Маломощные интегрированные медные модули для высоких требований к интеграции

Маломощные IPM для высоких требований к интеграции

С момента первого появления семейства продуктов DIPIPM™ (интеллектуальные силовые пластиковые модули) в 1997 году эти продукты постоянно совершенствовались и развивались. За эти годы было разработано семь групп продуктов DIPIPM™, каждая из которых имеет различную конструкцию корпуса, а также номинальные значения тока и напряжения.

Авторы: Э. Штумпф, Э. Виснер, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ратинген, Германия; А. Гото, Mitsubishi Electric Corporation, Фукуока, Япония

Введение

Семейство продуктов DIPIPM™ охватывает широкий диапазон номинальных мощностей двигателей до 15 кВт и различных напряжений двигателей. В настоящее время они используются во многих областях применения, таких как сервоприводы и стандартные приводы, системы кондиционирования воздуха, холодильники, вентиляторы и стиральные машины.

Одной из уникальных особенностей этих изделий является высокая степень функциональной интеграции с более широким спектром систем управления и защиты, таких как защита от пониженного напряжения, обнаружение перегрева и защита от короткого замыкания.

По мере роста количества бытовой техники растет и потребность в экономичных и интегрированных решениях. Клиенты хотят внедрять новейшие достижения в области интегральных схем в свою продукцию и как можно быстрее выводить ее на рынок, чтобы получить выгоду от большей эффективности и снижения затрат. Кроме того, эти изделия, характеризующиеся высокой степенью функциональной интеграции, обеспечивают большую надежность по сравнению с дискретными решениями. Линейка продукции SLIMDIP™ — лучший выбор для достижения этих целей клиентов.

Линейка продукции SLIMDIP™ и ее особенности

Линейка продукции SLIMDIP™, представленная в 2015 году [1], в настоящее время пользуется особой популярностью. Таким образом, компания Mitsubishi Electric разрабатывает дополнительные продукты в том же корпусе с дополнительными номинальными токами.

В дополнение к уже представленным моделям SLIMDIP-S (5 А), SLIMDIP-L (15 А — стандартная частота) и SLIMDIP-W (15 А — высокая частота), на рынок выходит еще один продукт. Это модель SLIMDIP-M с номинальным током 10 А для высоких частот переключения. Дополнительные номинальные токи уже находятся в разработке.

Общие характеристики продукции SLIMDIP™ включают:

• Совместимость с интерфейсами управления входным напряжением 5 В и 3 В
• Высокое напряжение изоляции 2000 В среднеквадратичного значения в течение одной минуты
• Встроенная схема бутстрепа с диодами и токоограничивающими резисторами для питания P-стороны
• Встроенная защита от пониженного напряжения
• Расширенная защита от перегрева с дополнительным контролем температуры LVIC
• Встроенная защита от короткого замыкания и перегрузки по току

	Название продукта	Параметры	Скорость переключения
18,8 мм x 32,8 мм	SLIMDIP-S	5 А, 600 В	Быстрый
	SLIMDIP-M	10 А, 600 В	Быстрый
	SLIMDIP-L	15 А, 600 В	Обычный
	SLIMDIP-W	15 А, 600 В	Быстрый
	В разработке	Более высокие номинальные токи

Таблица 1: Линейка продуктов SLIMDIP™ IPM

Для лучшего понимания характеристик каждого устройства на диаграмме на рисунке 1 показана зависимость смоделированного выходного тока от частоты. переключение.

Рисунок 1: Результаты моделирования выходного тока изделий SLIMDIP™

В изделиях SLIMDIP™ используются инвертирующие IGBT второго поколения (RC-IGBT). Эта технология позволяет сделать еще один значительный шаг к высокой степени интеграции, предлагая более компактные и простые решения.

Силовой чип RC-IGBT, используемый в SLIMDIP™ IPM

В RC-IGBT структура IGBT и свободнопроводящий диод интегрированы на одном кристалле. Особенно для устройств с низким током это значительно способствует уменьшению размера корпуса и снижению стоимости системы. Схема расположения проводников проще в реализации, чем традиционная конструкция с отдельными IGBT и диодами [2].

Для RC-IGBT особой проблемой является оптимизация баланса между эффективностью IGBT и диода. С этой целью компания Mitsubishi Electric исследовала различные концепции проектирования для улучшения характеристик восстановления диода и общей эффективности RC-IGBT. На основе этих исследований было представлено второе поколение RC-IGBT.

Компания Mitsubishi Electric использует RC-IGBT второго поколения в своих продуктах SLIMDIP™. Схема структуры RC-IGBT второго поколения показана на рисунке 3 ниже.

RC-IGBT второго поколения улучшил отношение VEC к ERR примерно на 52% без ущерба для эффективности IGBT. Это улучшение было достигнуто благодаря передовой технологии тонких дисков и оптимизированному IGBT-диоду на кристалле с тщательно подобранной структурой диода и коэффициентом диода.

Рисунок 2: Структура устройства RC-IGBT второго поколения

Встроенная защита от перегрева

Ключевой особенностью семейства продуктов SLIMDIP™ является комплексный мониторинг температуры. В дополнение к аппаратному отключению при перегреве (OT), рабочая температура (VOT) может непрерывно контролироваться и реагировать на нее до того, как произойдет аппаратное отключение.

Диапазон отключения при перегреве обычно составляет 130°C. Как только в LVIC достигается эта температура, IPM отключает свои выходы и сообщает микроконтроллеру об ошибке перегрева.

Дополнительный аналоговый мониторинг температуры в LVIC позволяет заблаговременно обнаруживать аномалии охлаждения, такие как отказы вентиляторов или сильное загрязнение. Пользователь IPM имеет различные варианты использования функции мониторинга температуры (VOT). Можно выйти с сообщением об ошибке или изменить схему управления до того, как IPM достигнет уровня отключения из-за перегрева и выходы отключатся.

Целостность питания IPM

Еще одним преимуществом семейства SLIMDIP™ является использование высоковольтных интегральных схем (HVIC) с необходимыми компонентами, такими как бутстрепный диод (BSD) и токоограничивающие резисторы. Стандартный трехфазный инвертор требует четырех изолированных источников питания — трех для P-стороны и одного для N-стороны. Интеграция этих компонентов в микросхему SLIMDIP™ HVIC уменьшает количество источников питания с четырех до одного [3]. Типичная внешняя функциональная изоляция для P-переключателей не требуется, поскольку функциональная изоляция достигается внутри HVIC с помощью сдвига уровня сигнала.

На рисунке 3 показана базовая схема бутстрепного диода.

Рисунок 3: Схема бутстрепного диода

Микросхема LVIC SLIMDIP™ должна питаться соответствующим напряжением 15 В. Это напряжение обеспечивает правильную работу N-переключателей и зарядку P-переключателей. Когда выходной потенциал (U, V, W) падает до GND, ток протекает через бутстрепный диод и заряжает бутстрепный конденсатор. Как только выходное напряжение (U, V, W) возвращается к уровню V_CC, нижняя сторона бутстрепного конденсатора остается подключенной к эмиттеру P-ключа.

Конденсатор разряжает свою энергию, подавая достаточное напряжение на затвор P-ключа для его включения, в то время как бутстрепный диод блокирует эту утечку напряжения.

Все силовые модули SLIMDIP™ оснащены HVIC, бутстрепными диодами и резисторами ограничения пускового тока. Эти встроенные компоненты снижают затраты на сборку и повышают надежность системы во время работы.

Функция защиты от короткого замыкания

Еще одной особенностью устройств SLIMDIP™ является обнаружение тока короткого замыкания (SC) и отключение силового модуля. SLIMDIP™ использует внешний измерительный резистор для обнаружения тока короткого замыкания, как показано на рисунке 4. Схема защиты реализована в LVIC. Напряжение на измерительном резисторе сравнивается с эталонным пороговым напряжением короткого замыкания внутри микросхемы LVIC для обнаружения высокого тока короткого замыкания. Типичный уровень порогового напряжения составляет 0,48 В. Превышение порогового напряжения автоматически активирует функцию защиты. Все управляющие сигналы нижестоящих переключателей прерываются, и генерируется сигнал ошибки. Для предотвращения срабатывания защиты из-за обычных коммутационных помех рекомендуется использовать внешний RC-фильтр. Рекомендуемая постоянная времени для RC-фильтра составляет приблизительно две микросекунды. Кроме того, рекомендуется использовать измерительный резистор и выводную схему с низкой индуктивностью для предотвращения ложных сигналов ошибки.

Рисунок 4: Принцип обнаружения короткого замыкания для силового модуля SLIMDIP™

Краткое описание

Продукция SLIMDIP™ стала мировым стандартом для решений в силовых электронных системах, требующих высокой степени интеграции, производительности и надежности. Силовой модуль SLIMDIP-M с мощностью 10 А и напряжением 600 В был разработан для расширения ассортимента продукции. Разработка SLIMDIP™ IPM с еще более высокой удельной мощностью также началась для удовлетворения будущих требований и продолжения успеха семейства продуктов SLIMDIP™.

Ссылки

[1] S. Shibata, M. Kato и H. Zhang, "Новый SLIMDIP, полученный методом трансферного формования, для бытовой техники с использованием тонкого RC-IGBT со структурой CSTBT™", Материалы PCIM Europe 2015; Международная выставка и конференция по силовой электронике, интеллектуальному движению, возобновляемой энергии и управлению энергией, Нюрнберг, Германия, 2015, стр. 1-6.
[2] Т. Йошида, Т. Такахаши, К. Сузуки и М. Тарутани, «RC-IGBT второго поколения на 600 В с оптимизированным FWD», в 28-м Международном симпозиуме по силовым полупроводниковым приборам и ИС (ISPSD), Прага, Чешская Республика, 2016, стр. 159–162.
[3] Mitsubishi Electric, Руководство по проектированию схем самоподкачки. [Онлайн]. Доступно по адресу: https://www.mitsubishielectric.com/semiconductors/files/manuals/dipipm_bootstrap_circuit_e.pdf (дата обращения: февраль 2021 г.).