Уменьшение стоимости инверторов мощностью более 75 кВт путем интеграции токоизмерительных шунтов в силовые модули

27 декабря 2019

управление питаниемуправление двигателемответственные примененияInfineonстатьядискретные полупроводники

Клаус Фогель, Майкл Гадерманн, Андреас Шмаль, Кристоф Урбан (Infineon Technologies)

Компания Infineon при использовании силовых модулей со встроенными токоизмерительными резисторами вместо датчиков Холла в инверторах мощностью более 75 кВт добилась снижения стоимости инвертора на 50 евро, повысила его КПД и увеличила надежность за счет исключения большинства компонентов обвязки.

Уменьшить стоимость, повысить удельную мощность и увеличить срок службы – эти три вопроса всегда будут главными при разработке инверторов нового поколения. Как известно, улучшить характеристики устройств силовой электроники можно с помощью современной элементной базы, ведь IGBT, диоды и технологии их межблочных соединений с каждым годом становятся все качественней. Однако для инверторов мощностью более 75 кВт не так давно появился еще один способ их удешевления – замена датчиков на основе эффекта Холла, измеряющих переменный ток на выходных шинах, на резистивные шунты, интегрированные в силовые модули. Реализация такого подхода стала возможной благодаря появлению новых сигма-дельта-модуляторов, способных работать при малых входных напряжениях. В статье рассмотрены основные вопросы, возникающие при выборе этой технологии, а также – насколько использование резистивных шунтов может упростить конструкцию, улучшить характеристики и уменьшить стоимость инверторов мощностью более 75 кВт.

Анализ существующих методов измерения тока

Измерение тока необходимо для обеспечения основных функций инвертора: управления скоростью и вращающим моментом подключенных двигателей, обнаружения перегрузки по току и коротких замыканий выхода. Способ измерения тока зависит от множества факторов, в числе которых – уровень выходной мощности, целевое назначение инвертора, требуемая точность измерений, а также величина объема, доступного для установки датчиков. Рассмотрим основные способы измерения тока, используемые на сегодняшний день.

Резистивные шунты

Основным преимуществами резистивных шунтов являются низкая стоимость и высокая точность. Однако при возрастании тока на измерительных резисторах выделяется значительная мощность, что снижает КПД инвертора и требует дополнительных мер для их охлаждения. При небольших токах измерительные шунты могут располагаться на печатной плате, однако по мере роста выходной мощности инвертора печатная плата уже не способна рассеять столь большое количество тепла, что требует поиска другого места для их установки. Одним из вариантов решения этой проблемы является размещение их непосредственно в силовых модулях. В этом случае малое тепловое сопротивление между телом шунта и наличие охлаждения обеспечивает наилучшие условия для их работы. Поэтому не зря компания Infineon, выпускающая силовые модули с интегрированными шунтами более 13 лет, применила именно этот способ измерения тока в своих разработках.

Измерение напряжения на токоизмерительных шунтах обычно производится с помощью комплекта дельта-сигма-преобразователей – модулятора и демодулятора. В качестве модуляторов обычно используются специализированные микросхемы, обеспечивающие, кроме всего прочего, и надежную электрическую изоляцию схемы управления от токоведущей шины. А вот демодуляция полученного сигнала может быть выполнена различными способами. Одним из вариантов является использование специализированных микросхем (рисунок 1а) с передачей информации в центральный контроллер по одному из стандартных интерфейсов, например, SPI, однако этот метод требует увеличения как общего количества компонентов, так и размера печатной платы. Более интересным решением является использование специализированных микроконтроллеров с интегрированным модулем демодулятора, например, XMC4400 (рисунок 1б). Кроме упрощения системы, такой подход обеспечивает также и большую гибкость в обработке сигналов, поскольку ядро микроконтроллера имеет расширенный доступ к результатам измерений, что позволяет использовать алгоритмы обработки, наилучшим образом подходящие для конкретного приложения.

Рис. 1. Измерение тока с помощью специализированного дельта-сигма-демодулятора (а) и специализированного микроконтроллера XMC4400 (б)

Рис. 1. Измерение тока с помощью специализированного дельта-сигма-демодулятора (а) и специализированного микроконтроллера XMC4400 (б)

Использование дельта-сигма-модуляции позволяет значительно повысить помехозащищенность измерительного канала, ведь цифровые методы связи меньше чувствительны к помехам. Кроме этого, система становится также проще и дешевле, поскольку передача цифрового сигнала не требует использования специализированных кабелей и разъемов, необходимых для передачи аналоговых сигналов, генерируемых датчиками Холла.

При использовании шунтов, интегрированных внутрь силовых модулей, общая длина передачи аналогового сигнала значительно меньше, чем при использовании датчиков Холла. При таком подходе дельта-сигма-модулятор обычно находится на печатной плате, располагаемой в верхней части силового модуля и подключается к шунту с помощью контактов Press FIT (о чем будет сказано ниже и показано на рисунке 5).

Еще одним преимуществом дельта-сигма-модуляции является возможность найти наилучший для данного приложения компромисс между временем отклика и точностью измерений. Причем при необходимости могут быть реализованы одновременно несколько вариантов обработки сигналов, ведь современные микроконтроллеры могут быть многоканальными и работать с несколькими параллельными цифровыми потоками.

Так, например, контроллер XMC4400 может обрабатывать информацию, поступающую по двум каналам одновременно, что позволяет на основе данной микросхемы создать систему с разной реакцией на разные события (рисунок 2). Для ситуаций, при которых важна скорость принятия решения, например, для защиты от перегрузки по току и коротких замыканий, используется цифровой фильтр с малым временем отклика, ведь в данном случае точность измерений не столь важна. А вот для оптимизации режимов работы системы уже используется цифровой фильтр с большей задержкой, обеспечивающий более точное измерение выходного тока. Обратите внимание, что для обоих контуров управления используется один и тот же первичный цифровой поток, создаваемый дельта-сигма-модулятором.

Рис. 2. Двухконтурная система измерения тока с использованием дельта-сигма-модуляции

Рис. 2. Двухконтурная система измерения тока с использованием дельта-сигма-модуляции

Еще одним преимуществом подобных систем является некритичность к напряжению питания. В большинстве случаев дельта-сигма-модулятору требуется однополярное напряжение величиной около 5 B. При этом он потребляет ток, не превышающий 20 мА. Это означает, что для измерения выходных токов трехфазного инвертора необходимо всего лишь 0,3 Вт мощности, что или соизмеримо, или намного меньше, чем при использовании датчиков Холла (в зависимости от их типа). Кроме этого, узлы, расположенные на высоковольтной стороне дельта-сигма-модулятора можно питать с помощью изолированных преобразователей, использующих тот же источник, что и для питания остальных компонентов схемы управления.

Датчики на основе эффекта Холла

Дельта-сигма-модуляторы предыдущих поколений могли работать с уровнями сигналов, начинающимися с 250 мВ, поэтому для измерений приходилось использовать шунты с относительно высоким сопротивлением, а это приводило к увеличению количества тепла, выделяемого в системе. Начиная с некоторого уровня выходной мощности, обычно 75 кВт, потери на измерительных резисторах начинали вносить ощутимый вклад в КПД инвертора, что ограничивало их использование. В этом случае выходной ток измерялся датчиками на основе эффекта Холла, располагаемыми вокруг силовых шин (рисунок 3).

Рис. 3. Измерение тока с помощью датчика Холла

Рис. 3. Измерение тока с помощью датчика Холла

Ключевыми преимуществами такого метода являются простота интерфейса подключения датчика к АЦП микроконтроллера, наличие качественной гальванической развязки, а самое главное – отсутствие потерь энергии при проведении измерений.

Существуют два основных типа датчиков тока на основе эффекта Холла: открытого типа (Open Loop) и компенсационные (Closed Loop). Датчики открытого типа имеют более низкую стоимость и малое энергопотребление, однако невысокие динамические характеристики и наличие дрейфа напряжения смещения, зависящего от множества факторов, в том числе и от температуры, делают их непригодными для точных измерений. Компенсационные датчики лишены этих недостатков, однако их стоимость и потребляемая мощность значительно выше. Как показала практика, точности датчиков Холла открытого типа вполне достаточно для большинства приложений, а вот компенсационные датчики Холла используются реже – только там, где необходима чрезвычайно высокая точность управления инвертором.

Главным недостатком компенсационных датчиков Холла являются жесткие требования к питанию. В большинстве случаев для нормальной работы этих приборов требуется источник питания с двухполярным напряжением, от стабильности которого во многом зависит точность измерений. Так, например, компенсационному датчику Холла с коэффициентом передачи 2000:1, предназначенному для измерений тока до 200 А, необходим стабильный источник питания с напряжением ±15 В [1]. При максимальном токе в измерительной шине выходной ток такого датчика достигает 100 мА, поэтому на его нагрузочном резисторе сопротивлением 90 Ом будет рассеиваться мощность (100 мА)2 × 90 Ом = 0,9 Bт. Это означает, что в трехфазном инверторе источник питания для узлов контроля тока должен иметь мощность не менее 2,7 Вт, что намного больше, чем при использовании других методов измерения.

Таким образом, среди известных на сегодняшний день методов измерения тока (таблица 1) нет какой-либо доминирующей технологии, поскольку все они имеют свои недостатки, ограничивающие их применение в тех или иных случаях.

Таблица 1. Сравнительная характеристика существующих методов измерения тока

Параметр Резистивный шунт + дельта-сигма-модулятор Датчик Холла компенсационного типа Датчик Холла открытого типа
Точность Высокая Высокая Средняя
Стоимость Низкая Высокая Средняя
Требуемый объем Малый Очень большой Большой
Монтаж Простой, часть узлов монтируется на печатной плате Сложный, необходим специальный кабель и разъемы Сложный, необходим специальный кабель и разъемы
Изоляция Усиленная, обеспечивается сигма-модулятором Усиленная, без необходимости принятия дополнительных мер Усиленная, без необходимости принятия дополнительных мер
Время реакции Гибкий компромисс между точностью и быстродействием Обычно < 1мкс Обычно 2…4 мкс
Питание Обычно однополярное 5 В,
<20 мА
Обычно двухполярное ±20 В,
>100 мА
Обычно однополярное 5 В,
20 мА

Измерение тока с помощью дельта-сигма-модуляторов нового поколения

Появление дельта-сигма-модуляторов нового поколения, способных работать при входном напряжении 50 мВ [2], позволяет, по сравнению с традиционными микросхемами с входным напряжением больше 250 мВ, уменьшить сопротивление токоизмерительных шунтов в 5 раз, а значит – дает возможность использовать их в инверторах с выходной мощностью более 75 кВт. Это значительно расширяет пределы использования данной технологии, поскольку теперь они могут быть интегрированы в силовые модули с выходным током до 600 A. Реализовав эту возможность, компания Infineon разработала линейку мощных силовых модулей со встроенными шунтами, большинство из которых уже доступно для приобретения (таблица 2).

Таблица 2. Силовые IGBT-модули Infineon со встроенными шунтами

Iвых, А 1200 В 1700 В
75 IFS75B12N3E4_B31
100 IFS100B12N3E4_B31 IFS100B17N3E4P_B11
IFS100B12N3E4P_B11
150 IFS150B12N3E4_B31 IFS150B17N3E4P_B11
IFS150b12N3E4P_B11
200 IFS200B12N3E4_B31
300 IFF300B12N2E4P_B11 IFF300B17N2E4P_B11
300 IFF300B12ME4P_B11*
450 IFF450B12ME4P_B11
600 IFF600B12ME4P_B11
IFS – 6-pack, IFF – 2-pack
* В разработке.

Одной из отличительных особенностей данных модулей является высокая температурная стабильность измерительной части. Для большинства из них максимальное отклонение сопротивления шунта в диапазоне рабочих температур не превышает ±0,3% [3], что позволяет измерять ток с очень высокой линейностью.

Особенности мощных инверторов на основе модулей с интегрированными шунтами

Интеграция токоизмерительных шунтов в силовые модули мощных инверторов значительно упрощает процесс проектирования и открывает больше возможностей для разработчиков, по сравнению с использованием других технологий. Рассмотрим эти вопросы более подробно.

Общая конструкция инвертора

Поскольку от количества элементов напрямую зависят удельная мощность, стоимость и надежность системы, то интеграция токоизмерительных шунтов в силовые модули напрямую способствует увеличению этих трех ключевых параметров инвертора.

Так, например, при исключении датчиков Холла и замене существующих силовых модулей на модули с интегрированными шунтами можно значительно уменьшить общее количество элементов системы (рисунок 4).

Рис. 4. Сравнение размеров трехфазного инвертора мощностью 240 кВт с использованием датчиков Холла (а) и интегрированных шунтов (б), а также количество элементов, в которых пропадает необходимость (в)

Рис. 4. Сравнение размеров трехфазного инвертора мощностью 240 кВт с использованием датчиков Холла (а) и интегрированных шунтов (б), а также количество элементов, в которых пропадает необходимость (в)

Интеграция токоизмерительных шунтов в силовые модули упрощает также конструкцию выходных токоведущих шин, ведь теперь они не должны строго соответствовать апертуре измерительного окна датчиков Холла. Кроме этого, из системы исключаются специализированные аналоговые кабели и достаточно большое количество крепежных элементов.

Очевидно, что такая замена приведет к уменьшению как общего количества компонентов, так и времени, затрачиваемого на сборку системы. А это, в конечном итоге, благотворно скажется и на стоимости инвертора, и его надежности.

Расположение элементов измерительного тракта

При интеграции шунтов в силовой модуль микросхема дельта-сигма-модулятора должна располагаться на плате драйвера максимально близко к датчику тока (рисунок 5). Поскольку подобные узлы не требуют большого количества компонентов, то и требуемый размер печатной платы будет невелик. Так, например, при установке микросхемы модулятора на плату управления IGBT-модулем EconoDUAL™ 3 необходимо всего 1,5 х 5,0 см = 7,5 см² площади.

Рис. 5. Пример печатной платы управления IGBT-модулем EconoDUAL™ 3, содержащей IGBT-драйверы (красная область), источник питания (зеленая область) и дельта-сигма-модулятор (синяя область)

Рис. 5. Пример печатной платы управления IGBT-модулем EconoDUAL™ 3, содержащей IGBT-драйверы (красная область), источник питания (зеленая область) и дельта-сигма-модулятор (синяя область)

В отличие от модуляторов, дельта-сигма-демодуляторы лучше всего располагать на основной плате управления. При этом они могут быть как отдельными микросхемами, так и интегрированными в специализированные контроллеры (рисунок 1б).

Вопросы тепловой защиты

При использовании датчиков Холла максимальная температура выходной шины ограничена диапазоном их рабочих температур и не должна превышать 85…105°C [1, 4]. При использовании шунтов эти ограничения снимаются, однако теперь необходимо следить за температурой самого шунта, ведь при протекании тока на нем выделяется большое количество тепла, что может привести к его перегреву и повреждению. Обычно рабочая температура шунта не должна превышать 200°C, однако при проектировании в любом случае необходимо внимательно изучить техническую документацию на силовой модуль, в которой указаны все необходимые параметры для расчета (рисунок 6).

Рис. 6. Фрагмент технической документации IGBT-модуля IFF600B12ME4P_B11 с параметрами, необходимыми для расчета температуры шунта

Рис. 6. Фрагмент технической документации IGBT-модуля IFF600B12ME4P_B11 с параметрами, необходимыми для расчета температуры шунта

Для точной оценки тепловых режимов необходимо знать температуру радиатора в самой горячей точке, поскольку только эта информация позволит определить реальную температуру шунта внутри силового модуля (подробнее об этом сказано в разделе «Результаты тестирования»).

Монтаж и надежность системы

Использование датчиков Холла требует большего количества операций, связанных как с его установкой, так и с подключением. Очевидно, что эти этапы удлиняют производственный цикл, а следовательно, и увеличивают затраты на изготовление инвертора.

Кроме этого, существует еще один момент, негативно сказывающийся на надежности системы – кабели, соединяющие датчики Холла с платой управления. Наличие механических контактов, способных ухудшиться со временем, например, из-за вибрации, вероятность ошибочного подключения или недостаточное усилие при соединении разъемов – все это может привести к отказам на любом этапе как производства, так и последующей эксплуатации инвертора.

В отличие от этого, использование силовых модулей с интегрированными шунтами не требует увеличения количества операций, ведь они все равно монтируются на радиатор тем же количеством крепежных компонентов. А вот отсутствие дополнительных кабелей и разъемов не только сокращает время сборки инвертора, но и уменьшает количество отказов в процессе эксплуатации.

Материальные затраты

Стоимость датчиков Холла, особенно компенсационных, намного больше чем резистивных шунтов. Но экономическая выгода от замены обычного силового модуля с внешним датчиком Холла на аналогичный силовой модуль с интегрированным шунтом ограничивается не только этим. При такой операции из системы исключаются аналоговые кабели, и появляется возможность использовать более простые и дешевые выходные силовые шины, не требующие сопряжения с окном датчиков Холла. Очевидно, что время, затрачиваемое на сборку, также сокращается, ведь в этом случае исключаются операции установки датчиков Холла на шины, их монтажа в системе и подключения к плате управления.

Согласно расчетам, отказ от датчиков Холла сократит время сборки трехфазного инвертора на 1,5 минуты и уменьшит затраты на производство на 30 евро в час. В конечном итоге это приведет к снижению стоимости инвертора почти на 20 евро при замене датчиков Холла открытого типа и почти на 50 евро при использовании более дорогих компенсационных датчиков (рисунок 7).

Рис. 7. Результаты расчета уменьшения стоимости инвертора на основе IGBT-модулей IFF600B12ME4P_B11

Рис. 7. Результаты расчета уменьшения стоимости инвертора на основе IGBT-модулей IFF600B12ME4P_B11

Результаты тестирования

Результаты измерения температурных режимов опытного инвертора на основе модулей с интегрированными шунтами показаны на рисунке 8.

Рис. 8. Внешний вид опытного инвертора (а) и термограмма радиатора силового модуля (б). Точками обозначены места расположения измерительных термопар

Рис. 8. Внешний вид опытного инвертора (а) и термограмма радиатора силового модуля (б). Точками обозначены места расположения измерительных термопар

Инвертор был собран на основе модулей IFF600B12ME4PB11, включенных по мостовой схеме. Силовые модули были смонтированы на радиатор без использования геля и покрыты черной краской для увеличения точности измерений инфракрасной камерой. Кроме этого, на одном из радиаторов были установлены две измерительные термопары: одна чуть ниже среднего IGBT верхнего плеча, а вторая – ниже среднего измерительного шунта.

Результаты измерений температур в различных точках системы при выходном токе 390 А приведены на рисунке 9а. На рисунке 9б показана разница между температурой радиатора в области шунта и температурой, измеренной встроенным терморезистором (NTC).

Рис. 9. Результаты измерений температур в различных точках инвертора (a) и разница между температурами шунта и встроенного терморезистора (NTC) при различных условиях охлаждения (б)

Рис. 9. Результаты измерений температур в различных точках инвертора (a) и разница между температурами шунта и встроенного терморезистора (NTC) при различных условиях охлаждения (б)

Как видно из рисунков 9а и 9б, при выходном токе 390 А температура шунта достигла предельно допустимого значения 200°C, в то время как температура IGBT равнялась 144°C, что также весьма близко к допустимому пределу. Это означает, что тепловые режимы внутри силового модуля хорошо сбалансированы. А вот расхождения между фактической температурой шунта и температурой, измеренной встроенным терморезистором (NTC), могут достигать 15°C и зависеть от условий охлаждения. Это означает, что на этапе проектирования инвертора необходимо в обязательном порядке проводить соответствующее тестирование во всех рабочих режимах для правильного определения фактической температуры шунта и исключения его перегрева. Расчетную температуру шунта можно определить на основе технической документации (рисунок 6) по формуле:

$$T_{Shunt}=T_{Heatsink}+P_{Losses}\times R_{Th\_Shunt\_Heatsink}=85^{\circ}C+390^2\:A^2\times 0.25\:мОм\times 3\frac{К}{Вт}=199^{\circ}C$$

Как видно из результатов измерений, в опытном инверторе фактическая температура шунта практически совпала с расчетной.

Обратите внимание также на равномерное распределение тепловой нагрузки между параллельно соединенными элементами внутри модуля IFF600B12ME4P_B11 (рисунок 10). Результаты измерений показывают, что температуры внутренних резисторов шунта отличаются не более чем на 9°C, а IGBT – не более чем 3°C, что свидетельствует о хорошей тепловой балансировке внутри модуля. Пониженную температуру среднего резистора можно объяснить его максимальным удалением от выходной токоведущей шины, являющейся источником тепла.

Рис. 10. Термограмма радиатора (а) и результаты измерения температур параллельно соединенных IGBT и шунтов внутри модуля (б)

Рис. 10. Термограмма радиатора (а) и результаты измерения температур параллельно соединенных IGBT и шунтов внутри модуля (б)

Заключение

Использование силовых модулей со встроенными резисторами вместо датчиков Холла в инверторах мощностью более 75 кВт имеет множество преимуществ: начиная с технических и заканчивая экономическими. Как видно из расчетов, при использовании данной технологии стоимость инвертора может быть снижена как минимум на 20 евро, а если в системе использовались дорогостоящие датчики Холла компенсационного типа, то эта цифра может увеличиться до 50 евро. Кроме этого, ощутимо увеличивается надежность инвертора, поскольку при таком подходе из его конструкции исключается ряд компонентов, кабелей и разъемов. Конечно, подобная замена требует пересмотра как электрических, так и тепловых характеристик, но разобраться в этих вопросах опытным разработчикам не составит особого труда.

Результаты тестирования показали, что силовые модули с интегрированными шунтами, выпускаемые компанией Infineon, в частности, IFF600B12ME4P_B11, имеют хорошую тепловую балансировку как между параллельно соединенными узлами, так и между разными элементами модуля, а результаты измерений фактической температуры прекрасно коррелируют с расчетными значениями, определенными по данным, приведенным в технической документации. 

Литература

  1. LEM Holding SA, Datasheet of Current Transducer LA 205-S
  2. Mouser Electronics, “Texas Instruments AMC1303x High-Precision Delta-Sigma Modulators”
  3. U. Schwarzer, A. Arens, M.Schulz „IGBT Module with integrated Current Measurement Unitusing Sigma-Delta Conversion for direct Digital Motor Control“, PCIM 2010
  4. LEM Holding SA, Datasheet of Current Transducer HTFS 200…800-P

Оригинал статьи

Перевел Александр Русу по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
IFS75B12N3E4B31BOSA1 (INFIN)
IFS100B12N3E4B31BOSA1 (INFIN)
IFS100B12N3E4PB11BPSA1 (INFIN)
IFS150B12N3E4B31BOSA1 (INFIN)
IFS150B12N3E4PB11BPSA1 (INFIN)
IFS200B12N3E4B31BPSA1 (INFIN)
IFF300B12N2E4PB11BPSA1 (INFIN)
IFF300B12ME4PB11BPSA1 (INFIN)
IFF450B12ME4PB11BPSA1 (INFIN)
IFF600B12ME4PB11BPSA1 (INFIN)
IFS100B17N3E4PB11BPSA1 (INFIN)
IFS150B17N3E4PB11BPSA1 (INFIN)
IFF300B17N2E4PB11BPSA1 (INFIN)