Conceptul de modul inteligent de putere pentru invertoare de acționare a motorului

Concept de modul inteligent de putere pentru convertoarele de acționare a motorului

Proiectanții de convertoare de acționare a motorului de curent alternativ de mici dimensiuni, utilizate în aplicații industriale generale și de consum, se confruntă cu provocări tot mai mari legate de eficiență, fiabilitate, dimensiune și cost. În mod tradițional, multe modele pentru astfel de convertoare mici utilizează circuite de putere discrete împreună cu componentele auxiliare necesare pentru a implementa funcții de interfață, control și protecție.

Autor: Philipp Jabs și Muzaffer Albayrak, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen, Germania

Această abordare necesită modele PCB relativ mari și complexe pentru a îndeplini toate cerințele de spațiere și amplasare pentru combinarea controlerelor și a dispozitivelor de putere discrete. O altă problemă la fel de complexă este menținerea performanței și fiabilității constante atunci când caracteristicile controlerelor și dispozitivelor de putere nu sunt potrivite corespunzător. O soluție alternativă la aceste probleme este utilizarea unui modul de putere integrat care conține toate dispozitivele de putere necesare, împreună cu drivere de poartă și funcții de protecție integrate în circuite de joasă tensiune și înaltă tensiune (LVIC și HVIC). În cele din urmă, o soluție complet integrată permite reducerea timpului de gestionare a stocurilor și a asamblare în comparație cu o soluție discretă.

Bazându-se pe succesul abordării Modulului Inteligent de Putere (IPM), Mitsubishi Electric a fost pionier în conceptul DIPIPM™ în 1997, bazat pe asamblarea sistemelor de putere expuse și a sistemelor de joasă tensiune/încărcare rapidă (HVIC), utilizând un design compact al angrenajului pentru a menține o fiabilitate optimizată și consistentă, abordând în același timp costurile reduse ale modulelor.

Figura 1: Oferta actuală DIPIPM

Recent, oferta a fost extinsă pentru a include modulul de montare la suprafață SP2SK și modulul mare de curent înalt. DIPIPM+. Forma de transfer IPM de la Mitsubishi Electric oferă puteri de la câteva zeci de wați până la peste 12 kW, așa cum se arată în Figura 1.

Topologie și funcții de protecție

În prezent, topologiile sistemelor de acționare a motorului din intervalul de putere mai mic sunt similare. Pentru a optimiza costurile și fiabilitatea, numărul de semiconductori utilizați ar trebui menținut cât mai mic posibil. Soluția utilizată în aproape toate tipurile de servomotoare, invertoare pentru electrocasnice, invertoare pentru ventilatoare și invertoare pentru pompe este o punte trifazată completă care utilizează tranzistoare bipolare cu poartă izolată (IGBT). Avantajul utilizării IGBT este capacitatea lor mare de blocare, menținând în același timp pierderi de conducție mai mici în comparație cu tehnologia MOSFET. Figura 2 prezintă topologia utilizată ca exemplu în seria Super Mini DIPIPM™.

Figura 2: Topologie integrată în seria Super Mini DIPIPM™

Piața produselor de consum și industriale devine din ce în ce mai dinamică. Tendințele legate de tehnologiile pentru case inteligente și cerințele Industriei 4.0 (IoT) îi determină pe proiectanți să dezvolte rapid și rentabil următoarea generație de invertoare. Aici, modulele de transfer Mitsubishi Electric se disting pe piață prin funcțiile lor extrem de integrate, ușurința de implementare și prețurile competitive. Acestea permit o amprentă redusă a invertorului datorită unui factor de formă compact al modulului și unui design avansat al pinilor cu o spațiere bine concepută. În plus, seriile de module disponibile permit proiectarea unei platforme scalabile de invertoare, deoarece sunt disponibile valori nominale diferite de curent pentru fiecare serie. Tensiunile de blocare disponibile de 600V și 1200V acoperă aplicațiile comune monofazate și trifazate. O interfață termică izolată certificată UL, cu o putere nominală de 2,5kV (1,5kV pentru modulul SP2SK) și o impedanță termică scăzută reduc costul unui design sigur pentru utilizator, care răspunde și cerințelor mai ridicate ale aplicațiilor industriale. În plus, utilizarea materialelor organice reduce semnificativ stresul mecanic asupra modulului, deoarece coeficienții de dilatare termică sunt mai bine adaptați în comparație cu materialele ceramice. Pentru aplicații de putere mare, se utilizează un radiator intern suplimentar sub formă de transfer pentru o mai bună distribuire a căldurii.

Figura 3: Structură internă (în sensul acelor de ceasornic): SLIMDIP™, Super Mini DIPIPM™ și DIPIPM™ mare

Modulele Mitsubishi Electric constau din șase IGBT-uri cu diode separate cu flux liber sau șase IGBT-uri cu conducție inversă (RC-IGBT). Pentru un control IGBT ușor, sunt integrate unul sau trei circuite integrate de control high-side, un circuit integrat de control low-side și, în funcție de serie, trei diode bootstrap cu rezistențe de limitare a curentului. Datorită circuitului de schimbare a nivelului integrat în HVIC, modulele de transfer Mitsubishi Electric pot fi alimentate de o singură sursă de tensiune de 15V și pot fi controlate direct de un MCU fără a fi nevoie de izolare galvanică pentru a controla comutatoarele de înaltă tensiune. Toate matrițele sunt montate direct pe șasiu fără a fi nevoie de o placă de circuit imprimat în interiorul modulului, oferind un avantaj pe piață în ceea ce privește durabilitatea.

Emițătorul IGBT de joasă tensiune este deschis, permițând măsurarea independentă a curentului fiecărei faze a motorului folosind rezistențe de detectare. Datorită capacității de a detecta independent curenții trifazați, controlul avansat al mașinii poate fi implementat fără un senzor de poziție în structura de control a utilizatorului. Semnalele de ieșire ale rezistențelor de detectare a curentului sunt utilizate și pentru protecția internă la scurtcircuit, împiedicând modulul să funcționeze în afara zonei de siguranță la scurtcircuit (SCSOA). În plus, modulele integrează o ieșire de temperatură cu o relație liniară temperatură-tensiune, permițând implementarea ușoară a monitorizării stării și oferind un control dinamic integrat al deprecierii și o protecție opțională la supraîncălzire.

Toate modulele transferate de Mitsubishi Electric care părăsesc linia de producție sunt testate pentru caracteristicile lor electrice statice și dinamice și sunt supuse unui test funcțional cu o sarcină inductivă, contribuind la calitatea înaltă a produselor livrate. Toate rezultatele sunt înregistrate într-un raport de testare individual la sfârșitul liniei de producție din fabrică.

Pachete

Invertoarele de motor sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații. Mitsubishi Electric oferă diverse pachete, asigurând soluția optimă pentru fiecare cerință.

Modulul cu cea mai mică amprentă este modulul de montare aparentă SP2SK. Pe lângă caracteristicile comune de protecție ale familiei DIPIPM™, protecția integrată împotriva trecerii prin braț previne scurtcircuitele simultane dacă ambele comutatoare de înaltă și joasă tensiune sunt activate simultan. Designul compact al acestui modul, datorită tehnologiei RC-IGBT, îl face ideal pentru aplicații monofazate de putere redusă, cum ar fi mașinile de spălat vase sau ventilatoarele.

Dacă vizați o putere mai mare, pachetul SLIMDIP™ este soluția optimă. Utilizând tehnologia RC-IGBT, oferă o compactitate excelentă datorită tehnologiei sale through-hole. Adaptându-se la cerințele invertoarelor platformă utilizate în electrocasnicele de la 0,5 kW la 1,5 kW și având un design avansat al mufei, scurtează semnificativ timpul de lansare pe piață.

Cu pachetul Super Mini DIPIPM™, Mitsubishi Electric a stabilit standardul pe piața IPM de transfer. Acesta acoperă o gamă largă de curent, permițând selectarea precisă a modulului optim. Interesant este că, pe lângă alegerea între modelele IGBT din siliciu și MOSFET din siliciu, sunt disponibile două module MOSFET SiC, bazate pe expertiza îndelungată a Mitsubishi Electric în domeniul carburii de siliciu.

Pachetele Mini DIPIPM™, datorită dimensiunilor lor mai mari, permit o disipare și mai bună a căldurii și, prin urmare, o putere mai mare. În plus, distanța mai mare dintre conectori permite utilizarea IGBT-urilor cu o tensiune de blocare de 1200V la unele modele.

Pachetul DIPIPM™ mare este conceput pentru invertoare de mare putere unde spațiul este limitat și se preferă un design bazat pe PCB. Tensiunile de blocare de 600V și 1200V sunt oferite cu o gamă largă de curent.

Figura 4: Schema DIPIPM+ (stânga) și pachet (dreapta)

DIPIPM+™ și DIPIPM+™ mare se numără printre cele mai recente soluții. Bazându-se pe experiența și expertiza Mitsubishi Electric, pachetul include un redresor trifazat, o punte completă trifazată și un IGBT de frână opțional. Datorită integrării superioare și compactității, acest pachet oferă utilizatorului cea mai cuprinzătoare soluție, scurtând procesul de luare a deciziilor privind componentele și evaluarea durabilității.