Концепцията за интелигентен силов модул за инвертори за моторни задвижвания

Концепция за интелигентен захранващ модул за преобразуватели на задвижващи двигатели

Проектантите на малки преобразуватели на задвижващи двигатели с променлив ток, използвани в потребителски и общи индустриални приложения, са изправени пред нарастващи предизвикателства, свързани с ефективността, надеждността, размера и цената. Традиционно много проекти за такива малки преобразуватели използват дискретни силови схеми, заедно с необходимите спомагателни компоненти, необходими за реализиране на интерфейсни, контролни и защитни функции.

Автор: Филип Ябс и Музафер Албайрак, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ратинген, Германия

Този подход изисква относително големи и сложни проекти на печатни платки, за да се отговорят на всички изисквания за разстояние и оформление за комбинацията от контролери и дискретни захранващи устройства. Друг също толкова сложен проблем е поддържането на постоянна производителност и надеждност, когато характеристиките на контролерите и захранващите устройства не са правилно съчетани. Алтернативно решение на тези проблеми е използването на интегриран захранващ модул, който съдържа всички необходими захранващи устройства, заедно със съответстващи драйвери на гейтове и защитни функции, интегрирани в нисковолтови и високоволтови вериги (LVIC и HVIC). И накрая, напълно интегрираното пакетирано решение позволява намалено време за обработка на инвентара и сглобяване в сравнение с дискретно решение.

Надграждайки успеха на подхода „Интелигентен захранващ модул“ (IPM), Mitsubishi Electric въведе концепцията DIPIPM™ през 1997 г., базирана на сглобяването на открити захранващи и нисковолтови/високоволтови електрически модули (LV/HVIC), използвайки компактен дизайн с преден и изходен форм-фактор, за да се поддържа оптимизирана и постоянна надеждност, като същевременно се постигат ниски разходи за модули.

Фигура 1: Текущо предлагане на DIPIPM

Наскоро предлагането беше разширено, за да включва модула за повърхностен монтаж SP2SK и големия високотоков модул DIPIPM+. Формата за трансфер на IPM на Mitsubishi Electric предлага мощност от няколко десетки вата до над 12 kW, както е показано на Фигура 1.

Топология и защитни функции

В момента топологиите на системите за задвижване на двигатели в по-ниския диапазон на мощност са сходни. За да се оптимизират разходите и надеждността, броят на използваните полупроводници трябва да се поддържа възможно най-нисък. Решението, използвано в почти всички видове серво задвижвания, инвертори за домакински уреди, инвертори за вентилатори и инвертори за помпи, е трифазен мост с пълен мост, използващ биполярни транзистори с изолирана врата (IGBT). Предимството на използването на IGBT е тяхната висока блокираща способност, като същевременно се поддържат по-ниски загуби от проводимост в сравнение с MOSFET технологията. Фигура 2 показва топологията, използвана като пример в серията Super Mini DIPIPM™.

Фигура 2: Интегрирана топология в серията Super Mini DIPIPM™

Пазарът на потребителски и индустриални продукти става все по-динамичен. Тенденциите, свързани с технологиите за интелигентен дом и изискванията на Industry 4.0 (IoT), карат дизайнерите да разработват бързо и рентабилно следващото поколение инвертори. Тук трансферните модули на Mitsubishi Electric се отличават на пазара със своите силно интегрирани функции, лекота на внедряване и конкурентни цени. Те позволяват намален размер на инвертора благодарение на компактния форм-фактор на модула и усъвършенствания дизайн на пиновете с добре проектирано разстояние между тях. Освен това, наличните серии модули позволяват проектирането на мащабируема инверторна платформа, тъй като за всяка серия са налични различни номинални токове. Наличните блокиращи напрежения от 600V и 1200V покриват често срещани еднофазни и трифазни приложения. UL-сертифициран изолиран термичен интерфейс с номинално напрежение 2.5kV (1.5kV за модула SP2SK) и ниският термичен импеданс намаляват цената на безопасен за потребителя дизайн, който също така отговаря на по-високите изисквания на индустриалните приложения. Освен това, използването на органичен материал значително намалява механичното напрежение върху модула, тъй като коефициентите на термично разширение са по-добре съчетани в сравнение с керамичните материали. За приложения с висока мощност се използва допълнителен вътрешен радиатор в преносна форма за по-добро разпределение на топлината.

Фигура 3: Вътрешна структура (по часовниковата стрелка): SLIMDIP™, Super Mini DIPIPM™ и Large DIPIPM™

Модулите на Mitsubishi Electric се състоят от шест IGBT транзистора с отделни диоди със свободен поток или шест IGBT транзистора с обратна проводимост (RC-IGBT). За лесно управление на IGBT транзистора са интегрирани една или три интегрални схеми за управление от горната страна, една интегрална схема за управление от долната страна и, в зависимост от серията, три диода за самозареждане с токоограничаващи резистори. Благодарение на интегрираната в HVIC схема за изместване на нивата, трансферните модули на Mitsubishi Electric могат да се захранват от един източник на напрежение 15V и могат да се управляват директно от MCU без необходимост от галванична изолация за управление на превключвателите от горната страна. Всички чипове са монтирани директно върху шасито без необходимост от печатна платка вътре в модула, което осигурява пазарно предимство по отношение на издръжливостта.

IGBT емитерът от долната страна е отворен, което позволява независимо измерване на тока на всяка фаза на двигателя с помощта на сензорни резистори. Благодарение на възможността за независимо откриване на трифазни токове, усъвършенствано управление на машината може да се реализира без сензор за положение в рамките на потребителската контролна структура. Изходните сигнали на токочувствителните резистори се използват и за вътрешна защита от късо съединение, предотвратявайки работата на модула извън зоната, безопасна за късо съединение (SCSOA). Освен това, модулите интегрират температурен изход с линейна зависимост температура-напрежение, което позволява лесно внедряване на мониторинг на състоянието и предлага интегриран динамичен контрол на намаляването на мощността и опционална защита от прегряване.

Всички модули, прехвърлени от Mitsubishi Electric, напускащи производствената линия, се тестват за техните статични и динамични електрически характеристики и преминават през функционален тест с индуктивен товар, което допринася за високото качество на доставяните продукти. Всички резултати се записват в индивидуален тестов протокол в края на производствената линия във фабриката.

Комплекти

Инверторите за двигатели се използват в голямо разнообразие от приложения. Mitsubishi Electric предлага различни пакети, осигуряващи оптимално решение за всяко изискване.

Модулът с най-малък размер е модулът за повърхностен монтаж SP2SK. В допълнение към общите защитни функции на семейството DIPIPM™, интегрираната защита от преминаване на превключватели предотвратява едновременни къси съединения, ако едновременно се активират и високоволтови, и нисковолтови превключватели. Компактният дизайн на този модул, благодарение на RC-IGBT технологията, го прави идеален за еднофазни приложения с ниска консумация на енергия, като например съдомиялни машини или вентилатори.

Ако се стремите към по-висока мощност, корпусът SLIMDIP™ е оптималното решение. Използвайки RC-IGBT технология, той предлага отлична компактност благодарение на технологията си за монтаж през отвор. Адаптирайки се към изискванията на платформени инвертори, използвани в домакински уреди от 0,5 kW до 1,5 kW, и с усъвършенстван дизайн на щепсела, той значително съкращава времето за пускане на пазара.

С корпуса Super Mini DIPIPM™, Mitsubishi Electric зададе стандарта на пазара на трансферни IPM. Той покрива широк диапазон на тока, което позволява прецизен избор на оптималния модул. Интересното е, че в допълнение към избора между силициеви IGBT и силициеви MOSFET модели, се предлагат и два SiC MOSFET модула, базирани на дългогодишния опит на Mitsubishi Electric в силициевия карбид.

Корпусите Mini DIPIPM™, благодарение на по-големия си размер, позволяват още по-добро разсейване на топлината и следователно по-висока мощност. Освен това, по-голямото разстояние между конекторите позволява използването на IGBT транзистори с блокиращо напрежение от 1200V в някои модели.

Корпусът Large DIPIPM™ е предназначен за мощни инвертори, където пространството е ограничено и се предпочита дизайн, базиран на печатна платка. Предлагат се блокиращи напрежения от 600V и 1200V с широк диапазон на тока.

Фигура 4: Схема на DIPIPM+ (ляво) и корпус (дясно)

DIPIPM+™ и Large DIPIPM+™ са сред най-новите решения. Въз основа на опита и експертизата на Mitsubishi Electric, пакетът включва трифазен токоизправител, трифазен пълен мост и опционален спирачен IGBT. Благодарение на превъзходната си интеграция и компактност, този пакет предлага на потребителя най-цялостното решение, съкращавайки процеса на вземане на решения за компонентите и оценката на издръжливостта.