RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 207881 (21) Numer zgłoszenia: 364697 (22) Data zgłoszenia: 11.07.2000 (13) B1 (51) Int.Cl. H03K 17/082 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: 11.07.2000, PCT/BE00/000082 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: 25.01.2001, WO01/06654 Opis patentowy przedrukowano ze względu na zauważone błędy (54) Sposób zabezpieczania łącznika mocy w przekształtniku mocy oraz przekształtnik mocy (30) Pierwszeństwo: 15.07.1999, EP, 99870159.3 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 13.12.2004 BUP 25/04 (73) Uprawniony z patentu: ALSTOM BELGIUM S.A., Charleroi, BE (72) Twórca(y) wynalazku: OLIVIER MONNOM, Mont-Saint-Guibert, BE JACQUES BELLAVOINE, Vinalmont, BE MICHEL WEYTENS, Braine l'alleud, BE (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 28.02.2011 WUP 02/11 (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Grabowska Małgorzata SULIMA GRABOWSKA SIERZPUTOWSKA BIURO PATENTÓW I ZNAKÓW TOWAROWYCH spółka jawna PL 207881 B1
2 PL 207 881 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób zabezpieczania łącznika mocy w przekształtniku mocy oraz przekształtnik mocy. W energoelektronice elektryczne systemy przekształcające (przetwornice DC-AC, AC-DC, DC- DC i AC-AC) wykorzystują sterowane elementy półprzewodnikowe, funkcjonujące w charakterze łączników elektrycznych, takie jak tranzystory bipolarne, tyrystory, elementy GTO, MOSFET, IGBT itp. Te elementy półprzewodnikowe z natury rzeczy mają pewne ograniczenia odnośnie maksymalnego dopuszczalnego napięcia na swych końcówkach. W pewnych sytuacjach jest pożądane sterowanie łącznikiem w taki sposób, aby przewodził on prąd (zamykając go), co najmniej częściowo, celem zapobieżenia powstaniu na nim nadmiernego napięcia, które może go zniszczyć. Właśnie z tego powodu projektuje się rozmaite układy zabezpieczające. Tę troskę widać na przykład przy projektowaniu układów do zasilania elektrycznych silników napędowych (synchronicznych, asynchronicznych i prądu stałego). Zbudowane są one z przekształtników, takich jak np. falowniki trójfazowe połączone z przetwornicami DC-DC, w których elementy półprzewodnikowe stosowane w charakterze łączników muszą wytrzymywać napięcie, które jest co najmniej równoważne, a korzystnie jest wielokrotnością znamionowego napięcia prądu stałego w sieci trakcyjnej. W szczególności wybiera się elementy półprzewodnikowe, które potrafią wytrzymywać przepięcia 2 do 3 razy większe od napięcia sieci przesyłowej. W szczególności, w przypadku wysokich wartości napięcia, tzn. znamionowego napięcia trakcyjnego prądu stałego większych od 2000 V, powinno się stosować elementy półprzewodnikowe o stosunkowo wysokim maksymalnym napięciu wytrzymywanym. Ponadto te elementy półprzewodnikowe powinny działać liniowo, w przeciwieństwie do tranzystorów typu włączony-wyłączony. Trafnym wyborem takich elementów półprzewodnikowych są tranzystory IGBT, które pozwalają na stosowanie coraz wyższych maksymalnych wartości napięcia wytrzymywanego aż do 6,5 kv. W poniższym opisie przedstawia się przykład zastosowania elementów typu IGBT, gdyż są to łączniki, które mogą wytrzymywać stosunkowo duże napięcie, a w każdym razie napięcie wyższe od 2 kv, podczas gdy bipolarne tranzystory mocy i tranzystory MOSFET są ograniczone do maksymalnego napięcia rzędu 1000 V. Ponadto tranzystory IGBT charakteryzują się dużą szybkością i łatwością sterowania. Jednakże tam, gdzie napięcie maksymalne jest niższe, powszechnie przyjętą praktyką jest łączenie kilku łączników (półprzewodników) szeregowo. W takim przypadku zasadnicze znaczenie ma łączenie ich z układem ogranicznika. Dotyczy to w szczególności tranzystorów IGBT, które pozwalają na wytrzymywanie stosunkowo niskiego napięcia (rzędu 3,3 kv). Zasada działania aktywnego układu ogranicznika jest prosta: łącznik zostaje zamknięty wtedy, gdy napięcie na jego zaciskach przekracza określoną wartość. W tym celu pomiędzy jednym zaciskiem zasilania a elementem sterowania łącznikiem wstawia się układ z napięciem progowym (dioda Zenera, dioda Transil, diody lawinowe). Aktywny układ ogranicznika jest więc układem służącym do zabezpieczania tranzystora IGBT przez chwilowymi przepięciami. W chwili wystąpienia przepięcia układ ogranicznika staje się aktywny, zamykając tranzystor IGBT, który wówczas będzie przewodzić w swym zakresie liniowym. Napięcie progowe, przy którym i powyżej którego układ ogranicznika jest uaktywniany, oblicza się w taki sposób, aby napięcie na tranzystorze IGBT nie osiągało jego maksymalnego dopuszczalnego napięcia. Fizycznie, układ ogranicznika umieszcza się pomiędzy kolektorem a bramką tranzystora IGBT, aby w ten sposób utworzyć jak najszybszą pętlę reakcji. Ten obwód z napięciem progowym ponownie wstrzykuje prąd sterujący, gdy napięcie na łączniku przekracza określoną wartość (np. 2200 V). Wadą tego rozwiązania jest to, że układ obniża maksymalny próg dopuszczalnego napięcia łącznika, gdy on nie przewodzi, tzn. gdy łącznik jest otwarty, przy przekształtniku w stanie spoczynku. Gdy napięcie na układzie tranzystor IGBT - aktywny układ ogranicznika przekracza 2,2 kv, łącznik mocy zostaje włączony (zamknięty) i napięcie na nim jest utrzymywane na poziomie około 2,2 kv zamiast 3,3 kv dopuszczalnych jako maksymalne napięcie dopuszczalne. Ze statycznego punktu widzenia, w przypadku niesterowanego tranzystora IGBT, a tym samym otwartego, napięcie maksymalne, jakie może wytrzymać obwód składający się z tranzystora IGBT i aktywnego układu ogranicznika, jest równe progowej wartości ograniczającej, która jest znacznie niższa od maksymalnego dopuszczalnego napięcia tranzystora IGBT. W powyższym przykładzie
PL 207 881 B1 3 tranzystor IGBT ma maksymalne dopuszczalne napięcie 3,3 kv, i dołącza się do niego aktywny układ ogranicznika, którego wartość progowa wynosi 2,2 kv: uzyskuje się w ten sposób układ, który w stanie spoczynku jest niesterowalny powyżej napięcia 2,2 kv. W dokumencie JP-06 163 911 opisuje się w sposób bardzo ogólny urządzenie do ustalania, czy napięcie drenu tranzystora MOSFET jest większe od napięcia diody Zenera pobieranego w przyłączonym układzie ogranicznika. Dokument ten ujawnia urządzenie półprzewodnikowe zawierające aktywny układ ogranicznika przyłączony pomiędzy drenem a siatką tranzystora mocy MOSFET. Drugi tranzystor do blokowania układu ogranicznika jest umieszczony pomiędzy napięciowym układem ogranicznika i siatką tranzystora mocy tak, że istnieje możliwość ustalenia maksymalnego napięcia tranzystora mocy MOSFET, które może wytrzymać pomiędzy swymi końcówkami. Tranzystor do blokowania układu ogranicznika jest sterowany tak, że znajduje się on w stanie włączonym podczas normalnej pracy, gdy tranzystor mocy działa, i znajduje się w stanie wyłączonym, gdy napięcie przebicia pomiędzy drenem i źródłem jest ustalone. Bardzo prawdopodobnie urządzenie to ma być stosowane w układach scalonych o stosunkowo niskim napięciu maksymalnie rzędu dziesiątek woltów. Fachowcom w tej dziedzinie jest znane przesyłanie zwykłego impulsu napięciowego z modułu sterującego celem sterowania okresami przełączeń łącznika mocy w przekształtniku mocy podczas przełączania. Istnieje zatem zapotrzebowanie na sposób zabezpieczenia przekształtnika mocy zasilanego wysokim napięciem, pozwalający elementom półprzewodnikowym wytrzymywać maksymalne dopuszczalne wysokie napięcie na nich, gdy są w stanie otwartym, w przypadku dołączenia układu ogranicznika. Zgodny z wynalazkiem sposób zabezpieczania łącznika mocy w przekształtniku mocy połączonym z układem ogranicznika z napięciem progowym, przy czym przekształtnik mocy zawiera co najmniej jeden łącznik mocy, moduł sterujący połączony z tym łącznikiem mocy, łącznik opóźniający usytuowany pomiędzy układem ogranicznika z napięciem progowym a modułem sterującym, zgodnie z którym to sposobem przesyła się impuls elektryczny napięcia sygnału sterującego łącznikiem mocy z modułu sterującego do łącznika mocy, przy czym impuls napięcia sygnału sterującego łącznikiem mocy ma zbocze narastające łącznika mocy i zbocze opadające łącznika mocy, charakteryzuje się tym, że przesyła się impuls elektryczny napięcia sygnału sterującego łącznikiem opóźniającym z modułu sterującego do tego łącznika opóźniającego, przy czym impuls napięcia sygnału sterującego łącznikiem opóźniającym ma zbocze narastające i zbocze opadające, synchronizuje się zbocze narastające impulsu napięcia sygnału sterującego łącznikiem opóźniającym ze zboczem narastającym impulsu napięcia sygnału sterującego łącznikiem mocy, oraz opóźnia się zbocze opadające impulsu napięcia sygnału sterującego łącznikiem opóźniającym względem zbocza opadającego impulsu napięcia sygnału sterującego łącznikiem mocy. Korzystnie, utrzymuje się maksymalne dopuszczalne napięcie na łączniku mocy za pomocą łącznika opóźniającego. Korzystnie, stosuje się wspólny moduł sterujący dla sterowania łącznikiem opóźniającym i sterowania łącznikiem mocy. Ponadto stosuje się opóźnienie wynoszące od 50 do 500 μs, a korzystnie w przybliżeniu 200 μs. Zgodny z wynalazkiem przekształtnik mocy połączony z układem ogranicznika z napięciem progowym, zawierający co najmniej jeden łącznik mocy z wejściem sterującym, łącznik opóźniający połączony z układem ogranicznika z napięciem progowym, mający wejście sterujące, moduł sterujący mający wejście sterujące, pierwsze wyjście sterujące połączone z wejściem sterującym oraz z wyjściem sterującym łącznika mocy, charakteryzuje się tym, że moduł sterujący ma drugie wyjście sterujące połączone z wejściem sterującym łącznika opóźniającego oraz układ przekształcania włączony pomiędzy wejście sterujące i drugie wyjście sterujące modułu sterującego, do przekształcania impulsu napięcia elektrycznego dostarczanego na wejście na napięcie elektryczne emitowane na wyjściu sterującym. Korzystnie, przekształtnik zawiera kilka łączników mocy połączonych szeregowo, przy czym te łączniki mocy są połączone z układem ogranicznika z napięciem progowym. Korzystnie, łącznik(i) mocy jest (są) wysokonapięciowymi półprzewodnikami o liniowych warunkach pracy, takimi jak tranzystory mocy IGBT, Korzystnie, łącznik opóźniający jest połączony szeregowo z układem ogranicznika, a całość jest włączona pomiędzy kolektor i bramkę tranzystora mocy IGBT. Ponadto korzystnie łącznik opóźniający stanowi element półprzewodnikowy o charakterystyce liniowej, korzystnie tranzystor IGBT lub półprzewodnik typu włączony-wyłączony.
4 PL 207 881 B1 Przekształtnik mocy połączony z progowym napięciowym urządzeniem ograniczającym można stosować do zabezpieczania łączników mocy przed przepięciami w przetwornicach DC-DC obniżających napięcie. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat aktywnego układu ogranicznika lub układ ogranicznika z napięciom progowym zamontowany na łączniku mocy, fig. 2 - schemat aktywnego układu ogranicznika z opóźniającym tranzystorem IGBT wstawionym pomiędzy elementem z napięciem progowym a układem sterującym tranzystora IGBT mocy, realizującego sposób według wynalazku, fig. 3 - kształty przebiegu sterującego tranzystora mocy IGBT i tranzystora ograniczającego IGBT, fig. 4 - schemat ogólny obwodu opóźniającego w układzie ogranicznika, fig. 5 - schemat ogólny przetwornicy DC-DC obniżającej napięcie. Wynalazek zilustrowano na przykładzie szczególnej postaci przekształtnika mocy, jaką jest przetwornica DC-DC. Na fig. 1 pokazano schemat blokowy łącznika mocy 4 wyposażonego w układ 1 z napięciem progowym. W celu opóźniania aktywnego ograniczenia, w pętli ograniczającej umieszcza się drugi łącznik. Ten łącznik mocy 4 musi wytrzymać wysokie napięcia i musi być szybki. Aby spełnić te kryteria, wybrano tranzystor IGBT w małej obudowie. Poniżej będzie on nazywany łącznikiem opóźniającym lub opóźniającym tranzystorem IGBT. Napięcie na opóźniającym tranzystorze IGBT musi być takie, aby uformowany w ten sposób układ mógł, będąc w stanie statycznym, odzyskiwać całe lub część maksymalnego dopuszczalnego napięcia tranzystora IGBT mocy. Jeśli przypatrzyć się jeszcze raz przykładowi tranzystora IGBT o maksymalnym dopuszczalnym napięciu 3,3 kv, do którego dołączono aktywny układ ogranicznika o napięciu progowym 2,2 kv, to wówczas maksymalne dopuszczalne napięcie opóźniającego tranzystora IGBT musi wynosić co najmniej 3,3-2,2 = 1,1 kv. Jak pokazano na fig. 2 przekształtnik mocy jest połączony z układem 2 ogranicznika z napięciem progowym i zawiera co najmniej jeden łącznik mocy 4 mający wejście sterujące 6, łącznik opóźniający 8 połączony z układem 2 ogranicznika z napięciem progowym oraz mającym wejście sterujące. Łącznik mocy jest połączony z modułem sterującym 12 mającym wejście sterujące X 20, pierwsze wyjście sterujące 14 połączone z wejściem sterującym X 20 oraz wejściem sterującym 6 łącznika mocy 4. Moduł sterujący 12 ma drugie wyjście sterujące 16 połączone z wejściem sterującym 10 łącznika opóźniającego 8 i układem przekształcania 18 włączonym pomiędzy wejście sterującym X 20 a drugie wyjście sterujące 16 w celu przekształcania elektrycznego impulsu napięciowego dostarczanego na wejście X 20 na napięcie elektryczne emitowane na wyjściu sterującym 16. Spośród wielu możliwości sterowania opóźniającego tranzystora IGBT wybrano takie które wywodzi się z impulsów sterujących tranzystora mocy IGBT, co pozwala ustalić przejrzyste funkcjonowanie opóźnienia ograniczania w kontekście elektroniki sterowania. Sposób sterowania opóźniającym tranzystorem IGBT przedstawiono na fig. 3. W górnej części fig. 3 przedstawiono kształt przebiegu napięcia sterującego łącznika mocy, przedstawiający charakterystykę napięcia elektrycznego przykładanego na wejściu sterującym łącznika mocy. Kształt przebiegu napięcia sterującego łącznika mocy obejmuje serię kolejnych impulsów napięciowych 102, przy czym każdy impuls 102 ma zbocze rosnące 104 i zbocze opadające 106. W dolnej części fig. 3 przedstawiono kształt przebiegu napięcia sterującego łącznika opóźniającego, przedstawiający charakterystykę napięcia elektrycznego przykładanego na wejściu łącznika opóźniającego. Kształt przebiegu napięcia sterującego łącznika opóźniającego obejmuje serię kolejnych impulsów napięciowych 112, przy czym każdy impuls 112 ma zbocze rosnące 114 i zbocze opadające 116. Należy zadbać o to, aby opóźniający tranzystor IGBT był całkowicie zamknięty przed chwilą, w której tranzystor IGBT mocy wchodzi w swój zakres liniowy, bez względu na to, czy ma to miejsce podczas jego włączania czy wyłączania. Gdy impuls sterujący tranzystora IGBT mocy znika, ograniczanie jest wciąż możliwe przez około 200 μs (T off ). Dlatego sposób według wynalazku obejmuje etap synchronizowania zbocza rosnącego 114 napięciowego impulsu sterującego łącznika opóźniającego ze zboczem rosnącym 104 napięcia sterującego łącznika mocy oraz etap opóźniania (T off ) zbocza opadającego 116 napięciowego impulsu sterującego łącznika opóźniającego względem zbocza opadającego 106 impulsu sterującego łącznika mocy.
PL 207 881 B1 5 Aktywny układ ogranicznika ze swoim układem opóźniającym można zastosować w dowolnym elektrycznym układzie przetwornicy DC-DC poddawanym przepięciom (ogranicznik, falownik, prostownik półmostkowy itp.). Schemat ogólny obwodu opóźniania jest przedstawiony na fig. 4, gdzie V29 jest opóźniającym tranzystorem IGBT o maksymalnym dopuszczalnym napięciu 1,2 kv. Układ ogranicznika, którego napięcie progowe wynosi 2,2 kv, składa się z diody V34, rezystorów R11 i R2, łączników X14 i X13, diod V22 do V1 i kondensatora C1. Układ ten odbiera impulsy od tranzystora IGBT mocy przez połączenie X 20 ; przekształca je w sposób opisany na fig. 3 i podaje je na opóźniający tranzystor IGBT. X18 jest połączeniem prowadzącym do drenu tranzystora IGBT mocy (poprzez obwód pomocniczy), natomiast X1 jest połączone z jego kolektorem. Podany tu szczególny przykład wykorzystuje układ w kontekście bezpośredniego połączenia łączników IGBT mocy w szereg. Na fig. 5 pokazano schemat ogólny przetwornicy DC-DC, jako szczególnego rodzaju przekształtnika mocy, obniżającej napięcie: jest to przetwornica DC-DC, w której połączono szeregowo trzy tranzystory IGBT (U1: V1, V2, V3) i również szeregowo dwie diody (U2: V1, V2). Dzięki układowi opóźniającemu ograniczenie, napięcie, jakie może wytrzymać przetwornica DC-DC, jest równe trzykrotności maksymalnego dopuszczalnego napięcia na każdym tranzystorze IGBT, tzn. 3 x 3,3 kv = 9,9 kv. Bez układu opóźniającego napięcie wynosiłoby tylko 3 x 2,2 kv =6,6 kv, co nie wystarcza w zwykłej sieci przesyłowej o napięciu 3 kv. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób zabezpieczania łącznika mocy w przekształtniku mocy połączonym z układem ogranicznika z napięciem progowym, przy czym przekształtnik mocy zawiera co najmniej jeden łącznik mocy, moduł sterujący połączony z tym łącznikiem mocy, łącznik opóźniający usytuowany pomiędzy układem ogranicznika z napięciem progowym a modułem sterującym, zgodnie z którym to sposobem przesyła się impuls (102) elektryczny napięcia sygnału sterującego łącznikiem mocy z modułu sterującego do łącznika mocy, przy czym impuls napięcia sygnału sterującego łącznikiem mocy ma zbocze narastające (104) łącznika mocy i zbocze opadające (106) łącznika mocy, znamienny tym, że przesyła się impuls (112) elektryczny napięcia sygnału sterującego łącznikiem opóźniającym z modułu sterującego do tego łącznika opóźniającego, przy czym impuls napięcia sygnału sterującego łącznikiem opóźniającym ma zbocze narastające (114) i zbocze opadające (116), synchronizuje się zbocze narastające (114) impulsu napięcia sygnału sterującego łącznikiem opóźniającym ze zboczem narastającym (104) impulsu napięcia sygnału sterującego łącznikiem mocy, oraz opóźnia się o opóźnienie (T off ) zbocze opadające (116) impulsu napięcia sygnału sterującego łącznikiem opóźniającym względem zbocza opadającego (106) impulsu napięcia sygnału sterującego łącznikiem mocy. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że utrzymuje się maksymalne dopuszczalne napięcie na łączniku mocy za pomocą łącznika opóźniającego, 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosuje się wspólny moduł sterujący dla sterowania łącznikiem opóźniającym i sterowania łącznikiem mocy. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się opóźnienie (T off ) wynoszące od 50 do 500 μs, a korzystnie w przybliżeniu 200 μs. 5. Przekształtnik mocy połączony z układem (2) ogranicznika z napięciem progowym, zawierający co najmniej jeden łącznik mocy (4) z wejściem sterującym (6), łącznik opóźniający (8) połączony z układem (2) ogranicznika z napięciem progowym, mający wejście sterujące (10), moduł sterujący (12) mający wejście sterujące (X 20 ), pierwsze wyjście sterujące (14) połączone z wejściem sterującym (X 20 ) oraz z wyjściem sterującym (6) łącznika mocy, znamienny tym, że moduł sterujący (12) ma drugie wyjście sterujące (16) połączone z wejściem sterującym (10) łącznika opóźniającego (8) oraz układ przekształcania (18) włączony pomiędzy wejście sterujące (X 20 ) i drugie wyjście sterujące (16) modułu sterującego (12), do przekształcania impulsu napięcia elektrycznego dostarczanego na wejście (X 20 ) na napięcie elektryczne emitowane na wyjściu sterującym (16). 6. Przekształtnik według zastrz. 5, znamienny tym, że zawiera kilka łączników mocy (4) połączonych szeregowo, przy czym te łączniki mocy (4) są połączone z układem (2) ogranicznika z napięciem progowym.
6 PL 207 881 B1 7. Przekształtnik według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że łącznik(i) mocy (4) jest (są) wysokonapięciowymi półprzewodnikami o liniowych warunkach pracy, takimi jak tranzystory mocy IGBT. 8. Przekształtnik według zastrz. 5, znamienny tym, że łącznik opóźniający (8) jest połączony szeregowo z układem (2) ogranicznika, a całość jest włączona pomiędzy kolektor i bramkę tranzystora mocy IGBT. 9. Przekształtnik według zastrz. 5 albo 8, znamienny tym, że łącznik opóźniający (8) stanowi element półprzewodnikowy o charakterystyce liniowej, korzystnie tranzystor IGBT lub półprzewodnik typu włączony-wyłączony. 10. Przekształtnik według zastrz. 7, znamienny tym, że łącznik opóźniający (8) stanowi element półprzewodnikowy o charakterystyce liniowej, korzystnie tranzystor IGBT lub półprzewodnik typu włączony-wyłączony. Rysunki
PL 207 881 B1 7
8 PL 207 881 B1
PL 207 881 B1 9
10 PL 207 881 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)