Koncepcja inteligentnego modułu zasilania dla przekształtników napędu silników

Koncepcja inteligentnego modułu zasilania dla przekształtników napędu silników

Projektanci przekształtników napędu małych silników prądu przemiennego stosowanych w aplikacjach konsumenckich i przemysłowych ogólnego zastosowania, stają przed coraz większymi wyzwaniami dotyczącymi efektywności, niezawodności, wielkości i kosztów. Klasycznie wiele projektów takich małych przekształtników wykorzystuje dyskretne układy mocy wraz z niezbędnymi elementami pomocniczymi potrzebnymi do realizacji funkcji interfejsu, sterowania i ochrony.

Autorzy: Philipp Jabs i Muzaffer Albayrak, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen, Niemcy

Przy takim podejściu konieczne są stosunkowo duże i skomplikowane projekty PCB, aby spełnić wszystkie wymagania dotyczące odstępów i układu dla kombinacji sterowników i dyskretnych urządzeń mocy. Innym równie skomplikowanym problemem jest utrzymanie spójnej wydajności i niezawodności, gdy charakterystyki sterowników i urządzeń mocy nie są odpowiednio dopasowane. Alternatywnym rozwiązaniem tych problemów jest zastosowanie zintegrowanego modułu zasilania, który zawiera wszystkie wymagane urządzenia mocy wraz z dopasowanymi sterownikami bramkowymi i funkcjami ochronnymi zintegrowanymi w układach niskonapięciowych i wysokonapięciowych (LVIC i HVIC). Wreszcie, w pełni zintegrowane rozwiązanie pakietowe pozwala zmniejszyć obsługę magazynową i skrócić czas montażu w porównaniu do rozwiązania dyskretnego.

Korzystając z sukcesu podejścia Intelligent Power Module (IPM), Mitsubishi Electric jako pionier wprowadził koncepcję DIPIPM™ w 1997 roku, opartą na montażu odkrytych układów mocy i LV/HVICs przy użyciu kompaktowego projektu formy przekładniowej w celu utrzymania zoptymalizowanej i spójnej niezawodności przy jednoczesnym uwzględnieniu niskich kosztów modułu.

Rysunek 1: Aktualna oferta DIPIPM

Ostatnio oferta została poszerzona o moduł montowany powierzchniowo SP2SK oraz o moduł o wysokim prądzie znamionowym Large DIPIPM+. Oferta transferowanej formy IPM Mitsubishi Electric obejmuje moc od kilkudziesięciu watów do ponad 12 kW, jak pokazano na Rysunku 1.

Topologia i funkcje ochronne

Obecnie topologie układów napędowych silników w niższym zakresie mocy są podobne. Dla optymalizacji kosztów i niezawodności, ilość używanych półprzewodników powinna być jak najmniejsza. Rozwiązaniem stosowanym w prawie wszystkich rodzajach napędów serwomechanizmów, falowników urządzeń gospodarstwa domowego, falowników wentylatorów i falowników pompowych jest trójfazowy mostek pełno mostkowy z wykorzystaniem izolowanych tranzystorów bipolarnych z bramką izolowaną (IGBT). Zaletą stosowania IGBT jest wysoka zdolność blokowania przy jednoczesnym niższym straty przewodzenia w porównaniu do technologii MOSFET. Rysunek 2 przedstawia topologię stosowaną jako przykład w serii Super Mini DIPIPM™.

Rysunek 2: Topologia zintegrowana w serii Super Mini DIPIPM™

Rynek produktów konsumenckich i przemysłowych staje się coraz bardziej dynamiczny. Trendy związane z inteligentnymi technologiami domowymi oraz wymagania związane z przemysłem 4.0 (IoT) skłaniają projektantów do opracowania następnej generacji falowników w krótkim czasie i w bardziej kosztowo efektywny sposób. Tutaj moduły transferowe Mitsubishi Electric wyróżniają się na rynku swoimi silnie zintegrowanymi funkcjami, łatwością implementacji i konkurencyjnymi cenami. Pozwalają one na zmniejszenie rozmiarów falownika dzięki kompaktowemu kształtowi modułu i zaawansowanemu projektowi pinów z odpowiednio zaprojektowanymi odstępami przestrzennymi. Ponadto, dostępna oferta różnych serii modułów umożliwia projektowanie skalowalnej platformy falownika, ponieważ dostępne są różne prądy znamionowe dla każdej serii. Dostępne napięcia blokujące 600V i 1200V obejmują powszechnie stosowane jedno- i trójfazowe zastosowania. Dzięki izolowanemu interfejsowi termicznemu z certyfikatem UL o wartości 2,5kV (1,5kV dla modułu SP2SK) oraz niskiej impedancji termicznej, koszt zaprojektowania bezpiecznego dla użytkownika jest obniżony, co obejmuje również wyższe wymagania dotyczące zastosowań przemysłowych. Ponadto, naprężenia mechaniczne w module są znacznie zmniejszone dzięki zastosowaniu materiału organicznego, ponieważ współczynniki rozszerzalności cieplnej są lepiej dopasowane w porównaniu z materiałami ceramicznymi. Dla wysokich mocy zastosowano dodatkowy wewnętrzny radiator w formie transferowanej, aby lepiej rozprowadzać ciepło.

Rysunek 3: Struktura wewnętrzna (zgodnie z ruchem wskazówek zegara): SLIMDIP™, Super Mini DIPIPM™ i Large DIPIPM™

Moduły Mitsubishi Electric składają się z sześciu IGBT z oddzielnymi diodami swobodnego przepływu lub sześciu IGBT o odwrotnym przewodzeniu (RC-IGBT). Dla łatwej kontroli IGBT, zintegrowano jeden lub trzy układy IC sterujące wysokimi stronami, jeden układ IC sterujący niską stroną i, w zależności od serii, trzy diody bootstrapowe z rezystorami ograniczającymi prąd. Dzięki układowi przesuwania poziomów zintegrowanemu w HVIC, moduły transferowane od Mitsubishi Electric mogą być zasilane jednym źródłem napięcia 15V i mogą być bezpośrednio sterowane przez MCU bez konieczności izolacji galwanicznej do sterowania przełącznikami po stronie wysokiego napięcia. Wszystkie matryce są bezpośrednio montowane na podstawie bez użycia płytki drukowanej wewnątrz modułu, co zapewnia przewagę rynkową w zakresie trwałości.

Emiter niskiego IGBT jest otwarty, co umożliwia niezależne pomiar prądu każdej pojedynczej fazy silnika za pomocą rezystorów pomiarowych. Dzięki możliwości niezależnego wykrywania prądów trójfazowych, można stosować zaawansowaną kontrolę maszyny bez czujnika pozycji w ramach kontrolnej struktury użytkownika. Sygnały wyjściowe rezystorów pomiarowych prądu są dodatkowo wykorzystywane do wewnętrznej ochrony przed zwarciami, co zapobiega pracy modułu poza obszarem bezpiecznym dla zwarcia (SCSOA). Ponadto, moduły integrują wyjście temperatury z liniową zależnością temperatura-napięcie, co umożliwia łatwą implementację monitorowania stanu i oferuje możliwość zintegrowanego dynamicznego sterowania de-ratingiem oraz opcjonalnej ochrony przed przegrzaniem.

Wszystkie moduły transferowane od Mitsubishi Electric opuszczające linię produkcyjną są testowane pod kątem ich statycznych i dynamicznych charakterystyk elektrycznych oraz przechodzą test funkcjonalny z obciążeniem indukcyjnym, co przyczynia się do osiągnięcia wysokiego poziomu jakości dostarczanych produktów. Wszystkie wyniki są rejestrowane w indywidualnym raporcie z testu na końcu linii produkcyjnej w fabryce.

Pakiety

Inwertery silnikowe znajdują zastosowanie w bardzo różnych rodzajach aplikacji. Mitsubishi Electric oferuje różne pakiety, zapewniając optymalne rozwiązanie dla każdego wymagania.

Moduł o najmniejszym gabarycie to moduł montowany powierzchniowo SP2SK. Dodatkowo do wspólnych funkcji ochronnych rodziny DIPIPM™, zintegrowana jest ochrona przed arm-shoot-through, która zapobiega narazowemu zwieraniu, jeśli włączone są jednocześnie przełączniki po stronie wysokiego i niskiego napięcia. Dzięki kompaktowości tego modułu zastosowanie technologii RC-IGBT, doskonale nadaje się do zastosowań o niskiej mocy w pojedynczych fazach, takich jak zmywarki czy wentylatory.

Jeśli celuje się w wyższą moc, optymalnym rozwiązaniem jest pakiet SLIMDIP™. Wykorzystując technologię RC-IGBT, oferuje on znakomitą kompaktowość dzięki technologii przewlekanej. Dopasowując się do wymagań platformowych inwerterów stosowanych w urządzeniach gospodarstwa domowego o mocy od 0,5 kW do 1,5 kW i wyposażony w zaawansowany projekt wtyczki, skraca się znacznie czas wejścia na rynek.

Z pakietem Super Mini DIPIPM™ Mitsubishi Electric ustanowił standard na rynku modułów IPM transferowanych. Obejmuje on szeroki zakres prądów, co pozwala na precyzyjny wybór optymalnego modułu. Jako ciekawostkę, oprócz wyboru między modelami IGBT krzemowymi a modelami MOSFET krzemowymi, dostępne są dwa moduły MOSFET SiC, oparte na długoletnim doświadczeniu Mitsubishi Electric w dziedzinie węglika krzemu.

Pakiety Mini DIPIPM™ dzięki większemu gabarytowi umożliwiają jeszcze lepsze odprowadzanie ciepła i tym samym wyższą moc. Ponadto, większe odległości między wtyczkami umożliwiają stosowanie IGBT o napięciu blokowania 1200V w niektórych modelach.

Pakiet Large DIPIPM™ jest przeznaczony dla wysokomocowych inwerterów, gdzie przestrzeń jest ograniczona i preferowany jest projekt oparty na PCB. Oferowane są napięcia blokowania 600V i 1200V z szerokim zakresem prądów.

Rysunek 4: Schemat DIPIPM+ (lewy) i pakiet (prawy)

DIPIPM+™ i Large DIPIPM+™ są jednymi z najnowszych rozwiązań. Opierając się na doświadczeniu i wiedzy Mitsubishi Electric, pakiet zawiera trójfazowy prostownik, trójfazowy mostek pełny i opcjonalny IGBT hamulca. Dzięki najwyższemu poziomowi integracji i kompaktowości, jest to pakiet, który oferuje użytkownikowi najbardziej kompleksowe rozwiązanie, skracając proces decyzyjny dotyczący komponentów i ocenę trwałości.