Рубрики
Составляющие силовой электроники

Умственные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности

Умственные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности Владимир Башкиров В статье рассмотрены особенности умственных силовых модулей компании

Умственные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности Владимир Башкиров

В статье рассмотрены особенности умственных силовых модулей компании International Rectifier, созданных для использования в массовом промышленном электроприводе и электроприводе домашней техники мощностью до нескольких кв.

Введение

Сектор электропривода малой мощности является самым вместительным на рынке электроприводов. Анализ рынка промышленного электропривода указывает, что большим спросом пользуется привод малой (до 3,7 кВт) и средней (до 37 кВт) мощности. При этом на долю электроприводов мощностью до 3,7 кВт приходится около 75% всего рынка. Тот же спектр мощностей характерен и для приводов домашней техники: холодильников, стиральных машин, кондюков.

Толика регулируемых электроприводов в общем объеме приводов малой мощности для промышленных приложений и домашней техники возрастает все более ускоряющимися темпами. На период с 2004 по 2010 год прогнозируется рост рынка электроприводов малой мощности более чем в 2,5 раза. Ожидается, что на рубеже 2010 года будет преодолен предел в $3 миллиардов. При всем этом толика регулируемых приводов вырастет с 22 до 55%. Регулируемый электропривод обеспечивает до 50% экономии электроэнергии, до 40% экономии воды, высшую точность стабилизации требуемых характеристик (температура, давление, скорость). Из-за этого он окупается за еще более маленький срок.

В текущее время суммарный годичный объем производства составляет 10-ки миллионов комплектов, вырастает энтузиазм к силовым ИС управления и силовым модулям высочайшей степени интеграции взамен обычных схем с применением дискретных полупроводниковых устройств. При всем этом решающими факторами являются рентабельность производства электропривода, его эффективность и надежность.

На рынке силовых умственных модулей малой мощности до ближайшего времени были более всераспространены семейства силовых модулей компаний Митсубиши и Fairchild. Компания International Rectifier вышла на рынок с новым семейством умственных силовых модулей. Благодаря ряду технических новаций они способны удачно соперничать со своими аналогами и владеют большенными резервами для совершенствования и расширения.

Особенности схемотехники и устройства умственных силовых модулей IR

Силовые модули нового семейства, как и их аналоги, созданы для реализации управления трехфазными бесконтактными электродвигателями — асинхронными и бесконтактными движками неизменного тока. Потому в их состав также заходит трехфазный инвертор со схемой управления и защиты. Но по сопоставлению с аналогами они владеют рядом преимуществ.

Варианты выполнения электронной схемы — большая упругость при применении

В отличие от собственных аналогов силовые модули IR выпускаются с несколькими версиями выполнения электронной схемы. В текущее время серийно выполняются две версии силовых модулей — «А» и «В». Версия «А» (рис. 1) — вариант с открытыми эмиттерами нижних ключей инвертора, версия «В» (рис. 2) — вариант со интегрированным шунтом в цепи шины нулевого потенциала. Это позволяет воплотить разные композиции токовых оборотных связей и выбирать лучшую применительно к определенному случаю.

Широкий спектр частот ШИМ

В состав силовых модулей, как и в их аналоги, заходит по 6 кристаллов IGBT транзисторов и антипараллельных ультрабыстрых диодов. В отличие от силовых модулей Митсубиши, где используются Trench IGBT, и модулей Fairchild, выполненных с применением так именуемых Current Sence IGBT (часть структуры кристалла употребляется для съема инфы о токе коллектора), в силовых модулях IR употребляются 600-вольтовые NPT IGBT 5-го поколения, дозволяющие работать на частотах ШИМ до 20 кГц включительно. К их плюсам также относятся простота параллельного соединения, прямоугольная зона неопасной работы и малый уровень утрат на переключение, в особенности при выключении, при относительно низких потерях на проводимость. Возможность работы на более больших частотах ШИМ дает возможность избежать акустических шумов (одно из требований для домашней техники) и обеспечит более широкий спектр регулирования скорости.

Завышенная степень интеграции

В отличие от конкурирующих силовых модулей, где для управления ключами инвертора используются три драйвера верхних ключей и один драйвер нижних ключей, в силовых модулях IR применен один кристалл трехфазного драйвера IR21365. Драйверы серии IR2136x были специально разработаны с учетом специфичности электроприводов маленький мощности, совместимы со всеми типами логики КМОП и TTL с уровнями от 3,3 В. Это позволяет подавать управляющие сигналы от микроконтроллера конкретно на входы управления верхних и нижних ключей (HIN, LIN) без использования дополнительных модифицирующих каскадов. Драйверы этой серии специально рассчитаны на наименьшие, чем у драйверов других серий, токи накачки затворов силовых ключей, потому имеют значительно более малую стоимость. Они обеспечивают блокировку по низкому напряжению питания, защиту от перегрузки по току и перегреву. Как и все высоковольтные интегральные драйверы, ИС серии IR2136x питаются от единственного источника питания с напряжением 15 В (вход 22). Их внедрение позволило упростить конструкцию и понизить стоимость комплектации. Как и силовые модули Fairchild, модули IR содержат цепь термический защиты на термисторе Rt. В отличие от аналогов, в силовых модули IR дополнительно введены бутстрепные диоды D1-D3 и резистор R3 источника питания драйвера, RC-цепи управления временем срабатывания защиты от перегрузки по току, ограничительные резисторы Rg1-Rg6 в затворах ключей инвертора. В силовых модулях версии «А» эмиттеры нижних ключей S4-S6 соединены конкретно с выводами 12-14 модуля. К этим выводам подсоединяются шунты для получения инфы о токах в фазах мотора. Информация от схем термический защиты и защиты от перегрузки по току поступает на один и тот же вывод 21-го модуля. Силовые модули версии «В» (рис. 2) содержат интегрированный прецизионный безындуктивный шунт Rs в цепи нулевой шины силового питания. Не считая того, информация схем термический защиты и защиты от перегрузки по току поступают на раздельные входы 13 и 22.

Прогрессивная разработка корпусирования

Силовые модули IR принципно отличаются от аналогов по технологии корпусирования. Силовые модули Митсубиши серии PsxxE выполняются в DIP-корпусе 1-го типоразмера (79×36 мм), как и модули Fairchild серии FSAM (60×36 мм). По технологии оба корпуса относятся к классу Lead Frame. Это предполагает размещение кристалла на медном фрейме-теплоаккумуляторе, соединенном с подходящим выводом силового модуля. Фреймы крепятся через изолирующий эпоксидный слой к теплоотводящему основанию (алюминий для модулей Митсубиши, керамика для модулей Fairchild). В семействе силовых модулей IR в текущее время используются корпуса с однобоким расположением выводов (типа SIP) нескольких типоразмеров (рис. 3). При предстоящем расширении семейства в него войдут приборы в DIP-корпусах на более высочайшие токи.

Умственные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности
Рис. 3. Умственный силовой модуль в корпусе типа SIP

Невзирая на более высшую нагрузочную способность по току DIP-корпуса, его недочетом будет то, что вероятен единственный вариант обоюдного расположения платы управления и модуля (радиатора) — в параллельных плоскостях. У SIP-модуля этот недочет просто устраняется разными вариациями заводской формовки выводов (рис. 4).

Умственные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности
Рис. 4. Варианты монтажа умственных силовых модулей с различной формовкой выводов

Кроме этого в силовых модулях IR использована более прогрессивная разработка корпусирования IMS (Insulated Metall Substrate). Она позволяет прирастить плотность монтажа до 3-х раз и понизить цена корпуса на 60% по сопоставлению с технологиями, применяемыми в модулях-аналогах.

IMS-материал представляет собой фольги-рованный материал, где слой медной фольги разделен от дюралевой подошвы узким изолирующим адгезивным материалом с высочайшей теплопроводимостью. После окончания процесса травления и монтажа компонент внутреннее содержимое силового модуля припоминает интегральную схему (рис. 5).

Умственные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности
Рис. 5. Плата из IMS-материала с установленными компонентами силового модуля

В силовых модулях IR толщина фольгированного слоя составляет 20-70 мкм, толщина адгезивной пленки — 20 мкм, толщина подошвы из алюминия с двухсторонним анодированием- 1,5-3 мм. В отличие от аналогов модули IR относятся к типу FullPack (стопроцентно изолированные). После заливки компаундом наружняя поверхность подошвы покрывается слоем пластмассы шириной 500 мкм.

Высочайшая эффективность — малый уровень утрат

Аналоги силовых модулей IR вначале проектировались с акцентом на промышленные приложения. Потому они выполняются в 2-ух вариантах: или для работы на стандартных промышленных частотах ШИМ 3-4 кГц, или на более больших частотах, но менее 15 кГц. В балансе утрат мощности в этих модулях акцент был изготовлен на утраты на проводимость. Увеличение частоты ШИМ делает при принятых разработках корпусирования дополнительные трудности, связанные с ростом уровня создаваемых помех. Потому в силовых модулях Митсубиши используются Trench IGBT, а в модулях Fairchild — PT IGBT с низким напряжением падения на переходе. Силовые модули IR, напротив, проектировались с учетом внедрения в промышленных и бытовых электроприводах, где требуются широкие спектры регулирования скорости, высочайшая динамическая точность, и в балансе утрат суровое внимание уделяется потерям на переключение. Для заслуги низких утрат на переключение в их использованы NPT IGBT последнего поколения. По сопоставлению с транзисторами, применяемыми в конкурентных модулях, IGBT, используемые в силовых модулях IR, значительно резвее врубаются и выключаются (рис. 6) и, что более принципиально, имеют еще более куцее время спада при выключении, определяющее в главном утраты на переключение за счет еще более высочайшей скорости спада напряжения (рис. 7).

Умственные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности
Рис. 6. Нрав конфигурации тока в транзистора); при включении (верхний график) и выключении (нижний график). Напряжение 300 В, ток 5 А, температура перехода 125 °С.
Умственные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности
Рис. 7. Сопоставление скорости конфигурации напряжения при переключении транзисторов

Из-за этого IGBT-транзисторы IR имеют существенное преимущество перед аналогами по потерям на переключение (рис. 8), хотя и уступают им по падению напряжения, определяющему утраты на проводимость (рис. 9).

Умственные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности
Рис. 8. Сопоставление мощности утрат при переключении
Умственные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности
Рис. 9. Сопоставление падений напряжения на открытых транзисторах при температуре кристалла 125 °С

Для сопоставления эффективности силовых модулей разных типов нужно иметь методику определения всеохватывающих утрат мощности в модуле в реальных критериях эксплуатации [1]. Она позволяет оценивать усредненные и секундные утраты мощности на ключах инвертора с учетом утрат на диодиках. С внедрением этой методики были проведены сравнительные тесты силового модуля IR и аналога компании Fairchild при работе в электроприводе компрессора кондюка. Оценка мощности утрат проводилась в режиме полной нагрузки при напряжении на шине питания 390 В, среднем токе в движке 4 А, частоте ШИМ 7,8 кГц, частоте в движке 30 Гц, скважности ШИМ 0,8 в критериях принудительного обдува. Нрав конфигурации мощности утрат в течение полупериода представлен на рис. 10.

Как надо из графиков, силовой модуль IR имеет преимущество по потерям во всем спектре температур кристалла, при этом с ростом температуры оно возрастает и разрыв добивается 30%.

Оценка усредненных утрат мощности в ключе и инверторе дает аналогичную картину (табл. 1).

Умственные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности
Таблица 1. Сравнительная оценка усредненных утрат мощности
Примечание: Tj-температура кристалла; Рс, Psw, Pt-мощность утрат на проводимость, переключение и полная мощность утрат в IGBT транзисторе; Pit-полная мощность утрат в инверторе.

Невзирая на преимущество аналога по усредненной мощности утрат на проводимость на ключе, в структуре утрат на ключе и в инверторе определяющую роль играют утраты на переключение.

Усредненная мощность утрат в силовом модуле IR была ниже, чем у аналога, при этом разрыв по потерям значительно возрос с ростом температуры кристалла.

Малый уровень генерируемых помех

Электронные соединения в модулях осуществляются с применением печатных плат и проводников разварки. Обычно, печатные платы имеют менее 2-ух слоев, что связано с ограничением по стоимости. Для предотвращения протекания токов от силового узла к управляющей части по шинам нулевого потенциала употребляется способ объединения точек нулевого потенциала логики и силовой части в единой точке на нулевой шине. Наличие паразитных индуктивностей и емкостей меж этими точками приводит к генерации высокочастотных шумов при работе. Для обеспечения соответствия мощности генерируемых шумов требованиям эталонов в почти всех случаях приходится искусственно снижать частоту ШИМ. При использовании в силовых модулях IMS-материалов железное теплоотводящее основание платы, владеющее неплохой электропроводностью, может быть применено для реализации внутренней эквипотенциальной поверхности с нулевым потенциалом (EGP) заместо общей точки, электронное соединение с которой можно производить методом разварки. Распределенная меж этой поверхностью и шиной питания емкость является проводником с низким импедансом для высокочастотных помех, генерируемых инвертором, что содействует действенному понижению генерируемых шумов. Еще на момент подготовки к серийному производству предшествующего поколения силовых модулей семейства PowIRtrain, в каких в первый раз были применены IMS-материалы, спецы компании разработали методику действенного понижения уровня паразитных причин за счет оптимизации топологии печатной платы и схемы заземления. Как проявили сравнительные тесты этих модулей и модулей, производимых по обычным технологиям, уровень паразитных индуктивностей у силовых модулей PowIRtrain был снижен практически на два порядка, что обеспечивало очень высочайшее качество работы инвертора и малый уровень генерируемых шумов. Улучшенные способы понижения мощности генерируемых шумов реализованы в новеньком семействе силовых умственных модулей IR. Сравнительные тесты по оценке уровня генерируемых шумов в инверторе электропривода компрессора кондюка мощностью 1,4 кВт проявили преимущество модуля IR в спектре частот до 5 МГц (рис. 11), что подтверждает эффективность использования IMS-материалов для понижения воздействия паразитных причин.

Умственные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности
Рис. 11. Сравнениеуровмей излучаемых шумов

Обычная схема подключения

Для реализации функционально законченного устройства управления трехфазным электродвигателем с применением силовых умственных модулей требуется малое количество компонент. Даже для версии «А» (рис. 12) кроме микроконтроллера требуется подключить к выводам модуля три бутстрепных конденсатора С1-С3, сетевой фильтр Сф1, Сф2, три шунта токовых ОС Rш1-Rш3 и легкий интерфейс на пассивных компонентах для передачи на микроконтроллер инфы о нештатных ситуациях (перегрев, перегрузка по току).

Состав серии силовых умственных модулей IR и программка ее предстоящего расширения

Номенклатура серийно выпускаемых умственных силовых модулей семейства IRAMxx представлена в таблице 2. В сетях переменного тока с спектром напряжения от 85 до 253 В эти модули обеспечивают управление трехфазными электродвигателями мощностью от 100 Вт до 2,2 кВт. Для обеспечения наибольшей компактности и малой цены модули выпускаются зависимо от величины нормируемого тока в 3-х типах SIP-корпусов.

Практически все силовые модули семейства выпускаются с 2-мя вариациями формовки выводов (цифра «2» в обозначении — вариант формовки с отгибом на 90° по отношению к посадочной плоскости корпуса). Конструкция SIP-корпусов позволяет обеспечивать надежную эксплуатацию при питании от сетей переменного тока с напряжением до 380 В (шина неизменного тока 550 В). Сопротивление изоляции модулей нормировано на напряжение 2000 В. Температурный спектр при эксплуатации и хранении составляет от -40 до +150 °С В силовых модулях варианта «В» используются прецизионные безындуктивные шунты с предельным отклонением 1% и рассеиваемой мощностью от 1,5 до 4,5 Вт. Во всех модификациях модулей употребляется один типономинал термис-тора с номинальным сопротивлением 100 кОм, наибольшим отклонением 5% и температурным коэффициентом сопротивления 4250. Используемый во всех типах силовых модулей трехфазный драйвер IR21365 обеспечивает блокировку работы при низком напряжении сети, паузу 300 нс на переключение верхних и нижних ключей для исключения сквозных токов, синхронное отключение всех ключей инвертора спустя 750 нс после получения сигнала о перегреве либо перегрузке по току. Кроме того, все 600-вольтовые IGBT силовые транзисторы инвертора нормируются на устойчивость к недлинному замыканию (в режиме недлинного замыкания выдерживают 10-кратный по отношению к номинальному ток в течение 10 мкс).

При выборе типономинала силового модуля IR следует подразумевать, что в отличие от аналогов они сохраняют высшую нагрузочную способность по току в широком спектре частот ШИМ и модуляции в движке и, не считая того, по-иному нормируются. Модули-аналоги нормируются по току на неизменном токе. В отличие от их модули IR нормируются по току при предельных режимах — наибольшей частоте ШИМ (20 кГц), наивысшем напряжении на шине питания, наибольшей глубине модуляции, более высочайшей температуре кристалла (150 °С). Справочные листы силовых модулей IR содержат информацию о зависимости наибольшего выходного тока от частоты ШИМ и частоты модуляции в движке при разных температурах корпуса (рис. 13, 14), что существенно упрощает конструктору задачку выбора рабочих режимов.

Умственные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности
Рис. 13. Зависимость выходного тока от частоты и температуры корпуса (Uшины = 400 В, Tj = 150 °С, коэффициент мощности-0,6, глубина модуляции-0,8)
Умственные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности
Рис. 14. Зависимость выходного тока от частоты модуляции в движке и частоты ШИМ

Как надо из графиков, настоящая нагрузочная способность по току силовых модулей IR может возрасти в два раза при понижении частоты ШИМ и на 50% — при повышении частоты модуляции в движке.

В реальных приложениях силовые модули IR, нормированные на наименьший по сопоставлению с аналогами ток, могут иметь преимущество по выходному току, в особенности с увеличением частоты ШИМ. На рис. 15 представлены зависимости наибольшего синусоидального тока на выходе модуля (ток фазы мотора) зависимо от частоты ШИМ. Сопоставление проводилось меж умственными модулями компании International Rectifier, ультрабыстрыми силовыми умственными модулями 4-го поколения компании Митсубиши и ультрабыстрыми умственными модулями компании Fairchild при очень допустимой температуре кристалла (150 °С для модулей IR и 125 °С для других). Как надо из графиков, силовой модуль FSAM20SH60A компании Fairchild, нормированный на ток 20 А, существенно уступает по выходному току модулю IRAMY20UP60A компании IR, нормированному на таковой же ток, и практически близок по току к 16-амперному силовому модулю IR IRAMX16UP60A. Нормированный на 15 А модуль PS21964-A компании Митсубиши значительно уступает 16-амперно-му IRAMX16UP60A компании IR. На частотах ШИМ выше 10 кГц он уже равноценен 10-ам-перному IRAMS10UP60A, который, в свою очередь, превосходит 10-амперный PS21963-A компании Митсубиши во всем спектре частот ШИМ.

Умственные силовые модули компании International Rectifier для электроприводов малой мощности
Рис. 15. Сопоставление нагрузочной возможности по току силовых модулей IR и аналогов

В текущее время номенклатура силовых умственных модулей IR находится в процессеформирования. Компанией разработана программка ее значимого расширения. С этой целью на первом шаге будет расширена номенклатура SIP-корпусов с наименьшими габаритами для роста спектра мощностей в сторону снижения мощности. В номенклатуру силовых модулей будет введена серия в DIP-корпусах нескольких типоразмеров для увеличения выходного тока и расширения спектра мощности до 3,7 кВт. Планируется ввод в номенклатуру серии 1200-В модулей для промышленного электропривода с питанием от трехфазной сети с напряжением 380 В. На втором шаге планируется расширение номенклатуры за счет ввода в нее модулей с завышенным уровнем интеграции, содержащих дополнительно в разных сочетаниях тормозной ключ с управлением, входной выпрямительный мост, корректор коэффициента мощности, а в предстоящем — безмостовой активный входной каскад, заменяющий выпрямительный мост и корректор коэффициента мощности.