Pažangios galios modulio koncepcija variklių pavaros keitikliams

Pažangios galios modulio koncepcija variklių pavaros keitikliams

Mažų kintamosios srovės variklių pavaros keitiklių, naudojamų vartotojams ir bendrose pramonės srityse, projektuotojai susiduria su vis didėjančiais iššūkiais, susijusiais su efektyvumu, patikimumu, dydžiu ir kaina. Tradiciškai daugelyje tokių mažų keitiklių konstrukcijų naudojamos atskiros galios grandinės kartu su būtinais pagalbiniais komponentais, reikalingais sąsajos, valdymo ir apsaugos funkcijoms įgyvendinti.

Autorius: Philipp Jabs ir Muzaffer Albayrak, „Mitsubishi Electric Europe B.V.“, Ratingenas, Vokietija

Šiam metodui reikalingi gana dideli ir sudėtingi PCB projektai, kad būtų patenkinti visi valdiklių ir atskirų galios įrenginių derinio tarpų ir išdėstymo reikalavimai. Kita ne mažiau sudėtinga problema yra išlaikyti nuoseklų našumą ir patikimumą, kai valdiklių ir galios įrenginių charakteristikos nėra tinkamai suderintos. Alternatyvus šių problemų sprendimas – naudoti integruotą galios modulį, kuriame yra visi reikalingi galios įrenginiai kartu su atitinkamais vartų valdikliais ir apsaugos funkcijomis, integruotomis į žemos ir aukštos įtampos grandines (LVIC ir HVIC). Galiausiai, visiškai integruotas supakuotas sprendimas leidžia sumažinti atsargų tvarkymo ir surinkimo laiką, palyginti su atskiru sprendimu.

Remdamasi sėkmingu išmaniojo maitinimo modulio (IPM) metodu, „Mitsubishi Electric“ 1997 m. pirmoji sukūrė DIPIPM™ koncepciją, pagrįstą atvirų maitinimo ir LV/HVIC surinkimu naudojant kompaktišką pavaros formos faktorių, siekiant išlaikyti optimizuotą ir nuoseklų patikimumą, kartu užtikrinant mažas modulių sąnaudas.

1 pav. Dabartinis DIPIPM pasiūlymas

Neseniai pasiūlymas buvo išplėstas, įtraukiant SP2SK paviršinio montavimo modulį ir didelį didelės srovės modulį DIPIPM+. „Mitsubishi Electric“ IPM perdavimo forma siūlo galią nuo kelių dešimčių vatų iki daugiau nei 12 kW, kaip parodyta 1 paveiksle.

Topologija ir apsaugos funkcijos

Šiuo metu variklių pavaros sistemų topologijos mažesnės galios diapazone yra panašios. Siekiant optimizuoti sąnaudas ir patikimumą, naudojamų puslaidininkių skaičius turėtų būti kuo mažesnis. Beveik visų tipų servo pavarose, buitinių prietaisų keitikliuose, ventiliatorių keitikliuose ir siurblių keitikliuose naudojamas sprendimas yra trifazis pilno tilto tiltas, naudojant izoliuotus užtūros bipolinius tranzistorius (IGBT). IGBT naudojimo privalumas yra jų didelė blokavimo galia, išlaikant mažesnius laidumo nuostolius, palyginti su MOSFET technologija. 2 paveiksle parodyta topologija, naudojama kaip pavyzdys „Super Mini DIPIPM™“ serijoje.

2 paveikslas: Integruota topologija „Super Mini DIPIPM™“ serijoje

Vartotojų ir pramonės produktų rinka tampa vis dinamiškesnė. Išmaniųjų namų technologijų tendencijos ir „Industry 4.0“ (IoT) reikalavimai skatina dizainerius greitai ir ekonomiškai kurti naujos kartos keitiklius. Čia „Mitsubishi Electric“ perdavimo moduliai išsiskiria rinkoje savo labai integruotomis funkcijomis, lengvu diegimu ir konkurencingomis kainomis. Dėl kompaktiško modulio formos faktoriaus ir pažangaus kontaktų dizaino su gerai suprojektuotais tarpais jie leidžia sumažinti keitiklio užimamą vietą. Be to, prieinamos modulių serijos leidžia sukurti keičiamo dydžio keitiklių platformą, nes kiekvienai serijai galimi skirtingi srovės vardiniai parametrai. Galimos 600 V ir 1200 V blokavimo įtampos apima įprastas vienfazes ir trifazes sistemas. UL sertifikuota izoliuota šiluminė sąsaja, kurios vardinė įtampa yra 2,5 kV (1,5 kV SP2SK moduliui), ir maža šiluminė varža sumažina saugaus naudotojui dizaino kainą, o tai taip pat atitinka aukštesnius pramoninių taikymų reikalavimus. Be to, organinių medžiagų naudojimas žymiai sumažina mechaninį modulio įtempį, nes šiluminio plėtimosi koeficientai yra geriau suderinti, palyginti su keraminėmis medžiagomis. Didelės galios taikymams naudojamas papildomas vidinis radiatorius perdavimo forma, kad šiluma būtų geriau paskirstyta.

3 pav. Vidinė struktūra (pagal laikrodžio rodyklę): SLIMDIP™, Super Mini DIPIPM™ ir Large DIPIPM™

„Mitsubishi Electric“ modulius sudaro šeši IGBT su atskirais laisvojo srauto diodais arba šeši atvirkštinio laidumo IGBT (RC-IGBT). Kad IGBT būtų lengva valdyti, integruoti vienas arba trys aukštos pusės valdymo integriniai grandynai, vienas žemos pusės valdymo integrinis grandynas ir, priklausomai nuo serijos, trys įkrovos diodai su srovės ribojimo rezistoriais. Dėl HVIC integruotos lygio keitimo grandinės „Mitsubishi Electric“ perdavimo moduliai gali būti maitinami vienu 15 V įtampos šaltiniu ir gali būti tiesiogiai valdomi MCU, nereikalaujant galvaninės izoliacijos aukštosios pusės jungikliams valdyti. Visos kristalinės plokštės yra tiesiogiai sumontuotos ant korpuso, nereikia spausdintinės plokštės modulio viduje, todėl tai suteikia rinkos pranašumą patvarumo požiūriu.

Žemosios pusės IGBT emiteris yra atviras, todėl galima nepriklausomai matuoti kiekvienos variklio fazės srovę naudojant jutiklinius rezistorius. Dėl galimybės nepriklausomai aptikti trijų fazių sroves, pažangų mašinos valdymą galima įdiegti be padėties jutiklio vartotojo valdymo struktūroje. Srovės jutimo rezistorių išėjimo signalai taip pat naudojami vidinei trumpojo jungimo apsaugai, neleidžiant moduliui veikti už trumpojo jungimo saugios zonos (SCSOA) ribų. Be to, moduliai integruoja temperatūros išvestį su tiesiniu temperatūros ir įtampos santykiu, todėl lengva įdiegti būklės stebėjimą ir siūlo integruotą dinaminio galios mažinimo valdymą bei pasirenkamą apsaugą nuo perkaitimo.

Visi moduliai, perkelti iš „Mitsubishi Electric“ iš gamybos linijos, yra išbandomi dėl jų statinių ir dinaminių elektrinių charakteristikų ir atliekami funkciniai bandymai su indukcine apkrova, o tai prisideda prie aukštos pristatomų produktų kokybės. Visi rezultatai įrašomi į atskirą bandymų ataskaitą gamybos linijos pabaigoje gamykloje.

Paketai

Variklio keitikliai naudojami įvairiose srityse. „Mitsubishi Electric“ siūlo įvairius paketus, užtikrinančius optimalų sprendimą kiekvienam reikalavimui.

Mažiausias modulis yra SP2SK paviršinio montavimo modulis. Be įprastų DIPIPM™ šeimos apsaugos funkcijų, integruota apsauga nuo pramušimo apsaugo nuo vienalaikių trumpųjų jungimų, jei vienu metu įjungiami ir aukštos, ir žemos įtampos jungikliai. Dėl kompaktiško šio modulio dizaino, naudojant RC-IGBT technologiją, jis idealiai tinka mažos galios, vienfazėms reikmėms, tokioms kaip indaplovės ar ventiliatoriai.

Jei siekiate didesnės galios, SLIMDIP™ korpusas yra optimalus sprendimas. Naudodama RC-IGBT technologiją, ji pasižymi puikiu kompaktiškumu dėl skylinės technologijos. Prisitaikydamas prie buitiniuose prietaisuose naudojamų platforminių keitiklių reikalavimų nuo 0,5 kW iki 1,5 kW ir pasižymėdamas pažangiu kištuko dizainu, jis žymiai sutrumpina pateikimo į rinką laiką.

Su „Super Mini DIPIPM™“ korpusu „Mitsubishi Electric“ nustatė standartą perdavimo IPM rinkoje. Jis apima platų srovės diapazoną, leidžiantį tiksliai pasirinkti optimalų modulį. Įdomu tai, kad be pasirinkimo tarp silicio IGBT ir silicio MOSFET modelių, yra du SiC MOSFET moduliai, pagrįsti ilgamete „Mitsubishi Electric“ patirtimi silicio karbido srityje.

Dėl didesnio dydžio „Mini DIPIPM™“ korpusai leidžia dar geriau išsklaidyti šilumą ir todėl pasiekti didesnę galią. Be to, didesnis atstumas tarp jungčių leidžia kai kuriuose modeliuose naudoti IGBT su 1200 V blokavimo įtampa.

„Large DIPIPM™“ korpusas skirtas didelės galios keitikliams, kuriuose yra ribota erdvė ir pirmenybė teikiama PCB pagrindu sukurtai konstrukcijai. Siūlomos 600 V ir 1200 V blokavimo įtampos su plačiu srovės diapazonu.

4 pav.: DIPIPM+ schema (kairėje) ir korpusas (dešinėje)

„DIPIPM+™“ ir „Large DIPIPM+™“ yra vieni iš naujausių sprendimų. Remiantis „Mitsubishi Electric“ patirtimi ir kompetencija, paketą sudaro trifazis lygintuvas, trifazis tiltinis tranzistorius ir pasirenkamas stabdžių IGBT. Dėl puikios integracijos ir kompaktiškumo šis paketas vartotojui siūlo išsamiausią sprendimą, sutrumpinant komponentų pasirinkimo procesą ir ilgaamžiškumo vertinimą.