RU2752780C1 - Software and hardware solutions for managing igbt modules based on driver on microcontroller - Google Patents
Software and hardware solutions for managing igbt modules based on driver on microcontroller Download PDFInfo
- Publication number
- RU2752780C1 RU2752780C1 RU2020141379A RU2020141379A RU2752780C1 RU 2752780 C1 RU2752780 C1 RU 2752780C1 RU 2020141379 A RU2020141379 A RU 2020141379A RU 2020141379 A RU2020141379 A RU 2020141379A RU 2752780 C1 RU2752780 C1 RU 2752780C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- voltage
- current
- transistor
- gate
- collector
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
- G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
- G05F1/10—Regulating voltage or current
- G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Power Conversion In General (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к силовым модулям на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ, англ. Insulated-gate bipolar transistor, IGBT) - транзисторов, которые широко применяют в преобразовательной технике, вытесняющие биполярные силовые приборы.The invention relates to power modules based on insulated gate bipolar transistors (IGBT) - transistors that are widely used in converter technology, displacing bipolar power devices.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY
Изучение опыта существующих решений в области техники при разработке частотных приводов успешных производителей полупроводниковых приборов в области преобразователей частоты (ПЧ) таких компаний как Alstom, ABB, Schneider Electric, CT-Concept Technologie AG и Power Integrations и других крупнейших производителей драйверов для модулей IGBT позволило выявить ряд недостатков алгоритмов управления этими модулями.Studying the experience of existing solutions in the field of technology in the development of frequency drives from successful manufacturers of semiconductor devices in the field of frequency converters (FCs) such companies as Alstom, ABB, Schneider Electric, CT-Concept Technologie AG and Power Integrations and other major manufacturers of drivers for IGBT modules revealed a number of disadvantages of the algorithms for controlling these modules.
Также в ходе проведения экспериментов по разработке алгоритма управления формированием сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) были выявлены различные характеристики у идентичных модулей разных производителей. Эксперименты проводились как на IGBT модулях европейских производителей, так и на модулях, приобретенных в азиатской части мира.Also, in the course of experiments on the development of an algorithm for controlling the formation of pulse-width modulation (PWM) signals, various characteristics were revealed for identical modules from different manufacturers. The experiments were carried out both on IGBT modules from European manufacturers and on modules purchased in the Asian part of the world.
По итогам экспериментов было определено, что для реализации алгоритма управления совокупностью IGBT модулей недостаточно данных, получаемых с драйвера о состоянии этих самых IGBT модулей при реализации ПЧ на аппаратной части, имеющейся в продаже.Based on the results of the experiments, it was determined that to implement the control algorithm for a set of IGBT modules, there is not enough data received from the driver about the state of these same IGBT modules when the inverter is implemented on the hardware available on the market.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION
Технический результат изобретения заключается в расширении арсенала средств регистрации данных о режиме работы IGBT модулей для формирования сигналов корректировки режима работы через кусочно-линейную аппроксимацию модели транзистора при расчете температуры.The technical result of the invention consists in expanding the arsenal of means for recording data on the operating mode of the IGBT modules for generating signals for correcting the operating mode through piecewise linear approximation of the transistor model when calculating the temperature.
Было принято решение о реализации проекта по созданию собственного драйвера IGBT модуля на основе контроллера, например, выполненного на архитектуре ARM Cortex-M4.It was decided to implement a project to create a custom IGBT module driver based on a controller, for example, based on the ARM Cortex-M4 architecture.
В одном из вариантов реализации драйвер построен на ARM Cortex-M4 STM32F405 производства ST и операционных усилителях производства Analog Devices.In one implementation, the driver is based on an ARM Cortex-M4 STM32F405 manufactured by ST and op amps manufactured by Analog Devices.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации структурная схема драйвера регистрации данных о режиме работы биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) модулей и формирования управляющих сигналов реализована в контроллере, который создает опорное Vref напряжение для операционного усилителя, создающего управляющее напряжение на затворе транзистора G. Транзисторный буфер создает необходимый ток iG перезарядки емкости затвора G. Дополнительная цепь измеряет напряжение VEe, пропорциональное току iC, выделяющее на индуктивности LE и сопротивлении RE эмиттерного вывода транзистора. Это напряжение VEe участвует в измерение тока коллектора и в формировании сигнала ошибки - большой ток эмиттера. Также VEe подают на операционный усилитель (ОУ), замыкая обратную связь по току. Это контур безопасного токового режима: больше ток iC - меньше управляющий сигнал на затворе. Второй контур безопасного режима - по напряжению. Напряжение коллектора Uc через дифференциальную цепь Cv подают на ОУ, замыкая обратную связь по изменению напряжения Uc. Быстрый рост напряжения (обычно при выключении) вызывает повышение напряжения на затворе, затягивая фронт роста напряжения коллектора Uc.In accordance with the preferred embodiment, the block diagram of the driver for recording data on the operation mode of IGBT modules and generating control signals is implemented in a controller that generates a reference voltage Vref for an operational amplifier that creates a control voltage across the gate of transistor G. Transistor buffer creates the necessary current iG to recharge the gate capacitance G. The additional circuit measures the voltage VEe, which is proportional to the current iC, which emits across the inductor LE and the resistance RE of the emitter terminal of the transistor. This voltage VEe participates in the measurement of the collector current and in the formation of an error signal - a large emitter current. The VEe is also fed to an operational amplifier (op-amp), completing the current feedback. This is a current-safe circuit: more iC current means less gate drive signal. The second circuit of the safe mode is by voltage. The collector voltage Uc through the differential circuit Cv is fed to the op-amp, closing the feedback on the change in voltage Uc. A rapid rise in voltage (usually at turn-off) causes an increase in the gate voltage, delaying the rise in the collector voltage Uc.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
Фиг. 1 отображает схему драйвера.FIG. 1 shows the diagram of the driver.
Фиг. 2 изображает схему формирования сигналов ошибок.FIG. 2 shows a diagram for generating error signals.
Фиг. 3 зависимости напряжения насыщения коллектора от тока при различных температурах кристалла.FIG. 3 dependences of the saturation voltage of the collector on the current at different temperatures of the crystal.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯCARRYING OUT THE INVENTION
На Фиг. 1 изображена система драйвера, в соответствии с которой драйвер регистрации данных о режиме работы IGBT модулей для формирования сигналов корректировки режима работы, при этом схема драйвера реализована в контроллере, который создает опорное Vref 101 напряжение для операционного усилителя, создающего управляющее напряжение на затворе транзистора G 102. Транзисторный буфер создает необходимый ток iG 103 перезарядки емкости затвора G 102. Дополнительная цепь измеряет напряжение VEe 104, пропорциональное току iC 105, выделяющее на индуктивности LE 106 и сопротивлении RE эмиттерного вывода транзистора. Это напряжение VEe 104 участвует в измерение тока коллектора и в формировании сигнала ошибки - большой ток эмиттера. Также VEe 104 подают на операционный усилитель (ОУ) 107, замыкая обратную связь по току. Это контур безопасного токового режима: больше ток iC 105 - меньше управляющий сигнал на затворе. Второй контур безопасного режима - по напряжению. Напряжение коллектора Uc через дифференциальную цепь Cv 108 подают на ОУ 107, замыкая обратную связь по изменению напряжения Uc. Быстрый рост напряжения (обычно при выключении) вызывает повышение напряжения на затворе, затягивая фронт роста напряжения коллектора Uc.FIG. 1 shows a driver system, in accordance with which a driver for recording data on the operating mode of IGBT modules for generating signals for correcting the operating mode, while the driver circuit is implemented in a controller that creates a
В соответствии с Фиг. 2 контроллер принимает сигналы тока эмиттера ic и напряжения насыщения коллектора Vce,on для оцифровки и расчета температуры кристалла. Также компараторы напряжения формируют сигналы ошибок при превышении тока >ic,max, напряжения >Vce,max.Referring to FIG. 2, the controller receives the signals of the emitter current ic and the collector saturation voltage Vce, on to digitize and calculate the crystal temperature. Also, voltage comparators generate error signals when current> ic, max, voltage> Vce, max is exceeded.
Кусочно-линейная аппроксимация модели транзистора описывает напряжение насыщения: Usat=Vo+(Ro+Температура/K)*Ic.A piecewise linear approximation of the transistor model describes the saturation voltage: Usat = Vo + (Ro + Temperature / K) * Ic.
В соответствии с Фиг. 3 температуру кристалла определяют по следующий зависимости: Температура=((Usat-Vo)/Ic-Ro)*K+To, где Usat - измеренное напряжение насыщения 0,8-8 В, To - 25С, Vo - начальное напряжение насыщения 0,8-1,2 В Ic - измеренный ток эмиттера, коллектора 0-800 А, Ro - сопротивление коллектора-эмиттера для конкретного IGBT модуля, K - коэффициент для конкретного IGBT модуля.Referring to FIG. 3, the crystal temperature is determined according to the following relationship: Temperature = ((Usat-Vo) / Ic-Ro) * K + To, where Usat is the measured saturation voltage 0.8-8 V, To is 25C, Vo is the
Раскрытая выше структурная схема драйвера позволяет реализовать следующие преимущества:The block diagram of the driver disclosed above allows you to realize the following advantages:
1. Изолировать источники питания.1. Isolate power supplies.
2. Выполнять включение и выключение транзистора по состоянию управляющего сигнала.2. To turn on and off the transistor according to the state of the control signal.
3. Создать безопасный режим работы транзистора: ограничение тока, ограничение роста напряжения коллектора, ограничение напряжения коллектора.3. Create a safe operating mode for the transistor: current limiting, limiting the collector voltage rise, limiting the collector voltage.
4. Формировать сигнал статуса, состояния драйвера.4. Form a signal of the status, the state of the driver.
5. Измерять параметры транзистора и вычислять температуру кристалла транзистора.5. Measure the parameters of the transistor and calculate the temperature of the crystal of the transistor.
6. Принимать и передавать данные параметров транзистора и коды ошибок драйвера.6. Receive and transmit transistor parameter data and driver error codes.
Дополнительные преимущества реализованного драйвера заключаются в обеспечении защитных функции, таких как:Additional advantages of the implemented driver are to provide protective functions such as:
1. Низкое напряжение питания - при падении напряжения +18 В ниже 15 В.1. Low supply voltage - when +18 V voltage drops below 15 V.
2. Высокое напряжение насыщения транзистора, возможно при большом токе коллектора.2. High saturation voltage of the transistor, possibly with high collector current.
3. Большой ток эмиттера.3. Large emitter current.
4. Высокая температура кристалла транзистора.4. High temperature of the crystal of the transistor.
Исходя из приведенных выше аппаратных измерений и их программной обработки выполнение драйвера на контроллере дополнительно позволяет прогнозировать состояния инвертора в целом.Based on the above hardware measurements and their software processing, the execution of the driver on the controller additionally makes it possible to predict the state of the inverter as a whole.
В одном из вариантов реализации контроллер осуществляет расчет температуры кристалла по техническим характеристикам зависимости температуры кристалла IGBT модуля от режима его работы, которые известны из документации. Расчет возможен только во время включения транзистора и времени ШИМ не менее 20 мксек. Основываясь на полученных данных, микроконтроллер драйвера IGBT рассчитывает ожидаемую модель поведения как IGBT модуля, так и отдельного транзистора в модуле. При расхождении реальной модели от математической контроллер принимает меры по стабилизации рабочего состояния совокупности IGBT модулей (инвертора).In one of the embodiments, the controller calculates the crystal temperature according to the technical characteristics of the dependence of the crystal temperature of the IGBT module on its operating mode, which are known from the documentation. Calculation is possible only when the transistor is turned on and the PWM time is at least 20 μs. Based on the received data, the IGBT driver microcontroller calculates the expected behavior of both the IGBT module and the individual transistor in the module. In case of discrepancy between the real model and the mathematical one, the controller takes measures to stabilize the operating state of the set of IGBT modules (inverter).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020141379A RU2752780C1 (en) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | Software and hardware solutions for managing igbt modules based on driver on microcontroller |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020141379A RU2752780C1 (en) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | Software and hardware solutions for managing igbt modules based on driver on microcontroller |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2752780C1 true RU2752780C1 (en) | 2021-08-03 |
Family
ID=77226350
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020141379A RU2752780C1 (en) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | Software and hardware solutions for managing igbt modules based on driver on microcontroller |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2752780C1 (en) |
Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2257663C2 (en) * | 2003-06-23 | 2005-07-27 | Открытое акционерное общество "Уральский приборостроительный завод" | Induction motor control device |
RU94084U1 (en) * | 2009-12-18 | 2010-05-10 | Закрытое акционерное общество научно-производственное Предприятие ЗАО НПП "ЭПРО" | DRIVER FOR IGBT TRANSISTOR |
RU101882U1 (en) * | 2010-09-17 | 2011-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" | POWER ASSEMBLY CONTROL DEVICE |
US8487602B2 (en) * | 2009-10-06 | 2013-07-16 | Fairchild Korea Semiconductor Ltd. | Switch driving circuit and driving method thereof |
US8710875B2 (en) * | 2011-05-18 | 2014-04-29 | Fsp Technology Inc. | Bootstrap gate driver |
RU2565664C1 (en) * | 2014-07-15 | 2015-10-20 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Control method for systems of wireless power transmission |
RU2621410C1 (en) * | 2016-04-28 | 2017-06-05 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Резонанс" | Mechatronic traction module |
RU2656866C1 (en) * | 2017-08-21 | 2018-06-07 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс") | Electric machine with built-in converter |
RU182848U1 (en) * | 2017-06-14 | 2018-09-04 | Акционерное общество "Сарапульский электрогенераторный завод" | Bootstrap driver with bipolar output |
RU2682917C2 (en) * | 2014-05-12 | 2019-03-22 | Дженерал Электрик Текнолоджи Гмбх | Static exciter system for generators |
RU2735355C2 (en) * | 2016-07-25 | 2020-10-30 | Зе Боинг Компани | Current balancing in parallel modular transducers system |
-
2020
- 2020-12-15 RU RU2020141379A patent/RU2752780C1/en active
Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2257663C2 (en) * | 2003-06-23 | 2005-07-27 | Открытое акционерное общество "Уральский приборостроительный завод" | Induction motor control device |
US8487602B2 (en) * | 2009-10-06 | 2013-07-16 | Fairchild Korea Semiconductor Ltd. | Switch driving circuit and driving method thereof |
RU94084U1 (en) * | 2009-12-18 | 2010-05-10 | Закрытое акционерное общество научно-производственное Предприятие ЗАО НПП "ЭПРО" | DRIVER FOR IGBT TRANSISTOR |
RU101882U1 (en) * | 2010-09-17 | 2011-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" | POWER ASSEMBLY CONTROL DEVICE |
US8710875B2 (en) * | 2011-05-18 | 2014-04-29 | Fsp Technology Inc. | Bootstrap gate driver |
RU2682917C2 (en) * | 2014-05-12 | 2019-03-22 | Дженерал Электрик Текнолоджи Гмбх | Static exciter system for generators |
RU2565664C1 (en) * | 2014-07-15 | 2015-10-20 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Control method for systems of wireless power transmission |
RU2621410C1 (en) * | 2016-04-28 | 2017-06-05 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Резонанс" | Mechatronic traction module |
RU2735355C2 (en) * | 2016-07-25 | 2020-10-30 | Зе Боинг Компани | Current balancing in parallel modular transducers system |
RU182848U1 (en) * | 2017-06-14 | 2018-09-04 | Акционерное общество "Сарапульский электрогенераторный завод" | Bootstrap driver with bipolar output |
RU2656866C1 (en) * | 2017-08-21 | 2018-06-07 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс") | Electric machine with built-in converter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10320323B1 (en) | Pulse width modulation (PWM) scheme for single shunt motor control | |
CN112583389A (en) | Gate driver circuit and method of driving transistor | |
US9225264B1 (en) | Method and apparatus for multiphase inverter control | |
JP2015043684A (en) | Dead time optimization of resonant inverter | |
US20150061639A1 (en) | Dead-Time Selection In Power Converters | |
JP6934071B2 (en) | Power converter | |
CN106921317A (en) | Multiphase motor control device | |
US8604770B2 (en) | Load drive device for expanding range of output power | |
Blank et al. | Slew rate control strategies for smart power ICs based on iterative learning control | |
US11843368B2 (en) | Method for reducing oscillation during turn on of a power transistor by regulating the gate switching speed control of its complementary power transistor | |
US11462993B2 (en) | Controller for determining dead times for power electronics half-bridges | |
RU2752780C1 (en) | Software and hardware solutions for managing igbt modules based on driver on microcontroller | |
US20170122987A1 (en) | Highly Accurate Current Measurement | |
JP2014045604A (en) | Load driving device and method of controlling the same | |
US20230261648A1 (en) | Method For Switching Power Transistors | |
AU2013307638A1 (en) | An induction heating generator and an induction cooking hob | |
JP5037023B2 (en) | Apparatus and method for controlling a converter and an electrical converter comprising one such apparatus | |
CN115902424A (en) | Parasitic inductance measuring method and device | |
KR102324451B1 (en) | Actively tracking switching speed control of a power transistor | |
WO2015004951A1 (en) | Current detection circuit and current control apparatus | |
US20150009715A1 (en) | Power saving current measuring apparatus and power converter using same | |
RU2754962C1 (en) | Hardware-software methods for predicting critical states of transistors in frequency converter | |
KR101753476B1 (en) | Apparatus and method for driving motor | |
JP5323195B2 (en) | Method and apparatus for reducing electromagnetic emissions during power semiconductor switch-on process | |
US20240186927A1 (en) | Current monitoring and circuit temperature measurements |