Intelligens teljesítménymodul-koncepció motoros hajtásszabályozókhoz

Intelligens teljesítménymodul koncepció motoros hajtásszabályozókhoz

A fogyasztói és általános ipari alkalmazásokban használt kis AC motoros hajtásszabályozók tervezői egyre növekvő kihívásokkal szembesülnek a hatékonyság, a megbízhatóság, a méret és a költségek tekintetében. Hagyományosan az ilyen kis átalakítók számos terve diszkrét teljesítményáramköröket használ a szükséges segédkomponensekkel együtt, amelyek az interfész, a vezérlés és a védelmi funkciók megvalósításához szükségesek.

Szerző: Philipp Jabs és Muzaffer Albayrak, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen, Németország

Ez a megközelítés viszonylag nagy és összetett NYÁK-terveket igényel, hogy megfeleljen a vezérlők és a diszkrét teljesítményeszközök kombinációjának összes térköz- és elrendezési követelményének. Egy másik, ugyanilyen összetett probléma az állandó teljesítmény és megbízhatóság fenntartása, amikor a vezérlők és a teljesítményeszközök jellemzői nincsenek megfelelően illeszkedve. Ezen problémák alternatív megoldása egy integrált teljesítménymodul használata, amely tartalmazza az összes szükséges teljesítményeszközt a megfelelő kapuvezérlőkkel és védelmi funkciókkal együtt, amelyek alacsony és nagyfeszültségű áramkörökbe (LVIC és HVIC) vannak integrálva. Végül, egy teljesen integrált csomagolt megoldás lehetővé teszi a készletkezelés és az összeszerelési idő csökkentését a különálló megoldásokhoz képest.

Az intelligens teljesítménymodul (IPM) megközelítés sikerére építve a Mitsubishi Electric 1997-ben úttörő szerepet játszott a DIPIPM™ koncepcióban, amely a szabadon álló teljesítmény- és LV/HVIC-k kompakt fogaskerék-kialakítású kialakításán alapult, az optimalizált és állandó megbízhatóság fenntartása érdekében, miközben alacsony modulköltségeket is figyelembe vett.

1. ábra: Jelenlegi DIPIPM kínálat

A közelmúltban a kínálat kibővült az SP2SK felületszerelt modullal és a nagyméretű, nagyáramú modullal. DIPIPM+. A Mitsubishi Electric IPM átviteli formája több tucat watttól több mint 12 kW-ig terjedő teljesítményt kínál, ahogy az az 1. ábrán látható.

Topológia és védelmi funkciók

Jelenleg az alacsonyabb teljesítménytartományú motorhajtás-rendszerek topológiái hasonlóak. A költségek és a megbízhatóság optimalizálása érdekében a felhasznált félvezetők számát a lehető legalacsonyabban kell tartani. A szervohajtások, háztartási gépek inverterei, ventilátor inverterei és szivattyú inverterei szinte minden típusában alkalmazott megoldás egy háromfázisú teljes hídhíd, amely szigetelt kapus bipoláris tranzisztorokat (IGBT) használ. Az IGBT-k használatának előnye a nagy blokkolóképességük, miközben a MOSFET technológiához képest alacsonyabb vezetési veszteségeket biztosítanak. A 2. ábra a Super Mini DIPIPM™ sorozatban példaként használt topológiát mutatja be.

2. ábra: Integrált topológia a Super Mini DIPIPM™ sorozatban

A fogyasztói és ipari termékek piaca egyre dinamikusabbá válik. Az intelligens otthoni technológiákkal kapcsolatos trendek és az Ipar 4.0 (IoT) követelményei arra ösztönzik a tervezőket, hogy gyorsan és költséghatékonyan fejlesszék ki az inverterek következő generációját. Itt a Mitsubishi Electric átviteli moduljai kiemelkednek a piacon a magasan integrált funkcióikkal, a könnyű megvalósításukkal és a versenyképes áraikkal. A kompakt modulformának és a fejlett, jól megtervezett kivezetésekkel rendelkező csatlakozókialakításnak köszönhetően lehetővé teszik az inverter kisebb helyigényét. Továbbá a rendelkezésre álló modulsorozatok lehetővé teszik egy skálázható inverter platform kialakítását, mivel minden sorozathoz eltérő áramerősség érhető el. A rendelkezésre álló 600 V-os és 1200 V-os blokkolófeszültségek lefedik az általános egy- és háromfázisú alkalmazásokat. Az UL-tanúsítvánnyal rendelkező, 2,5 kV-os (az SP2SK modul esetében 1,5 kV) névleges feszültségű, szigetelt hővezető interfész és az alacsony hőimpedancia csökkenti a felhasználóbarát kialakítás költségeit, ami az ipari alkalmazások magasabb követelményeit is kielégíti. Továbbá a szerves anyagok használata jelentősen csökkenti a modul mechanikai terhelését, mivel a hőtágulási együtthatók jobban illeszkednek a kerámia anyagokhoz képest. Nagy teljesítményű alkalmazásokhoz egy további belső, áteresztő hűtőborda kerül felhasználásra a hő jobb elosztása érdekében.

3. ábra: Belső szerkezet (óramutató járásával megegyezően): SLIMDIP™, Super Mini DIPIPM™ és Large DIPIPM™

A Mitsubishi Electric moduljai hat IGBT-ből állnak különálló szabadáramlású diódákkal vagy hat fordított vezetésű IGBT-ből (RC-IGBT). Az egyszerű IGBT-vezérlés érdekében egy vagy három magas oldali vezérlő IC, egy alacsony oldali vezérlő IC, és a sorozattól függően három áramkorlátozó ellenállással ellátott bootstrap dióda van integrálva. A HVIC-be integrált szintváltó áramkörnek köszönhetően a Mitsubishi Electric átviteli moduljai egyetlen 15 V-os feszültségforrásról táplálhatók, és közvetlenül egy MCU vezérelheti őket anélkül, hogy galvanikus leválasztásra lenne szükség a magas oldali kapcsolók vezérléséhez. Minden lapka közvetlenül a házra van szerelve anélkül, hogy a modulon belül nyomtatott áramköri lapra lenne szükség, ami piaci előnyt biztosít a tartósság tekintetében.

Az alacsony oldali IGBT emitter nyitott, lehetővé téve az egyes motorfázisok áramának független mérését érzékelő ellenállások segítségével. A háromfázisú áramok független érzékelésének képességének köszönhetően a fejlett gépvezérlés helyzetérzékelő nélkül is megvalósítható a felhasználó vezérlőstruktúráján belül. Az áramérzékelő ellenállások kimeneti jeleit belső rövidzárlatvédelemre is használják, megakadályozva, hogy a modul a rövidzárlatbiztos területen (SCSOA) kívül működjön. Továbbá a modulok egy lineáris hőmérséklet-feszültség összefüggéssel rendelkező hőmérséklet-kimenetet tartalmaznak, ami lehetővé teszi az állapotfelügyelet egyszerű megvalósítását, valamint integrált dinamikus teljesítménycsökkentési vezérlést és opcionális túlmelegedésvédelmet kínál.

A Mitsubishi Electric által a gyártósorról kikerülő összes modult statikus és dinamikus elektromos jellemzőire tesztelik, és induktív terheléssel funkcionális teszten esnek át, ami hozzájárul a leszállított termékek magas minőségéhez. Minden eredményt egyedi tesztjelentésben rögzítenek a gyártósor végén, a gyárban.

Csomagok

A motorinvertereket számos alkalmazásban használják. A Mitsubishi Electric különféle csomagokat kínál, biztosítva az optimális megoldást minden igényre.

A legkisebb helyigényű modul az SP2SK felületszerelt modul. A DIPIPM™ család közös védelmi funkciói mellett az integrált áteresztőképesség-védelem megakadályozza az egyidejű rövidzárlatokat, ha mind a nagy-, mind az alacsony feszültségű kapcsolók egyidejűleg aktiválódnak. A modul kompakt kialakítása az RC-IGBT technológiának köszönhetően ideálissá teszi alacsony fogyasztású, egyfázisú alkalmazásokhoz, például mosogatógépekhez vagy ventilátorokhoz.

Ha nagyobb teljesítményre törekszik, a SLIMDIP™ csomag az optimális megoldás. Az RC-IGBT technológiát alkalmazva kiváló kompakt kialakítást kínál az átmenő furattechnológiának köszönhetően. Alkalmazkodik a 0,5 kW-tól 1,5 kW-ig terjedő háztartási készülékekben használt platforminverterek követelményeihez, és fejlett csatlakozódizájnnal rendelkezik, így jelentősen lerövidíti a piacra kerülési időt.

A Super Mini DIPIPM™ csomaggal a Mitsubishi Electric mércét állított az átviteli IPM piacon. Széles áramtartományt fed le, lehetővé téve az optimális modul pontos kiválasztását. Érdekes módon a szilícium IGBT és szilícium MOSFET modellek közötti választás mellett két SiC MOSFET modul is elérhető, amelyek a Mitsubishi Electric szilícium-karbid terén szerzett régóta fennálló szakértelmén alapulnak.

A Mini DIPIPM™ csomagok nagyobb méretüknek köszönhetően még jobb hőelvezetést és ezáltal nagyobb teljesítményt tesznek lehetővé. Továbbá a csatlakozók közötti nagyobb távolság lehetővé teszi az IGBT-k használatát 1200 V-os blokkolófeszültséggel egyes modellekben.

A nagy DIPIPM™ tokozást nagy teljesítményű inverterekhez tervezték, ahol korlátozott a hely, és a NYÁK-alapú kialakítás előnyös. 600 V és 1200 V blokkolófeszültségek széles áramtartománnyal állnak rendelkezésre.

4. ábra: DIPIPM+ kapcsolási rajz (balra) és tokozás (jobbra)

A DIPIPM+™ és a nagy DIPIPM+™ a legújabb megoldások közé tartozik. A Mitsubishi Electric tapasztalatára és szakértelmére építve a csomag tartalmaz egy háromfázisú egyenirányítót, egy háromfázisú teljes hidat és egy opcionális fékező IGBT-t. Kiváló integrációjának és kompakt méretének köszönhetően ez a csomag a legátfogóbb megoldást kínálja a felhasználónak, lerövidítve az alkatrészek kiválasztásának és a tartósság értékelésének folyamatát.