU 222 091 Bl kelő áramkör egy differenciáló jellegű szűrő, amely az IGBT kollektorpontjára csatlakozó leválasztódiódából és ellenállásból áll.

Egy további előnyös kiviteli alaknál a feszültségemelkedést érzékelő áramkört alkotó differenciáló jellegű leválasztószűrő diódájával egy kondenzátor van sorba kapcsolva.

Előnyös továbbá az a kiviteli alak, melynél kapcsolási elrendezésünk hálózati túlfeszültséget érzékelő áramköre egy, a védendő IGBT kollektorpontjára osztóláncon keresztül kapcsolódó komparátorból és ennek kimenetén lévő időzítő áramkörből van felépítve.

Célszerűen kapcsolási elrendezésünk áramszintérzékelő áramköre egy integrátorból és ennek kimenetére csatlakozó komparátorból áll, melynek kimenete kapcsolódik a logikai vezérlőegység bemenetére, míg az integrátor bemenete egy transzformátoron és egy leválasztókondenzátoron keresztül van az IGBT erősáramú emitterpontjára kötve. (Egyes nagy kiterjedésű, nagy teljesítményű IGBT-k esetén elhagyható a transzformátor.)

Kapcsolási elrendezésünk előnyös kiviteli alakjánál a gate feszültséget korlátozó áramkör egy tranzisztor, egy dióda és egy Zener-dióda soros kapcsolásával van kialakítva, és a tranzisztor vezérlő bemenete van a logikai vezérlőegység közbeiktatásával az áramszint-érzékelő áramkörhöz csatlakoztatva.

A találmányunk szerinti kapcsolási elrendezés tranzisztoros végfokozata célszerűen három kapcsolótranzisztorból és az IGBT gate ellenállásaiból van felépítve, melyek közösített kimeneti pontja közvetlenül csatlakozik a védendő IGBT gate bemenetpontjára.

A továbbiakban ábrák alapján ismertetjük a találmányunk szerinti kapcsolási elrendezést, és annak működését túlfeszültség-, illetve zárlatvédelem során. Az

1. ábrán kapcsolási elrendezésünk blokkvázlata látható, míg a

2. ábrán az 1. ábra szerinti kapcsolási elrendezés egyes áramköri egységeinek (blokkjainak) áramköri felépítése, egy előnyös kiviteli példán bemutatva.

Az 1. ábrán tehát blokkvázlatszinten látható kapcsolási elrendezésünk. Az ábrán feltüntettük a találmányunk szerinti meghajtóáramkör működtetéséhez szükséges, a nagyfeszültségű oldal és a kisfeszültségű oldal közötti leválasztást biztosító IFA’ impulzusfogadó, illetve HJA hibajelzést adó áramköröket is, valamint a működtetéshez ugyancsak elengedhetetlenül szükséges TÁP tápfeszültséget előállító áramköröket. (Ezen egységek nem képezik találmányunk tárgyát.)

Az ábrán szaggatott vonallal szimbolizáltuk továbbá a kisfeszültségű és nagyfeszültségű oldalak leválasztását.

Amint az 1. ábrán látható, a védendő Tr IGBT C kollektorpontjára egy, a kikapcsoláskor jelentkező tranziens jellegű túlfeszültség korlátozását biztosító, úgynevezett FEÉ feszültségemelkedést érzékelő áramkör bemenete, egy HTÉ hálózati túlfeszültséget érzékelő áramkör bemenete és egy TFE telítési feszültséget érzékelő áramkör bemenete van kapcsolva.

A védendő Tr IGBT E erősáramú emitterpontjára egy ÁSZÉ áramszint-érzékelő áramkör bemenete csatlakozik, míg az előbbiekben felsorolt áramköri egységek kimenetei egy LVE logikai vezérlőegység bemenetére vannak kötve.

Az LVE logikai vezérlőegység - egyezően az ismert megoldásokkal - egy TVF tranzisztoros végfokozaton keresztül kapcsolódik a védendő Tr IGBT-t vezérlő G gate bemenetpontjára.

Az 1. ábrán feltüntettük - szaggatott vonallal jelölve - a Tr IGBT KE vezérlési emitterpontja és E erősáramú emitterpontja közötti, azok gyártásából következően eredendően meglévő parazita induktivitást is (amely tehát nem külső áramköri elem).

Kapcsolási elrendezésünk tartalmaz továbbá egy GFK gate feszültséget korlátozó áramkört is, melynek bemenete az LVE logikai vezérlőegység kimenetére van kötve - ily módon az LVE logikai vezérlőegységen keresztül van összekötve az ÁSZÉ áramszint-érzékelő áramkörrel - kimenetei pedig a védendő Tr IGBT G gate bemenetpontjára, illetve KE vezérlési emitterpontjára vannak kötve.

Kapcsolási elrendezésünk működését a 2. ábra kapcsán ismertetjük.

A 2. ábra kapcsolási elrendezésünk egy előnyös kiviteli alakját mutatja be, az 1. ábrán látható egyes áramköri egységek tényleges kialakítását.

Az egyes áramköri egységek (blokkok) kapcsolata, azok hivatkozási jelei megegyeznek az 1. ábrán látható megoldással, így erre ismételten nem térünk ki.

A védendő Tr IGBT C kollektorpontjára csatlakozó FEÉ feszültségemelkedést érzékelő áramkör nagyfeszültségű leválasztó- 1 diódából, 2 kondenzátorból és 3 ellenállásból álló differenciáló jellegű szűrőt alkot. Bizonyos 1 diódatípusok alkalmazása esetén a 2 kondenzátor elhagyható, mert elegendően nagy az 1 dióda saját belső kapacitása. (A 2 kondenzátor vagylagosságára szaggatott vonalú keretezéssel utaltunk.)

A találmányunk szerinti kapcsolási elrendezésben a Tr IGBT kikapcsolásakor bekövetkező kollektorfeszültség emelkedését az LVE logikai vezérlőegység a differenciáló jellegű szűrőn (a FEÉ feszültségemelkedést érzékelő áramkörön) keresztül észleli, és a kapott jelet logikailag feldolgozva a TVF tranzisztoros végfokozaton keresztül gyors gate paraméterváltoztatást valósít meg. A túlfeszültség-korlátozás oly módon jön létre, hogy a beavatkozás időpontjában a Tr IGBT kikapcsolásakor fellépő meredek feszültségfelfutás érzékelésével az LVE logikai vezérlőegység rövid időre úgy módosítja a gate vezérlő áramot, hogy a kikapcsolási áram lefutási meredeksége lágyabb, és ezáltal a tranziens csúcsfeszültség jelentős mértékben kisebb legyen.

Ez a beavatkozás minden egyes kikapcsolási folyamat során végbemegy, tehát periodikus.

A beavatkozás időtartama néhányszor tíz nanoszekundum, ami sem a kikapcsolási folyamat egészét, sem a kapcsolási veszteségeket nem befolyásolja jelentős mértékben.

Kiviteli példánkban az ÁSZÉ áramszint-érzékelő áramkör egy 5 integrátort és ennek kimenetére csatlako4

HU 222 091 Bl zó 4 komparátort tartalmaz, melynek kimenete az LVE logikai vezérlőegység bemenetére csatlakozik, míg az 5 integrátor egy 6 transzformátoron és a Tr IGBT egyenszintű ohmos feszültségesését leválasztó 7 kondenzátoron keresztül közvetlenül a Tr IGBT E erősáramú emitterpontjára van kötve. A 7 kondenzátor egyúttal megakadályozza a 6 transzformátor betelítődését is. A 6 transzformátor nagyobb menetszámú, szekunder oldala csatlakozik az 5 integrátorhoz, alkalmazása az alacsony feszültségszintek miatt szükséges.

Az ÁSZÉ áramszint-érzékelő áramkör a Tr IGBT KE vezérlési emitterpontja és E erősáramú emitterpontja között meglévő parazita induktivitáson eső feszültséget érzékeli, melynek növekedése arányos az LSF és L-FUL lágy zárlati túláramok nagyságával, és e feszültség felhasználásával képezi le a Tr IGBT-n átfolyó áramot. Az ÁSZÉ áramszint-érzékelő áramkör kimenőjele az LVE logikai vezérlőegységen keresztül (feldolgozva) a GFK gate feszültséget korlátozó áramkör bemenetére jut. A GFK gate feszültséget korlátozó áramkör egy 8 tranzisztor, 9 dióda és 10 Zener-dióda soros kapcsolásával van kialakítva, és a 8 tranzisztor vezérlő bemenete csatlakozik az LVE logikai vezérlőegység kimenetére.

A túláramvédelem a lágy zárlati L-SF és L-FUL hibák esetén oly módon jön létre, hogy az érzékelt túlórámmal arányos jel hatására - az LVE logikai vezérlőegységen keresztül - a GFK gate feszültséget korlátozó áramkör úgy módosítja a Tr IGBT gate feszültséget, hogy a Tr IGBT kimeneti karakterisztikájának (fizikai tulajdonságainak) megfelelően egy jóval alacsonyabb zárlati áramszintnél kilép a telített állapotból az aktív üzemi tartomány állapotába - azaz megnövekszik a C kollektorpont feszültsége -, melynek hatására a TFE telítési feszültséget érzékelő áramkörön keresztül bekövetkezik a kikapcsolás.

A találmányunk szerint túláramvédelmi megoldás, a zárlat során létrejövő gate feszültség korlátozása lehetővé teszi normál üzemállapot esetén a bekapcsolt állapothoz tartozó gate feszültség növelését, ezzel alacsonyabb telítési (szaturációs) feszültség elérését, ami a bekapcsolt állapotbeli veszteségeket csökkenti.

A TFÉ telítési feszültséget érzékelő áramkör kiviteli példánkban egy 17 diódából és 18 komparátorból van kialakítva, a 17 dióda kapcsolódik a Tr IGBT C kollektorpontjára, míg a 18 komparátor kimenete az LVE logikai vezérlőegység bemenetére van kötve.

A TFÉ telítési feszültséget érzékelő áramkör az előzőekben leírtaknak megfelelően tehát „érzékeli” a lágy zárlati eseményeket is és kezdeményezi az LVE logikai vezérlőegységen keresztül a védendő Tr IGBT kikapcsolását, ugyanakkor ellátja - az ismert megoldásokkal egyezően - kemény zárlatok (H-SF és H-FUL hibák) esetén is a túláramvédelmét.

A HTÉ hálózati túlfeszültséget érzékelő áramköre a Tr IGBT C kollektorpontjára 19 osztóláncon keresztül kapcsolódó 20 komparátorból és ennek kimenetén lévő 21 időzítő áramkörből van felépítve.

A kiviteli példánkban alkalmazott, önmagában ismert TVF tranzisztoros végfokozat három 11, 12, kapcsolótranzisztorból és az ezekhez tartozó, különböző értékű 14, 15, 16 gate ellenállásokból áll, melyek közösített pontja a vezérlendő (és védendő) Tr IGBT G gate bemenetpontjára csatlakozik. A TVF tranzisztoros végfokozat lehet diszkrét áramköri elemekből felépített úgynevezett huzalozott logikai áramkör, intelligens programozható eszköz. Kialakítása a normál üzemállapot, az alkalmazott érzékelő áramkörök és beavatkozó egységek, valamint a végrehajtandó faladat ismeretében szakember köteles tudásához tartozik.

Összefoglalóan elmondhatjuk, hogy a találmányunk szerinti kapcsolási elrendezés - szemben az ismert megoldásokkal - minden üzemállapotban hatékony túlfeszültség- és túláramvédelemmel ellátott meghajtást biztosít a nagy értékű IGBT-ket tartalmazó hajtások számára.

A védelem kiteljed a minden egyes kikapcsoláskor jelentkező tranziens feszültségcsúcsok mérséklésére gyors gate paraméterváltoztatás révén, statikus hálózati túlfeszültség védelmet biztosít - mert nem engedi bekapcsolni az IGBT-t, hatékonyan véd lágy zárlatok (LSF, L-FUL) esetén is - a parazita induktivitáson fellépő feszültségesés közvetlen érzékelésével, ugyanakkor ellátja ismert módon a kemény zárlatok (H-SF, HFUL) elleni védelmet is.

Mindezen feladatokat külső, passzív elemek alkalmazása nélkül látja el, sőt kedvezően módosítja a védendő IGBT normál üzemállapotát.

Kapcsolásunk alkalmazásával ily módon tovább növelhető az IGBT-kkel felépített hajtások és ipari rendszerek megbízhatósága és élettartama.

Megoldásunk - a bemutatott példán túlmenően egymással párhuzamosan kapcsolt IGBT-kkel felépített berendezésekben is alkalmazható, illetve az IGBT-k tetszőleges erősáramú kapcsolási kombinációi esetén is.

Claims (7)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Kapcsolási elrendezés nagy teljesítményű IGBT-k túlfeszültség- és túláramvédelmét biztosító meghajtóáramkörére, amely az IGBT gate bemenetpontjára tranzisztoros végfokozaton keresztül kapcsolódó jelfeldolgozó logikai vezérlőegységet tartalmaz, és impulzusfogadó, illetve hibajelzést adó áramkörrel van leválasztva az IGBT-t vezérlő kisfeszültségű áramkörről, továbbá külső, tápfeszültséget előállító áramkörrel rendelkezik, azzal jellemezve, hogy az IGBT (Tr) kollektorpontjára (C) egy hálózati túlfeszültséget érzékelő áramkör (HTÉ), egy feszültségemelkedést érzékelő áramkör (FEÉ), valamint egy telítési feszültséget érzékelő áramkör (TFÉ) bemenetel csatlakoznak, melyek kimenetei a logikai vezérlőegység (LVE) bemenetére vannak kötve, az IGBT (Tr) erősáramú emitterpontjára (E) egy áramszint-érzékelő áramkör (ÁSZÉ) bemenete csatlakozik, melynek kimenete ugyancsak a logikai vezérlőegység (LVE) bemenetére van kötve, a logikai vezérlőegység (LVE) kimenetére pedig - a tranzisztoros végfokozaton (TVF) túlmenően - egy gate feszültséget korlátozó áramkör (GFK) bemenete van kapcsolva, melynek egyik kimenete - a

   HU 222 091 Bl tranzisztoros végfokozat (TVF) kimenetével együtt - az IGBT (Tr) gate bemenetpontjára (G), másik kimenete pedig az IGBT (Tr) vezérlési emitterpontjára (KE) van kötve.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy feszültségemelkedést érzékelő áramköre (FEÉ) egy differenciáló jellegű szűrő, amely egy, az IGBT (Tr) kollektorpontjára (C) csatlakozó leválasztódiódából (1), ellenállásból (3) és adott esetben kondenzátorból (2) áll.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy hálózati túlfeszültséget érzékelő áramköre (HTÉ) az IGBT (Tr) kollektorpontjára (C) osztóláncon (19) keresztül kapcsolódó komparátorból (20) és ennek kimenetén lévő időzítő áramkörből (21) van felépítve.
4. 4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy áramszint-érzékelő áramköre (ÁSZÉ) egy integrátort (5) és ennek kimenetére csatlakozó komparátort (4) tartalmaz, melynek kimenete a logikai vezérlőegység (LVE) bemenetére csatlakozik, míg az integrátor (5) bemenete egy transzformátor (6) és leválasztókondenzátor (7) közbeiktatásával van az IGBT (Tr) erősáramú emitterpontjára (E) kötve.
5. 5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy gate feszültséget korlátozó áramköre (GFK) egy tranzisztor (8), egy dióda (9) és egy Zener-dióda (10) soros kapcsolásaként van kialakítva, és a tranzisztor (8) vezérlő bemenete van a logikai vezérlőegység (LVE) közbeiktatásával az áramszint-érzékelő áramkörhöz (ÁSZÉ) csatlakoztatva.
6. 6. Az 1-5. igénypontok bármelyike szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy telítési feszültséget érzékelő áramköre (TFÉ) egy komparátort (18) tartalmaz, melynek bemenete egy diódán (17) keresztül kapcsolódik az IGBT (Tr) kollektorpontjára (C), míg kimenete a logikai vezérlőegység (LVE) bemenetére van kötve.
7. 7. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti kapcsolási elrendezés, azzal jellemezve, hogy tranzisztoros végfokozata (TVF) célszerűen három kapcsolótranzisztorból (11, 12, 13) és az IGBT (Tr) gate ellenállásaiból (14, 15, 16) van felépítve, melyek közösített kimeneti pontja csatlakozik az IGBT (Tr) gate bemenetpontjára (G).