Концепція інтелектуального силового модуля для інверторів двигуна

Концепція інтелектуального модуля живлення для перетворювачів приводів двигунів

Розробники невеликих перетворювачів приводів двигунів змінного струму, що використовуються в споживчих та загальних промислових застосуваннях, стикаються зі зростаючими проблемами, пов'язаними з ефективністю, надійністю, розміром та вартістю. Традиційно багато конструкцій для таких невеликих перетворювачів використовують дискретні схеми живлення разом з необхідними допоміжними компонентами, необхідними для реалізації функцій інтерфейсу, керування та захисту.

Автор: Філіп Ябс та Музаффер Альбайрак, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ратінген, Німеччина

Цей підхід вимагає відносно великих та складних конструкцій друкованих плат, щоб задовольнити всі вимоги щодо розміщення та компонування для комбінації контролерів та дискретних силових пристроїв. Ще однією не менш складною проблемою є підтримка стабільної продуктивності та надійності, коли характеристики контролерів та силових пристроїв не узгоджені належним чином. Альтернативним рішенням цих проблем є використання інтегрованого модуля живлення, який містить усі необхідні силові пристрої разом із відповідними драйверами затворів та функціями захисту, інтегрованими в низьковольтні та високовольтні схеми (LVIC та HVIC). Зрештою, повністю інтегроване пакетне рішення дозволяє скоротити час обробки запасів та складання порівняно з дискретним рішенням.

Спираючись на успіх підходу «Інтелектуальний силовий модуль» (IPM), Mitsubishi Electric у 1997 році започаткувала концепцію DIPIPM™, яка базується на складанні відкритих силових та низьковольтних/високовольтних перетворювачів напруги з використанням компактної конструкції з шестернями для підтримки оптимізованої та стабільної надійності, одночасно забезпечуючи низькі витрати на модулі.

Рисунок 1: Поточна пропозиція DIPIPM

Нещодавно пропозиція була розширена, включивши модуль поверхневого монтажу SP2SK та великий модуль високого струму DIPIPM+. Форма передачі IPM від Mitsubishi Electric пропонує потужність від кількох десятків ват до понад 12 кВт, як показано на рисунку 1.

Топологія та функції захисту

Наразі топології систем приводу двигунів у нижньому діапазоні потужності схожі. Для оптимізації вартості та надійності кількість використовуваних напівпровідників слід зводити до мінімуму. Рішення, яке використовується майже у всіх типах сервоприводів, інверторів побутової техніки, інверторів вентиляторів та інверторів насосів, - це трифазний повний мостовий міст з використанням біполярних транзисторів з ізольованим затвором (IGBT). Перевагою використання IGBT є їхня висока блокувальна здатність при збереженні менших втрат провідності порівняно з технологією MOSFET. На рисунку 2 показано топологію, використану як приклад у серії Super Mini DIPIPM™.

Рисунок 2: Інтегрована топологія в серії Super Mini DIPIPM™

Ринок споживчої та промислової продукції стає все більш динамічним. Тенденції, пов'язані з технологіями розумного дому та вимогами Індустрії 4.0 (IoT), спонукають розробників швидко та економічно ефективно розробляти інвертори наступного покоління. Тут передавальні модулі Mitsubishi Electric вирізняються на ринку своїми високоінтегрованими функціями, простотою впровадження та конкурентними цінами. Вони дозволяють зменшити розмір інвертора завдяки компактному форм-фактору модуля та вдосконаленій конструкції контактів з добре продуманим відстанню між ними. Крім того, доступні серії модулів дозволяють розробляти масштабовану інверторну платформу, оскільки для кожної серії доступні різні номінальні струми. Доступні блокувальні напруги 600 В та 1200 В охоплюють поширені одно- та трифазні застосування. Сертифікований UL ізольований термоінтерфейс на 2,5 кВ (1,5 кВ для модуля SP2SK) та низький тепловий імпеданс знижують вартість безпечної для користувача конструкції, що також відповідає високим вимогам промислового застосування. Крім того, використання органічного матеріалу значно зменшує механічне навантаження на модуль, оскільки коефіцієнти теплового розширення краще узгоджені порівняно з керамічними матеріалами. Для застосувань з високою потужністю використовується додатковий внутрішній радіатор у формі переносу для кращого розподілу тепла.

Рисунок 3: Внутрішня структура (за годинниковою стрілкою): SLIMDIP™, Super Mini DIPIPM™ та Large DIPIPM™

Модулі Mitsubishi Electric складаються з шести IGBT з окремими діодами вільного потоку або шести IGBT зворотної провідності (RC-IGBT). Для зручного керування IGBT інтегровано одну або три мікросхеми керування високої сторони, одну мікросхему керування низької сторони та, залежно від серії, три бутстреп-діоди зі струмообмежувальними резисторами. Завдяки схемі зсуву рівнів, інтегрованій у HVIC, модулі передачі Mitsubishi Electric можуть живитися від одного джерела напруги 15 В та безпосередньо керуватися мікроконтролером без необхідності гальванічної розв'язки для керування перемикачами високої сторони. Усі кристали встановлені безпосередньо на шасі без необхідності друкованої плати всередині модуля, що забезпечує ринкову перевагу з точки зору довговічності.

Випромінювач IGBT низької сторони є відкритим, що дозволяє незалежно вимірювати струм кожної фази двигуна за допомогою сенсорних резисторів. Завдяки можливості незалежно виявляти трифазні струми, розширене керування машиною може бути реалізовано без датчика положення в структурі керування користувача. Вихідні сигнали сенсорних резисторів струму також використовуються для внутрішнього захисту від короткого замикання, запобігаючи роботі модуля поза зоною безпечного короткого замикання (SCSOA). Крім того, модулі інтегрують температурний вихід з лінійною залежністю температура-напруга, що дозволяє легко впроваджувати моніторинг стану та пропонує інтегрований динамічний контроль зниження номінальної потужності та додатковий захист від перегріву.

Усі модулі, що передаються від Mitsubishi Electric, що залишають виробничу лінію, проходять тестування на статичні та динамічні електричні характеристики, а також функціональне випробування з індуктивним навантаженням, що сприяє високій якості продукції, що постачається. Всі результати записуються в окремому звіті про випробування в кінці виробничої лінії на заводі.

Комплектації

Інвертори двигунів використовуються в широкому спектрі застосувань. Mitsubishi Electric пропонує різні комплектації, що забезпечують оптимальне рішення для будь-яких потреб.

Модуль з найменшим розміром - це модуль поверхневого монтажу SP2SK. На додаток до загальних функцій захисту сімейства DIPIPM™, інтегрований захист від прострілу рукоятки запобігає одночасним коротким замиканням, якщо одночасно активуються як високовольтні, так і низьковольтні перемикачі. Компактний дизайн цього модуля, завдяки технології RC-IGBT, робить його ідеальним для малопотужних однофазних застосувань, таких як посудомийні машини або вентилятори.

Якщо ви прагнете більшої потужності, корпус SLIMDIP™ є оптимальним рішенням. Використовуючи технологію RC-IGBT, він пропонує чудову компактність завдяки технології наскрізного монтажу. Адаптуючись до вимог платформних інверторів, що використовуються в побутових приладах потужністю від 0,5 кВт до 1,5 кВт, та завдяки вдосконаленій конструкції штекера, він значно скорочує час виходу на ринок.

Завдяки корпусу Super Mini DIPIPM™, Mitsubishi Electric встановила стандарт на ринку передавальних IPM. Він охоплює широкий діапазон струмів, що дозволяє точно вибрати оптимальний модуль. Цікаво, що на додаток до вибору між моделями кремнієвих IGBT та кремнієвих MOSFET, доступні два модулі SiC MOSFET, засновані на багаторічному досвіді Mitsubishi Electric у карбіді кремнію.

Корпуси Mini DIPIPM™, завдяки своєму більшому розміру, забезпечують ще краще розсіювання тепла і, отже, вищу потужність. Крім того, більша відстань між роз'ємами дозволяє використовувати IGBT з блокувальною напругою 1200 В у деяких моделях.

Корпус DIPIPM™ великого розміру розроблений для потужних інверторів, де обмежений простір і перевага надається конструкції на основі друкованої плати. Пропонуються блокувальні напруги 600 В та 1200 В з широким діапазоном струмів.

Рисунок 4: Схема DIPIPM+ (ліворуч) та корпус (праворуч)

DIPIPM+™ та DIPIPM+™ великого розміру є одними з найновіших рішень. Спираючись на досвід та знання Mitsubishi Electric, пакет включає трифазний випрямляч, трифазний повний міст та додатковий гальмівний IGBT. Завдяки чудовій інтеграції та компактності цей пакет пропонує користувачеві найповніше рішення, скорочуючи процес прийняття рішень щодо компонентів та оцінки довговічності.