Рубрики
Технологии силовой электроники

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric Юрий Петропавловский В предшествующей статье подверглись рассмотрению номенклатура

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric Юрий Петропавловский

В предшествующей статье подверглись рассмотрению номенклатура и главные характеристики интегральных силовых модулей серий Ver. 3, Ver. 3,5, Ver. 4, 1200 В компании Митсубиши Electric. Номенклатура модулей в каталогах компании 2010 г. не перетерпела существенных конфигураций. Предметом рассмотрения истинной статьи являются особенности внедрения интегральных модулей третьей серии, управление по применению которых было выпущено компанией в конце 2009 г.

Внешний облик модулей снизу показан на рис. 1; на их лицевые стороны наносится лазерная маркировка, характеристики которой выдерживаются с большой точностью; виды оборотной стороны модулей DIP-IPM и Mini DIP-IPM с маркировкой приведены на рис. 2. На рисунке отмечены: зона маркировки; зона производителя (Митсубиши Electric); А — тип модуля, В — номер партии; QR-код (код продуктовой линейки) — зарегистрированная торговая марка компании Denso Wave Inc. в Стране восходящего солнца и других странах (может быть наличие партий модулей без QR-кода). Структуры и нумерация выводов модулей DIP-IPM и Mini DIP-IPM приведены на рис. 3, в их состав входят: схемы управления верхними ключами каналов U, V, W — HVIC, нижними ключами — LV-ASIC (LVIC), выходные IGBT с антипараллельными диодиками.

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric

Рис. 1. Внешний облик модулей DIP-IPM, Mini DIP-IPM

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric

Рис. 2. Оборотная сторона модулей DIP-IPM и Mini DIP-IPM с маркировкой Marking area (место маркировки), А, В — лазерная маркировка типа и партии модулей

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric

Рис. 3. Структура модулей DIP-IPM, Mini DIP-IPM: HVIC — схемы управления верхними IGBT; LVIC — схема управления нижними ключами; Input Signal Condition — согласующие схемы; Level Shift—схемы сдвига уровней; Gate Drive & UV lock out—драйверы затворов IGBT и схемы защиты; Fault Logic & UV lock out—схема формирования сигнала волнения и схемы защиты от низкого напряжения; Protection Circuit — схема защиты от маленьких замыканий

Любая схема управления HVIC содержит согласующую схему (Input Signal Condition), схему сдвига уровня (Level Shift) и драйвер затвора IGBT со схемами защиты от пониженного напряжения питания (Gate Drive & UV lock out). В состав спец микросхемы LV-ASIC входят: согласующая схема, драйвер затворов нижних IGBT, схемы защиты от недлинного замыкания и низкого напряжения питания (Protection Circuit) и схема формирования сигнала волнения (fault Logic & UV lock out).

Предназначение выводов модулей

  • (VUFB-VUFS), (Vvfb-Vvfs), (WWFB-WWFW) — напряжение питания драйверов схем управления верхними IGBT. При использовании бутстрепных схем не требуется отдельных источников питания для каждого канала HVIC. Повторяющийся заряд бутстрепных конденсаторов осуществляется через надлежащие открытые нижние IGBT. Для устойчивой работы систем электропривода напряжение на бутстрепных конденсаторах должно быть размеренным и не содержать шумов и помех, для этого подключать их следует конкретно поблизости соответственных выводов модулей. Для предотвращения выхода из строя модулей в аварийных ситуациях меж каждой парой выводов питания HVIC рекомендуется устанавливать защитные стабилитроны (24 В/1 Вт). VP1, VN1 — напряжение питания VD схем управления HVIC и LVIC. Для увеличения стойкости работы схемы выводы нужно шунтировать глиняними либо пленочными конденсаторами, также защитными стабилитронами (24 В/1 Вт). VNC, (VPC) — корпус схем управления верхними и нижними IGBT. Разработку конструкции (печатной платы) схем электро-привода следует проводить таким макаром, чтоб предупредить прохождение через этот вывод выходных токов IGBT.
  • UP, VP, WP, UN, VN, WN — входы управления HVIC и LVIC. Снутри модулей выводы подключены к триггерам Шмидта, совместимым с +5 В комплементарной МОП-логикой. Уровню логической единицы сигнала управления соответствует открытое состояние управляемого IGBT, а логическому нулю — закрытое. Длина соединительных (печатных) проводников, соединяющих выводы с выходами управляющих схем, не должна превосходить 20 мм. Для предотвращения самовозбуждения схем на входах лучше устанавливать антипаразитные RC-цепи.
  • CIN — вход для подключения датчика тока (резистора оборотной связи) схемы защиты от маленьких замыканий. Сигнал оборотной связи подается на этот вывод с датчика тока через RC-цепь, обеспечивающую угнетение высокочастотных шумов выходного тока IGBT; сопротивление входа — около 600 кОм.
  • FO — выход сигнала волнения (Fault signal), выход каскада с открытым коллектором. Обычно подключается к источнику питания +5 В через резистор 10 кОм.
  • CFO — вывод для подключения наружного конденсатора схемы сенсора «волнения», подключается меж этим выводом и выводом VNC. От величины емкости конденсатора зависит продолжительность импульса «волнения» (при С = 0,022 пФ tFAULT = 1,8 мс).
  • Р, N — положительный и отрицательный выводы питания инверторов. Для действенного угнетения выбросов напряжения (Surge voltage) блокирующий (снабберный) конденсатор следует устанавливать конкретно меж ними.

Кроме вышеперечисленного, имеются еще вспомогательные выводы (Dummy-pin), соединенные с разными внутренними элементами модулей. Их нельзя подключать к любым другим выводам модулей и к печатным проводникам платы. К ним можно подключать измерительные приборы при проведении диагностики дефектов и испытаниях систем электроприводов.

Вспомогательные выводы модулей в корпусах DIP-IPM: 27 — VPC, 28 — UPG, 29 — P, 30 — VPC, 31 — VPG, 32 — U,33 — WPG, 34 — V, 35 — UNG 36 — VNC, 37 — VNO, 38 — WNG, 39 — VNG, 40 — W, 41 — P.

Вспомогательные выводы модулей в корпусах Mini DIP-IPM (35 выводов): 2—UPG, 5 — com, 8 — VPG, 11 — COM, 14 —WPG, 17 — COM, 19 — UNG, 29 -VNG, 30 — WNG.

В модулях PS21562-P и PS21563-P вывод 20 (VNO) соединен с выводом 35 (N), а в модулях PS21564-P этого соединения нет. В исполнениях SP (Mini DIP-IPM в 37-выводных корпусах) выводы эмиттеров нижних IGBT разбиты: 35 — NU, 36 — NV, 37 — NW, вывод 20 не соединен с какими-либо другими выводами.

Типовая схема включения модулей без гальванической развязки с процессорами управления рассмотрена в [1]. На рис. 4 приведена схема включения модулей PS21562, PS21563 в корпусах Mini DIP-IPM, рекомендованная компанией Powerex (демо плата — mini DIP-IPM basic demonstration board). Пунктиром на схеме обозначены проводники, длина которых должна быть мала. В качестве бутстрепных диодов D1-D3 компанией Powerex рекомендованы резвые диоды 10DRA60 (1 А/600 В), конденсаторов C1-C3 — UFP1H220MEH (22 мкФ/50 В) компании Nichikon, С4-С10 — качественные глиняние ВЧ-конденсаторы GRM39R102M50P5 компании Murata, резистора оборотной связи R6 — SL2TTE68LF 0,068 Ом ±5%/2 Вт компании Japan KQA (номинал для данной демонстрационной платы). Размещение частей на демонстрационной плате и ее внешний облик со стороны частей и с торца приведены на веб-сайте журнальчика.

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric

Рис. 4. Схема включения модулей PS21562, PS21563

Перейдем к особенностям функционирования и расчета частей схем электропривода на базе рассматриваемых силовых модулей.

Входные цепи

Структура входных цепей модулей приведена на рис. 5, на всех входах управления HVIC и LVIC установлены нагрузочные резисторы (Pull-down resistors) сопротивлением 2,5 кОм, потому наружные резисторы во входных цепях не требуются. Для работы с более низковольтной логикой (при напряжении питания Vp1, Vn1 = +15 В и температуре выводов 25 °С) следует ориентироваться на последующие пороги срабатывания интегрированных триггеров Шмидта: логический «0» — менее 0,8 В (типовое значение 1,4 В), логическая «1» — более 2,6 В (типовое значение 2,3 В). Входные цепи модулей рассчитаны на работу и с более высоковольтной логикой, очень допустимые напряжения на входах не должны выходить за границы спектра от -0,5 В до +(Vp1+0,5) В. Малая продолжительность входных ШИМ-импульсов включения (уровень лог. «1») — 0,3 мкс для всех типов модулей; малая продолжительность входных импульсов выключения (уровень лог. «0») при номинальном выходном токе модулей — 0,5 мкс для PS21562/563/564, 3 мкс для PS21869; при выходном токе, равном половине номинального: 0,5 для PS21562, 0,7 для PS21563, 2,6 для PS21564 и 5,9 мкс для PS21869.

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric

Рис. 5. Структура входных цепей модулей: Level shift circuit — схема сдвига уровня, Gate Driver — драйверы затворов IGBT

Источник питания схем управления верхних IGBT

Питание схем управления HVIC-модулей осуществляется от поочередно соеди-ненных источников питания LVIC (VD) и напряжения VDB на бутстрепных конденсаторах соответственных каналов модулей. Схема заряда бутстрепных конденсаторов HVIC и надлежащие временные диаграммы сигналов приведены на рис. 6. Перед пуском схемы бутстрепные конденсаторы должны быть заряжены, что обеспечивается подачей импульсов пуска на вход управления, открывающего нижние IGBT. Продолжительность либо количество импульсов в пакете пуска выбирается несколько огромным, чем требуется для полного заряда.

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric

Рис. 6. Схема заряда бутстрепных конденсаторов и временные диаграммы: Bootstrap Condenser — бутстрепный конденсатор; P-side IGBT — верхние IGBT, N-side IGBT — нижние IGBT; PWM Start — момент подачи управляющих ШИМ-сигналов

Напряжение на бутстрепных конденсаторах в процессе работы электропривода не повсевременно и находится в зависимости от состояния верхних и нижних IGBT. При закрытых верхних и открытых нижних IGBT оно определяется формулой:

Vc1 = Vp1-VF-Vsat- IDR, (1)

где Vc1 — напряжение источника питания HVIC (выводы Vp1 модулей), VF — падение напряжения на бутстрепных диодиках (D1-D3, рис. 4), Vat — напряжение насыщения нижних IGBT, ID — ток заряда, R — сопротивление ограничительных резисторов (R1-R3, рис. 4). При закрытых нижних IGBT через их антипараллельные диоды протекают токи индукции, а напряжение на бутстрепных конденсаторах определяется формулой

Vc2 = Vp1-VF+Vec,

где Vec — падение напряжения на антипараллельных диодиках нижних IGBT.

Емкость бутстрепных конденсаторов определяется формулой:

C = IDB·T/ΔVDB, (2)

где IDB — ток в цепях питания модулей (по выводам VUFB, VVFB, VWFB на рис. 4, находится в зависимости от температуры и частоты), Т — наибольшая продолжительность импульсов (ШИМ), ΔVDB = VD-VDB — допустимое падание напряжения на конденсаторах при разряде. В качестве примера в руководстве [2] приведены последующие значения характеристик: IDB = 0,4 мА, Т = 5 мс, ΔVD)B = 1 В, при всем этом емкость бутстрепных конденсаторов, рассчитанная по формуле (2), равна 2 мкФ (Т и ΔVDB выбираются разработчиками).

Сопротивление ограничительных резисторов определяется из соотношения: R = (ΔVDB·t0)/(C·ΔVDB), где t0 — малая продолжительность открывающих импульсов нижних IGBT. К примеру, при t0 = 20 мкс, ΔVDB = 1 В, С = 5 мкФ номиналы ограничительных резисторов R1-R3 (рис. 4) равны 4 Ом. Время восстановления оборотного сопротивления бут-стрепных диодов должно находиться в границах 100-150 нс и наименее, наибольшее оборотное напряжение диодов при напряжении питания 450 В должно быть более 600 В; в согласовании с рекомендацией Powerex подойдет, к примеру, резвый диодик 10DRA60 (600 В, 1А, t,.,. менее 120 нс при di/dt = 50 А/мкс) компании NIEC (Nihon Inter Electronics Corporation, компания выпускает необъятную номенклатуру стремительных диодов).

Особенности подключения наружных частей

В качестве снабберных конденсаторов в цепях питания IGBT, нужных для понижения уровня переходных перенапряжений, возникающих при коммутации, рекомендуется использовать пленочные либо глиняние конденсаторы емкостью 0,22-2,3 мкФ с наименьшими потерями на больших частотах. В схеме на рис. 4 применены компактные полиэстеровые конденсаторы серии MDDSA компании Hitachi AIC на напряжение 630 В (рис. 7), имеющие фактор диэлектрических утрат (DF) менее 0,8%. Но конденсаторы такового типа не нужно использовать в схемах электропривода на более массивных модулях PS21564 и в особенности PS21869, для их рекомендуется использовать спец снабберные конденсаторы, к примеру компании HK Film Capacitor (рис. 8). Источник питания следует разрабатывать таким макаром, чтоб уровень шумовых флюктуаций напряжения питания был наименее ±1 В/мкс, а пульсации (ripple voltage) — наименее ±2 В. Принципиальное значение имеет выбор точек подключения снабберного конденсатора, имеется три вероятных варианта подключения (рис. 9):

  • Степень угнетения выбросов (Surge) определяется длиной проводников на участке А: чем меньше длина, тем паче отлично угнетение.
  • Обеспечивается действенное угнетение выбросов, но при заряде/разряде конденсатора ток, генерируемый индуктив-ностями соединительных проводников, протекает через резистор оборотной связи, что может вызвать ошибки в работе схемы защиты от маленьких замыканий SC.
  • Сбалансированный вариант подключения, обеспечивающий приемлемую эффективность угнетения выбросов.

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric

Рис. 7. Внешний облик конденсаторов MDDSA Hitachi AIC

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric

Рис. 8. Внешний облик снабберных конденсаторов HK Film Capacitor

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric

Рис. 9. Варианты включения снабберных конденсаторов

Огромное значение для устойчивой работы модулей имеет правильное подключение резистора оборотной связи (датчика выходного тока). На рис. 10 показаны особенности подключения резистора. Индуктивность проводника на участке А не должна превосходить 10 нГн, этому условию удовлетворяет медный печатный проводник длиной 17 мм, шириной 3 мм и шириной 0,1 мм (к точке N1 подключен отрицательный вывод снабберного конденсатора по варианту 3). Проводник на участке В должен быть окружен общей корпусной шиной печатной платы. Наружное соединение выводов N и VNQ нужно только для модулей PS21562, PS21563 (пример разводки печатной платы схемы электропривода приведен на веб-сайте журнальчика).

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric

Рис. 10. Включение резистора оборотной связи: Shunt resistor — резистор оборотной связи (датчик выходного тока)

Схема защиты от маленьких замыканий

Временные диаграммы сигналов в характер-ных точках LVIC и нижних IGBT, поясняющие работу схемы защиты от маленьких замыканий (SC), приведены на рис. 11. Знаками обозначены: а1, а7 — обычная работа, IGBT открыты; а2 — выходной ток превосходит порог срабатывания SC; а3 — срабатывание схемы защиты и резкое блокирование затворов IGBT; а4, а6 — IGBT закрыты; а5 — на выходе Fq формируется импульс «волнения»; а8 — IGBT принудительно закрыты выходным сигналом SC независимо от уровня сигналов управления; SET — момент включения SC; RESET — момент выключения SC.

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric

Рис. 11. Временные диаграммы сигналов в схеме защиты от маленьких замыканий: N-side control input — сигналы на входе LVIC; Protection circuit state — состояние схемы защиты от маленьких замыканий; SET — защита включена; RESET — защита выключена; Internal IGBT gate — сигналы на затворах IGBT; Output current Iq — выходной ток IGBT; Sense voltage of the Shunt Resistance — сигналы на резисторе оборотной связи; SC reference voltage — порог срабатывания схемы защиты от маленьких замыканий; Error output Fq — сигнал волнения; RC circuit time constant delay — задержка RC-цепи

Расчет наружных частей схемы защиты создают, ориентируясь на рис. 12. Сигнал оборотной связи подается на схему защиты через RC-фильтр, обеспечивающий угнетение шумовых высокочастотных составляющих выходного тока. Сопротивление резистора оборотной связи определяется выражением R = Vsc(ref)/SC, где Vsc(ref) — номинальное напряжение срабатывания схемы SC (trip level), SC protection level — выходной ток, при котором срабатывает схема защиты, выбирается приблизительно равным двукратному очень допустимому току модулей. Vsc(ref) — напряжение на резисторе оборотной связи, при котором срабатывает схема защиты, находится в границах 0,45-0,52 В для всех типов рассматриваемых модулей. SC = Ikmax для PS21562 составляет 5·2 = 10 А, для PS21563 — 20 A, PS21564 — 30 A, PS21869 — 100 A. При допуске на сопротивление резистора оборотной связи ±5% его номинал для PS21562 выбирают равным 45-52 мОм (типовое 48,5 мОм), для PS21563 — 24,25 мОм, PS21564 — 16,15 мОм, PS21869 — 2,425 мОм. Неизменная времени интегрирующей RC-цепи по советам листов данных (Data sheet) всех рассматриваемые модулей выбирается в границах 1,5-2 мкс (в схеме на рис. 4 τ = 2 мкс, С13 = 1000 пФ, R5 = 2 кОм).

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric

Рис. 12. Включение наружных частей: SC Protection External Parts — наружные элементы схемы защиты от КЗ; External shunt resistor — резистор оборотной связи; Drive circuit — драйверы затворов IGBT; SC protection — схема защиты от КЗ; Collector current waveform — форма импульса тока коллектора; SC protection level — ток срабатывания схемы защиты от КЗ; Input pulse width — продолжительность импульсов коллектора IGBT (мкс); Collect current Iq (A) — ток коллектора IGBT

Принципиальным параметром, влияющим на надежность модулей при долговременной эксплуатации, является допустимое количество циклов нагрева/остывания в процессе использования систем электропривода (гарантированное количество термоциклов). При большенном числе термоциклов паяные соединения снутри модулей разрушаются (растрескиваются), что в итоге приводит к выходу их из строя. На рис. 13 приведена зависимость гарантированного количества термоциклов от средней температуры выводов модулей при разнице температур нагрева/остывания 46, 88, 98 К, что соответствует плотностям отказов модулей (Failure rate) 0,1; 1; 10% (ГОСТ27.002-89).

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric

Рис. 13. Зависимость количества термоциклов от средней температуры выводов модулей

В ряде всевозможных случаев управление электроприводом должно быть изолировано от питающей сети, потому схема включения модулей, приведенная на рис. 4, будет неприемлема. На рис. 14 приведена типовая схема включения модулей с внедрением быстродействующих оптронов (High CMR), в ее состав не считая фактически оптронов входят 6 логических инверторов, эмиттерный повторитель для сигнала F0 и 5-вольтовый источник питания (для питания процессора управления употребляется отдельный источник питания на +5 В). В качестве оптронов могут употребляться, к примеру, обширно всераспространенные телекоммуникационные быстродействующие оптроны с напряжением изоляции 2500 В — 6N137, выпускаемые многими фирмами (Toshiba, Sharp, Fairchild, Vishay и др.).

Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric

Рис. 14. Схема включения модулей с оптической изоляцией: MCU — процессор; Shunt resistor — резистор оборотной связи.

Интегральные модули серии Ver. 3,5 отличаются от рассмотренных, в главном, величиной наибольшего выходного тока и выполнены в корпусах DIP-IPM с наименьшим числом выводов. Все приведенные выше материалы вместе с советами из управления [2] можно использовать при разработке модулей этой серии. В каталоге компании 2010 г. имеются последующие модули серии Ver. 3,5: PS21265-P, PS21267-P (корпус DIP-IPM, 26 выводов); PS21265-AP, PS21267-AP (корпус DIP-IPM, 26 длинноватых выводов). Главные характеристики модулей приведены в [1]. Структура модулей соответствует структуре DIP-IPM, приведенной на рис. 3.

Предназначения выводов модулей: 1 — UP, 2 —VP1, 3 — VUFB, 4 — VUFS, 5 — VP, 6 — VP1, 7 — VVFB, 8 — VVFS, 9 — WP, 10 — VP1, 11 — Vpc, 12 — VWFB, 13 — VWFS, 14 — VN1, 15 — VNC, 16 — CIN, 17 — CFO, 18 — FO, 19 — UN, 20 — VN, 21 — WN, 22 — P, 23 — U, 24 — V, 25 — W, 26 — N (вспомогательные выво ды Dummy-pin отсутствуют). Каких-то существенных особенностей внедрения модулей в сопоставлении с вышеприведенными материалами и управлением [2] нет.

Внешний облик, разводка и размещение частей на демоплате приведены на веб-сайте журнальчика http://power-e.ru/files/Demoplata.zip.

1 ответ к “Применение интегральных силовых модулей DIP-IPM серий Ver. 3, Ver. 3,5 компании Митсубиши Electric”

Устранение коммутационных утрат в конвертерах неизменного напряжения, обусловленных оборотным восстановлением выходного диодика — фраза дня, однозначно! 🙂 Давно так не веселился…
Бедный диодик в сетях неизменного напряжения…

Обсуждение закрыто.