Konwertery o wzmocnionej izolacji w układach elektroniki przemysłowej

Inwertery dostarczają przemiennego napięcia wyjściowego o regulowanej częstotliwości za pomocą skomplikowanego wielofazowego układu przełączającego, bazującego zwykle na tranzystorach IGBT. Z uwagi na konieczność osiągnięcia dobrych parametrów i niskich strat mocy podczas przełączania, konieczne jest przełączanie tranzystorów z dużą częstotliwością, co pozwala na dowolne kształtowanie obwiednich sygnałów wyjściowych.

Niestety, szybkie przełączanie napięć na obciążeniu o charakterze indukcyjnym powoduje powstawanie przepięć i oscylacji o dużej amplitudzie, nierzadko znacznie przekraczającej wartość napięcia zasilającego. Przykładowo dla napięcia zasilania 1050 V szybkość zmian sygnału na wyjściu mostka IGBT sięgać może 12 kV/µs.

Przy tak stromych przebiegach i dużych amplitudach napięć uzyskanie stabilnej pracy systemów współpracujących z falownikiem, oraz oczywiście jego sterownika, jest dużym problemem. Niemniej wielu kłopotów można uniknąć, stosując, izolację galwaniczną sygnałów sterujących pomiędzy sterownikiem falownika a stopniem mocy wykonanym za pomocą tranzystorów IGBT.

Prawidłowe działanie falownika wymaga dostarczenia do jego układu sterującego informacji o napięciach i prądach wyjściowych w każdej z gałęzi wyjściowych. Typowo, przy wyjściu trójfazowym, takich sygnałów jest więc 6 i powinny one być kontrolowane w czasie rzeczywistym po to, aby sterownik szybko reagował na przeciążenia, stany nieustalone oraz zmieniające się warunki obciążenia.

Zapewnienie takiej funkcjonalności przy dużym bezpieczeństwie i jakości tego urządzenia wymaga użycia układów izolacji ze wzmocnioną izolacją, gdyż w większości przypadków różnice napięć maksymalnych pomiędzy obiema stronami separowanymi galwanicznie są w tym przypadku bardzo duże.

Rys. 1. Schemat blokowy inwertera z zaznaczonym miejscem wykonania izolacji galwanicznej obwodów

Jak pokazano na rysunku 1, pomiędzy dołączonym do bramki tranzystora IGBT układem drivera (dołączonego do szyny zasilającej o wysokim napięciu), a sterownikiem (zasilanym niskim napięciem) jest duża różnica potencjałów. Do tej różnicy dodają się jeszcze przepięcia, przez co układ separacji musi wytrzymać dużą różnicę napięć.

W typowych aplikacjach tego typu używa się optoizolatorów, które mają barierę galwaniczną, wytrzymującą wg wytycznych UL napięcie rzędu 3750 V. Niemniej sam optoizolator to nie wszystko, bowiem ta sama różnica napięć pojawia się pomiędzy wejściem a wyjściem konwertera DC-DC zasilającego driver IGBT, co oznacza, że problem z dużą różnicą napięć między wejściem a wyjściem dotyczy także tego elementu.

W wielu aplikacjach takich jak prezentowany inwerter wykorzystuje się dodatkowy zasilacz małej mocy, dostarczający pomocniczego napięcia zasilającego, zapewniającego dopływ energii do obwodów sterujących oraz energię niezbędną do startu zasilacza sterowanego po stronie wtórnej.

Niemniej konwertery DC-DC wykorzystuje się też do ograniczenia szumów i zakłóceń o charakterze wspólnym po to, aby niepożądane sygnały nakładające się na główną szynę zasilającą nie przenosiły się na czułe obwody sterujące. Dzięki temu następuje poprawa stabilności działania. Warto zauważyć, że praca takiego konwertera jak pokazano na rysunku 1 jest dość trudna, ponieważ stany nieustalone i zakłócenia pojawiają się zarówno po stronie pierwotnej, jak i wtórnej.

Obwód pierwotny konwertera DC-DC dołączony jest do szyny zasilającej falownik i wysokiego napięcia na niej panującego. Obwody wtórne dołączone są do bramki IGBT, a więc potencjału zmieniającego się z dużą częstotliwością. Niestety, dlatego trzeba zakładać, że izolacja galwaniczna konwertera musi wytrzymać nie tylko wysokie napięcie szyny zasilającej, ale także sumę napięć stanów nieustalonych po obu stronach bariery galwanicznej.

Konwertery ze wzmocnioną izolacją

Rys. 2. Typowy transformator konwertera DC-DC wykonany na rdzeniu toroidalnym oraz wersja o wzmocnionej izolacji

Do takich aplikacji firma Mornsun produkuje specjalną serię konwerterów DC-DC ze wzmocnioną izolacją galwaniczną pomiędzy stroną pierwotną a wtórną (rys. 2). Ich konstrukcja wykorzystuje specjalnie przygotowany transformator impulsowy, który nie może być nawinięty w ten sam sposób co w standardowych wersjach.

W tym przypadku uzwojenia nawijane są drutem w potrójnej izolacji. Powiększona została też przerwa izolacyjna między uzwojeniami. Jest znacznie dłuższa i nie bazuje tylko na tym, co zapewnia izolacja przewodów - uzwojenia zostały rozsunięte, a między nimi pojawiła się przekładka izolacyjna, dzięki czemu spełnione zostały wymagania normy EN60950, która precyzuje, że dla napięcia pracy 480 V_AC dystans miedzy uzwojeniami musi przekraczać 6,4 mm.

Z uwagi na inną konstrukcję transformatora zmiany konstrukcyjne dotknęły też płytki drukowanej tych konwerterów.

Zaprezentowany na fotografiach sposób wykonania transformatora zapewnia właściwą odporność izolacji konwertera na wysokie napięcie pomiędzy stroną pierwotną a wtórną. Niemniej w opisanych zastosowaniach właściwość ta nie rozwiązuje jeszcze wszystkich problemów konstrukcyjnych. Drugim ważnym problemem jest bowiem konieczność utrzymania niskiej pojemności pomiędzy stroną pierwotną i wtórną konwertera, co ogranicza przenikanie szybkozmiennych zaburzeń i stanów nieustalonych przez barierę galwaniczną.

Pierwotne i wtórne uzwojenie transformatora to od strony elektrycznej kondensator o małej pojemności włączony szeregowo pomiędzy źródło sygnału zaburzeń i wyjście. Jest to w układzie pojemność rozproszona, z uwagi na rozmiar transformatora, co powoduje, że konstruktorowi trudno kontrolować dokładnie przenikanie zaburzeń oraz ich poziom.

Rys. 3. Impuls testowy wyładowania niezupełnego

To dlatego, że transformator nie jest jedynym komponentem w obwodzie konwertera odpowiedzialnym za przenikanie zaburzeń. Inne elementy to optoizolator, który też nierzadko ma dużą pojemność własną oraz kondensatory Y, wchodzące w skład wejściowego filtru przeciwzakłóceniowego. Im większe wartości tych pojemności, tym oczywiście przenikanie zaburzeń na wyjście konwertera jest większe.

Dlatego w serii opisywanych konwerterów firmy Mornsun producent przekonstruował układ przetwornicy tak, aby wyeliminować te podzespoły, kosztem rozbudowy układowej. W efekcie pomiędzy stroną pierwotną a wtórną występuje tylko pojemność uzwojeń transformatora impulsowego o specjalnej konstrukcji. Producent uzyskał ją na poziomie tylko 10 pF.

Testy jakościowe

Fot. 4. Konwerter H2409S-2W-GM

Tak zmodyfikowany układ konwertera poddano badaniom jakościowym po to, aby zweryfikować założenia konstrukcyjne. Przeprowadzony został program weryfikacji jakości izolacji galwanicznej, który obejmował test napięcia przebicia izolacji i pomiar prądu upływu przy wysokim napięciu probierczym. W drugim kroku badane było zachowanie się konwertera na impulsowe napięcie w.n., w którym wykorzystano generator impulsów Surge 1,2 µs/50 µs, w szczególności, czy impulsy takie nie spowodują uszkodzenia w obwodach konwertera oraz nie zakłócą jego pracy.

Kolejnym przeprowadzonym testem była odporność na częściowe wyładowanie (niezupełne), który nie jest testem niszczącym i pozwala uchwycić nawet drobne defekty w jakości izolacji galwanicznej przetwornicy, które mogą się przekładać na wzrost prądu upływu. Polega on na podaniu na stronę pierwotną napięcia o kształcie pokazanym na rysunku 3 (zgodnie z UL 508).

Dla zakresów znamionowych opisywanych produktów firmy Mornsun (450 V_AC jako napięcie referencyjne) było to 835 V_AC napięcia maksymalnego. W trakcie trwania impulsu probierczego dokonuje się pomiaru ładunku gromadzonego w pojemności między stroną pierwotną a wtórną. Im ładunek jest mniejszy, tym jakość izolacji jest lepsza.

Przykładowy konwerter

Przykładem konwertera o wzmocnionej izolacji firmy Mornsun jest 2-watowy model H2409S-2W-GM konwertujący wejściowe 24 V na napięcie 9 V. Spełnia on wymagania wzmocnionej jakości izolacji (4,2 kV) i odporności na wejściowe impulsy w.n. oraz wyładowanie niezupełne nakładane przez UL. Ma niską pojemność między stroną pierwotną a wtórną (10 pF) i jest w pełni zabezpieczony przed zwarciem i przeciążeniem.

Micros sp.j. W. Kędra i J. Lic
www.micros.com.pl