Nowy transferowy moduł mocy typu SMD IPM

Nowy transferowy moduł mocy typu SMD IPM

Mitsubishi Electric wprowadza nowy transferowy moduł mocy typu SMD do swojej oferty - MISOP™. MISOP™ jest idealnym rozwiązaniem dla wysokowydajnych inwerterów o mocy w zakresie 100W, które wymagają dużej kompaktowości, wysokiej efektywności i łatwego montażu.

Przez Narendra Lakshmanana i Muzaffera Albayraka z Mitsubishi Electric Europe B.V. w Niemczech Teruaki Nagahara z Mitsubishi Electric Power Device Works w Japonii

Wstęp

Zastosowania takie jak małe napędy (o mocy w zakresie 100W) mają pewne szczególne wymagania dotyczące projektu zasilacza. Zasilacz obejmuje moduł półprzewodnikowy mocy i powiązane podzespoły (takie jak sterowanie bramką, kontrola, ochrona i radiator), które są montowane przy użyciu jednej płytki obwodu drukowanego (PCB). Ten moduł musi umożliwiać uzyskanie jak najwyższej efektywności oraz oferować dużą kompaktowość. Ponadto oczekuje się, że moduły można zamontować na PCB z minimalnym wysiłkiem. Biorąc pod uwagę specjalne wymagania stawiane przez takie zastosowania, opracowywane są moduły MISOP™ (Mitsubishi Electric Intelligent Small Outline Power Module) w zakresie 1A/600V i 3A/600V. MISOP™ to moduł mocy typu SMD Intelligent Power Module (IPM), który składa się z zintegrowanych podzespołów sterownika bramki i diod bootstrap.

Rysunek 1: Wymiary obudowy MISOP™ i układ pinów wskazujący zgodność z normą IEC60335-1

Ten produkt jest nowym dodatkiem do rodziny produktów Mitsubishi DIPIPM™, która obejmuje transferowane moduły półprzewodnikowe optymalizowane pod kątem zastosowań wymagających dużej kompaktowości i wysokiej efektywności operacyjnej.

Wysoce zoptymalizowany moduł mocy typu SMD:

MISOP™ oparty jest na technologii 7. generacji czipów IGBT od Mitsubishi. Technologia czipów 7. generacji to technologia IGBT z cienką matrycą o niskiej utracie, która umożliwia optymalizację balansu między wydajnością a wielkością czipu IGBT. Oprócz inherentnych zalet technologii czipów 7. generacji, technologia RC umożliwia znaczną optymalizację powierzchni modułu mocy, ponieważ IGBT i dioda są zintegrowane w pojedynczej matrycy. W rezultacie powierzchnia czipa, która zwykle jest używana do umieszczenia matryc diodowych, nie jest wymagana w tym podejściu, dlatego IGBT i diody niezbędne do trójfazowego falownika są efektywnie zapakowane w pojedyncze opakowanie odpowiadające stopie SLIMDIP™. Rysunek 1 wskazuje rozmiar opakowania, a rysunek 2 przedstawia wewnętrzną topologię obwodu modułu mocy. Układ pinów jest podobny do modułu SLIMDIP™ od Mitsubishi z serii DIPIPM™, a standard izolacji został zaprojektowany z uwzględnieniem wymagań rynkowych dotyczących odległości przezskrętnych i czystych.

Rysunek 2: Wewnętrzna topologia MISOP™

Projekt pinów jest również zgodny z normą IEC60335-1. Ten produkt został opracowany w obudowie SMD. Nie posiada on przepustowych pinów i może być lutowany na PCB przy użyciu techniki lutowania w refluksie, co ma na celu zoptymalizowanie wysiłków wymaganych w procesie montażu. Kontynuując koncepcję serii DIPIPMTM, MISOP™ jest również wyposażony w zintegrowane komponenty sterowania bramką. Moduł jest wyposażony w wbudowane układy scalone sterownika: niskonapięciowy układ scalony (LVIC), który odpowiada za sterowanie przełącznikami po stronie niskiego napięcia, oraz wysokonapięciowy układ scalony (HVIC), który wykorzystuje topologię bootstrap do sterowania przełącznikami po stronie wysokiego napięcia (z diodami bootstrap i rezystorami ograniczającymi prąd). Pełna integracja funkcji sterownika i ochrony jest gwarantowana zgodnie ze standardami jakości Mitsubishi i pozwala na zmniejszenie wskaźnika awaryjności całego falownika. Ponadto, dzięki pełnej integracji, zoptymalizowana zostanie liczba komponentów peryferyjnych, co ułatwi zarządzanie zapasami. Wbudowane układy sterownika bramkowego obsługują również kilka ważnych funkcji ochronnych. Rysunek 3 wskazuje układ przewodzenia, który należy ustanowić w aplikacji wykorzystującej MISOP™. Zastosowane przez MISOP™ podejście eliminuje konieczność stos owania wielu niepożądanych punktów przecięcia w ścieżkach PCB, a nawet umożliwia użycie płytki jednostronnej. W rezultacie projekt płytki PCB wymagany do wykorzystania MISOP™ jest znacznie uproszczony.

Rysunek 3: Przykład układu aplikacji wymaganego dla MISOP™, wskazujący połączenia z rezystorami pomiarowymi, kondensatorami bootstrap, wejściem sterowania, zasilaniem sterowania i zaciskami zasilania.

Analiza wydajności

Rosnąca globalna świadomość dotycząca zmniejszania śladu węglowego w połączeniu z korzyściami handlowymi wynikającymi z redukcji zużycia energii w urządzeniach skłania producentów falowników (do zastosowań takich jak małe wentylatory lub pompy) o mocy wyjściowej w zakresie 100W do stosowania półprzewodników mocy, które zapewniają jak najwyższą efektywność podczas pracy. Dlatego, oprócz korzyści wynikających z kompaktowości i łatwości projektowania, MISOP™ musi być w stanie dobrze funkcjonować w wymaganych warunkach pracy. Rysunek 4 wskazuje wyniki symulacji wydajności strat mocy z urządzeniem MISOP™ o mocy 1A dla różnych wartości RMS prądu falownika Iout(rms) oraz odpowiadającemu wzrostowi ΔTj-c(średniego) dla określonych wartości Iout(rms). Przyjmując falownik o następujących nominalnych warunkach pracy: Iout = 0,283 A, Vcc = 300V, fc = 20 kHz, pf = 0,8, wskaźnik modulacji = 1; moc trójfazowego wyjścia wynosi około 72W przy użyciu urządzeń 1A (SP1SK) z rodziny MISOP™. Na podstawie danych z rysunku 4 można stwierdzić, że całkowita strata mocy wynosi około 2,76W. Ta wydajność wskazuje na efektywność modułu mocy na poziomie około 96%. Mimo że MISOP™ jest bardzo kompaktowy, można zauważyć, że ten moduł potrafi zapewnić doskonałą wydajność termiczną. Jeśli chodzi o wydajność termiczną, można zauważyć, że ΔTj-c(średnie) dla tego punktu pracy wynosi około 7 K dla każdego RC-IGBT. W tych warunkach pracy (przy użyciu radiatora chłodzonego powietrzem o skutecznym Rthc-s = 16 K/W dla całego modułu i temperaturze otoczenia około 40°C) temperatura obudowy utrzymuje się na poziomie około 85°C, a średnia temperatura złącza utrzymuje się na poziomie około 92°C. Rysunek 5 wskazuje wydajność termiczną modułu uwiecznioną za pomocą kamery termicznej (analiza przeprowadzona bez zastosowania dodatkowego radiatora). Połączenie wysokiej efektywności operacyjnej i dobrej wydajności termicznej pozwala falownikowi osiągnąć maksymalną moc wyjściową przy użyciu tego modułu MISOP.

Rysunek 4: Tymczasowe dane dotyczące wydajności strat termicznych i elektrycznych pojedynczego urządzenia RC-IGBT (MISOP™). Warunki: Vcc = 300V, fc = 20 kHz, pf = 0,8, M = 1, modulacja trójfazowa, maksymalna Rth(j-c), Tj = 125°C, połączony radiator.

Zintegrowane funkcje ochronne

Wraz z wymogiem wysokiej wydajności energetycznej konieczne jest również zapewnienie, aby falownik był zaprojektowany z użyciem modułu mocy o wysokiej wydajności pod względem ochrony przed nieregularnymi trybami pracy. MISOP™ jest wyposażony w kilka zintegrowanych funkcji ochronnych (patrz Tabela 1). Urządzenie oferuje możliwość implementacji ochrony przed zwarciem za pomocą zewnętrznych rezystancji pomiarowych, które mogą być podłączone do każdego z otwartych wyprowadzeń emitera. Aby uniknąć ryzyka przegrzania w trakcie pracy, zastosowano wbudowaną funkcję ochrony przed przegrzaniem (OT), a także możliwość monitorowania temperatury modułu za pomocą dokładnych analogowych sygnałów napięcia liniowego (VOT), co może pomóc w określeniu punktów deratingu do użycia modułu o dużej gęstości mocy. Dostępność funkcji "interlock-protection" to istotna implementacja, ta funkcja ochronna zapobiega jednoczesnemu włączeniu obu przełączników po stronie wysokiego i niskiego napięcia (takie włączenie spowodowałoby zwarcie). Ponadto, istnieje system do wykrywania i sygnalizowania awarii napięcia zasilania sterowania. Nie stabilne wejście do zasilania sterowania może prowadzić do niezdefiniowanych stanów przełączania i następnie do termicznego zniszczenia układów mocy. Zdarzenie awarii w dowolnym z przełączników po stronie niskiego napięcia byłoby sygnalizowane za pomocą sygnału Fo (z wyjątkiem funkcji interlock).

Tabela 1: Lista dostępnych funkcji wewnętrznych w MISOP™

Podsumowanie

Wskaźniki takie jak APF (Annual Performance Factor) dotyczące efektywności zyskują na znaczeniu w ostatnich latach i skłaniają producentów urządzeń takich jak małe wentylatory, pompy i różne inne urządzenia, które wymagają mocy wyjściowej w zakresie 100W, do rozważenia stosowania półprzewodników mocy, które zapewniają wysoką efektywność operacyjną. Jednocześnie zapotrzebowanie na optymalizację rozmiaru falownika prowadzi do zapotrzebowania na wysoko zoptymalizowane moduły mocy. Z drugiej strony, taki kompaktowy moduł mocy musi być również solidny i oferować wysoką niezawodność. MISOP™ został zaprojektowany, aby sprostać wymaganiom tego sektora. Oprócz dostępności zintegrowanych funkcji (takich jak funkcje ochronne), opakowanie MISOP™ umożliwia łatwy i wydajny proces montażu. Należy również zauważyć, że układ przewodzenia wymagany dla MISOP™ ułatwia projektowanie PCB dzięki podobnemu układowi pinów jak moduł SLIMDIP™ od Mitsubishi i odpowiedniej odległości izolacji pin-pin zgodnie z normą izolacji IEC60335-1.

Rysunek 5: Działanie bez radiatora uwiecznione za pomocą kamery termicznej - Vcc=270V, VD=15V, Io=0.12 i 0.28Arms, fc=16kHz, modulacja= 1, trójfazowy sygnał sinusoidalny, konwekcja naturalna (brak wymuszonego przepływu powietrza), Ta=20.9~21.6ºC, płyta ewaluacyjna, dane typowe.

Referencje

[1] Koncepcja rodziny DIPIPM™ http://www.mitsubishielectric.com/semiconductors/products/powermod/dipipm/index.html
[2] Karta katalogowa - Moduł SLIMDIP: http://www.mitsubishielectric.com/semiconductors/content/product/powermodule/dipipm/slimdip/slimdip-s_e.pdf
[3] Komunikat prasowy: Mitsubishi Electric wprowadza na rynek pakiet powierzchniowy MISOP IPM http://de.mitsubishielectric.com/de/newsevents/releases/global/2018/0416-a/index.page