Mała moc IPM dla wysokich wymagań integracyjnych

Mała moc IPM dla wysokich wymagań integracyjnych

Od pierwszego wprowadzenia rodziny produktów DIPIPM™ (Moduł inteligentnej mocy typu z tworzywa sztucznego) w 1997 roku, te produkty były ciągle udoskonalane i rozwijane. W międzyczasie powstało siedem grup produktów DIPIPM™ o różnych konstrukcjach obudowy oraz klasach prądowych i napięciowych.

Autorzy: E. Stumpf, E. Wiesner, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen, Niemcy A. Goto, Mitsubishi Electric Corporation, Fukuoka, Japonia

Wstęp

Produkty z rodziny DIPIPM™ obejmują szeroki zakres mocy silnika do 15 kW dla różnych napięć silnika. Obecnie są one stosowane w licznych zastosowaniach, takich jak napędy serwomechanizmów i standardowe napędy, systemy klimatyzacji, lodówki, wentylatory i pralki.

Jedną z unikalnych cech tych produktów jest wysoki stopień integracji funkcji z liczniejszymi układami sterowania i zabezpieczeń, takimi jak ochrona przed zbyt niskim napięciem, wykrywanie przegrzania i ochrona przed zwarciami.

W miarę wzrostu liczby urządzeń gospodarstwa domowego, rośnie również potrzeba efektywnych pod względem kosztów i zintegrowanych rozwiązań. Klienci chcą jak najszybciej wykorzystać najnowsze osiągnięcia w dziedzinie układów scalonych w swoich produktach i wprowadzić je na rynek, aby skorzystać z większej efektywności i korzyści kosztowych. Ponadto, te produkty charakteryzujące się wysokim stopniem integracji funkcji oferują większą niezawodność w porównaniu do rozwiązań dyskretnych. Grupa produktów SLIMDIP™ jest najlepszym wyborem do osiągnięcia wymienionych celów klienta.

Linia produktów SLIMDIP™ i ich cechy

Grupa produktów SLIMDIP™, wprowadzona w 2015 roku [1], cieszy się obecnie szczególną popularnością. W związku z tym Mitsubishi Electric opracowuje kolejne produkty w tej samej obudowie z dodatkowymi wartościami prądowymi.

Obok już przedstawionych modeli SLIMDIP-S (5 A), SLIMDIP-L (15 A - częstotliwość regularna) i SLIMDIP-W (15 A - wysoka częstotliwość), na rynek wkraczają kolejne produkty. Jest to model SLIMDIP-M o wartości prądu 10 A dla wysokich częstotliwości przełączania. Trwają już prace nad kolejnymi wartościami prądowymi.

Wspólne cechy produktów SLIMDIP™ to:

• kompatybilność interfejsu sterowania wejściowego z napięciami 5 V i 3 V
• wysokie napięcie izolacji wynoszące 2000 Vrms przez jedną minutę
• zintegrowany obwód bootstrap z diodami i rezystorami ograniczającymi prąd dla zasilania strony P
• zintegrowana ochrona przed zbyt niskim napięciem
• rozszerzona ochrona przed przegrzaniem z dodatkowym monitorowaniem temperatury LVIC
• zintegrowana ochrona przed zwarciami i przeciążeniem prądu

	Nazwa produktu	Parametry	Prędkość przełączania
18,8 mm x 32,8 mm	SLIMDIP-S	5 A, 600 V	Szybka
	SLIMDIP-M	10 A, 600 V	Szybka
	SLIMDIP-L	15 A, 600 V	Regularna
	SLIMDIP-W	15 A, 600 V	Szybka
	W trakcie rozwoju	Wyższe wartości prądowe

Tabela 1: Linia produktów SLIMDIP™ IPM

Dla lepszego zrozumienia wydajności każdego urządzenia, na diagramie przedstawionym na rysunku 1 pokazano symulowany prąd wyjściowy w zależności od częstotliwości przełączania.

Rysunek 1: Wyniki symulacji prądu wyjściowego produktów SLIMDIP™

Produkty SLIMDIP™ wykorzystują układy drugiej generacji odwracających IGBT (RC-IGBT). Dzięki tej technologii można osiągnąć dalszy znaczący krok w kierunku wysokiej integracji, oferując bardziej zwarte i prostsze rozwiązania.

Układ RC-IGBT Power Chip stosowany w SLIMDIP™ IPM

W układzie RC-IGBT zarówno struktura IGBT, jak i dioda swobodnie przewodząca są zintegrowane w jednym chipie. Szczególnie w przypadku urządzeń o niewielkim prądzie przyczynia się to istotnie do zmniejszenia rozmiaru obudowy i redukcji kosztów systemu. Układ wiązek drutowych jest łatwiejszy do zrealizowania niż w przypadku konwencjonalnego rozwiązania z oddzielnymi IGBT i diodą [2].

W przypadku układu RC-IGBT szczególnym wyzwaniem jest optymalizacja równowagi między wydajnością IGBT a diody. W tym celu Mitsubishi Electric przeprowadziło badania różnych koncepcji projektowych mających na celu poprawę charakterystyki odzyskiwania diody oraz ogólnej wydajności układu RC-IGBT. Na podstawie tych badań wprowadzono drugą generację układu RC-IGBT.

Mitsubishi Electric wykorzystuje układ RC-IGBT drugiej generacji w produktach SLIMDIP™. Schemat struktury układu RC-IGBT drugiej generacji przedstawiono na rysunku 3 poniżej.

Uzyskano poprawę relacji między VEC diody a ERR o około 52% w przypadku drugiej generacji układu RC-IGBT, nie pogarszając jednocześnie wydajności IGBT. Poprawa ta została osiągnięta dzięki zaawansowanej technologii cienkiej tarczy i zoptymalizowanemu układowi IGBT diody na chipie z właściwie dobraną strukturą diody i proporcją diody.

Rysunek 2: Struktura układu RC-IGBT drugiej generacji

Zintegrowana ochrona przed przegrzaniem

Ważną cechą rodziny produktów SLIMDIP™ jest wszechstronne monitorowanie temperatury. Oprócz sprzętowo zaimplementowanej funkcji zatrzymania w przypadku przekroczenia temperatury (OT), można ciągle monitorować temperaturę podczas pracy (VOT) i reagować odpowiednio przed wystąpieniem zatrzymania sprzętowego.

Zakres zatrzymania nadmiarowej temperatury wynosi zazwyczaj 130°C. Jak tylko ta temperatura zostanie osiągnięta w LVIC, IPM wyłącza swoje wyjścia bramki i zgłasza błąd nadmiarowej temperatury mikrokontrolerowi.

Dodatkowe analogowe monitorowanie temperatury na LVIC pozwala wykryć nieprawidłowości w chłodzeniu, takie jak uszkodzenia wentylatorów lub silne zanieczyszczenia, we wczesnym stadium. Użytkownik IPM ma różne możliwości wykorzystania funkcji monitorowania temperatury (VOT). Istnieje możliwość wyjścia z komunikatem o błędzie lub zmianą schematu sterowania przed osiągnięciem przez IPM poziomu wyłączenia związanej z nadmiarową temperaturą i wyłączeniem bramek.

Integralność zasilania IPM

Kolejną korzystną cechą rodziny SLIMDIP™ jest wykorzystanie układów HVIC (High Voltage IC) z wymaganymi komponentami, takimi jak dioda bootstrap (BSD) i rezystory ograniczające prąd. Standardowy trójfazowy falownik wymaga czterech izolowanych zasilaczy - trzech dla strony P i jednego dla strony N. Integracja tych komponentów w układzie HVIC SLIMDIP™ pozwala zmniejszyć liczbę zasilaczy z czterech do jednego [3]. Typowa zewnętrzna izolacja funkcjonalna dla przełączników strony P nie jest wymagana, ponieważ izolacja funkcjonalna jest zapewniana wewnątrz układu HVIC za pomocą przesunięcia poziomu sygnału.

Rysunek 3 przedstawia zasadniczy schemat obwodu diody bootstrap.

Rysunek 3: Obwód diody bootstrap

LVIC SLIMDIP™ musi być zasilany odpowiednim napięciem zasilania wynoszącym 15 V. To napięcie zapewnia właściwe działanie przełączników strony N i ładowanie strony P. Gdy potencjał wyjściowy (U, V, W) spada do poziomu GND, prąd płynie przez diodę bootstrap i ładuje kondensator bootstrap. Po powrocie napięcia wyjściowego (U, V, W) do poziomu V_CC, dolna strona kondensatora bootstrap pozostaje połączona z emiterem przełącznika strony P.

Kondensator rozładowuje swoją energię, podając odpowiednie napięcie na bramkę przełącznika strony P, wystarczające do jego włączenia, podczas gdy dioda bootstrap blokuje przeciek tego napięcia.

Wszystkie moduły zasilania SLIMDIP™ są wyposażone w układy HVIC, diody bootstrap oraz rezystory ograniczające prąd rozruchowy. Wbudowane komponenty zmniejszają koszt montażu i poprawiają niezawodność systemu podczas pracy.

Funkcja ochrony przed zwarciem

Kolejną funkcją w układach SLIMDIP™ jest wykrywanie prądu zwarciowego SC i zatrzymywanie działania modułu zasilania. SLIMDIP™ wykorzystuje zewnętrzny rezystor pomiarowy do wykrywania prądu zwarciowego, jak przedstawiono na rysunku 4. Układ ochronny jest zrealizowany w układzie LVIC. Napięcie na rezystorze pomiarowym jest porównywane z referencyjnym napięciem progowym SC wewnątrz układu LVIC, aby wykryć wysoki prąd zwarciowy. Typowy poziom progowy napięcia wynosi zazwyczaj 0,48 V. Przekroczenie napięcia progowego automatycznie wywoła funkcję ochronną. Wszystkie sygnały bramkowe dolnych przełączników zostaną przerwane, a wygenerowany zostanie sygnał błędu. Zaleca się stosowanie zewnętrznego filtru RC w celu uniknięcia aktywacji ochrony przez normalny szum przełączania. Zalecana stała czasowa dla filtra RC to około dwóch mikrosekund. Dodatkowo zaleca się stosowanie rezystora pomiarowego i układów wyprowadzeń o niskiej indukcyjności efektywnej w celu zapobiegania błędnym sygnałom błędu.

Rysunek 4: Zasada wykrywania zwarcia dla modułu zasilania SLIMDIP™

Podsumowanie

Produkty SLIMDIP™ stały się światowym standardem rozwiązań dla systemów elektroniki mocy, które wymagają wysokiego stopnia integracji, wydajności i niezawodności. Moduł zasilania SLIMDIP-M o przepustowości 10 A i napięciu 600 V został opracowany w celu rozszerzenia oferty produktowej. Rozpoczęto również rozwój SLIMDIP™ IPM o jeszcze większej gęstości mocy, aby sprostać przyszłym wymaganiom i kontynuować sukces rodziny produktów SLIMDIP™.

Odnośniki

[1] S. Shibata, M. Kato and H. Zhang, "New Transfer-Molded SLIMDIP for white goods using thin RC-IGBT with a CSTBTTM structure," Proceedings of PCIM Europe 2015; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 2015, pp. 1-6.
[2] T. Yoshida, T. Takahashi, K. Suzuki, and M. Tarutani, “The second-generation 600V RC-IGBT with optimized FWD,” in 2016 28th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Prague, Czech Republic, 62016, pp. 159–162.
[3] Mitsubishi Electric, Bootstrap Circuit Design Manual. [Online]. Dostępne: https://www.mitsubishielectric.com/semiconductors/ files/manuals/dipipm_bootstrap_circuit_ e.pdf (dostęp: luty 2021).