№5 / 2013 / статья 8

Мощные и компактные – новые интегральные силовые модули µIPM

Андрей Булычев (г. Москва)

Нередка ситуация, когда силовое электрооборудование, содержащее маломощные электромоторы, питается от общепромышленной сети с номинальным напряжением ~220 В. В этом случае задача сводится к получению сначала высокого выпрямленного напряжения (~311 В). Затем это напряжение подается на трехфазный мостовой инвертор, обеспечивающий последовательную коммутацию постоянного напряжения таким образом, чтобы на выходе получалось трехфазное напряжение.

Критическим условием является полное закрытие драйвера верхнего ключа перед тем, как откроется нижний, и наоборот. Несоблюдение этого условия приводит к значительным коммутационным и тепловым потерям, а зачастую — к межфазному замыканию и выходу силовых транзисторов из строя. В интегрированных решениях коммутируемая мощность, как правило, невелика. Но положительным моментом является значительное упрощение схемы за счет снижения количества внешних навесных элементов. В связи с наличием встроенной схемы управления и защиты, упрощается система контроля и управления. При минимуме внешних элементов обеспечивается полный контроль работоспособности драйверов верхнего и нижнего ключа, потребляемого электромотором тока по фазам, температуры самого драйвера.

Компания International Rectifier, являясь известным производителем силовой полупроводниковой аппаратуры, давно выпускает интеллектуальные модули для управления силовой нагрузкой, в частности, силовые модули IRAM для управления электромоторами (рисунок 1).

 

Внешний вид силового модуля IRAM в корпусе типа SIP

 

Рис. 1. Внешний вид силового модуля IRAM в корпусе типа SIP

Ранее в журнале уже публиковались подробные описания модулей IRAM («Новости Электроники» №18, 2008 г). В таблице 1 приведен краткий перечень модулей IRAM и их основные характеристики.

Таблица 1. Перечень и краткие характеристики модулей IRAM   

Наименование Напряжение, В,
и внутренняя схема
Номинальная мощность нагрузки, Вт Средний прямой ток при T=100°C Корпус
IRAMS06UP60A 600, открытый эмиттер   400   3   SIP-1  
IRAMS06UP60B 600, встроенный шунт  
IRAM136-1061A2 600, открытый эмиттер   750   5   SIP-1A  
IRAMS10UP60A 600, открытый эмиттер   750   5   SIP-1  
IRAMS10UP60B 600, встроенный шунт  
IRAMS12UP60A 600, открытый эмиттер   1000   6  
IRAMX16UP60A 600, открытый эмиттер   1500   8   SIP-2  
IRAMX16UP60B 600, встроенный шунт  
IRAMX20UP60A 600, открытый эмиттер   2500   10  
IRAMY20UP60B 600, встроенный шунт   SIP-3  
IRAM136-3063B 600, встроенный шунт   3000   15  
IRAM136-3023B 600, встроенный шунт   750   15  

Современные электронные устройства стремительно уменьшаются в размерах, сохраняя, а зачастую и улучшая свои функциональные и электрические характеристики. Этот эволюционный процесс затронул и силовые модули управления трехфазными моторами — появились модули нового поколения — µIPM.

Сравнительные характеристики выпускаемых в настоящее время модулей этого семейства приведены в таблице 2.

Таблица 2. Силовые модули µIPM и их характеристики   

Наименование Размеры корпуса PQFN, мм Входное напряжение, В Номинальное сопротивление канала в открытом состоянии, Ом Максимальное сопротивление канала в открытом состоянии, Ом Постоянный ток при температуре
25°С, А
Ток двигателя*, мА Мощность двигателя, Вт Топология схемы включения
Без радиатора С радиатором
IRSM836-024MA 12х12   250   2,0   2,04   2   470   550   60/72   Открытый исток  
IRSM836-044MA 12х12   250   0,9   1,04   4   750   850   95/110   Открытый исток  
IRSM836-025MA 12х12   500   3,5   4,0   2   360   440   93/114   Открытый исток  
IRSM836-035MB 12х12   500   1,85   2,2   3   420   510   108/135   Общий исток  
IRSM836-035MA 12х12   500   1,85   2,2   3   420   510   108/135   Открытый исток  
IRSM836-045MA 12х12   500   1,45   1,7   4   550   750   145/195   Открытый исток  
IRSM808-105MH   9х8   500   0,58   0,8   10   1,1   1,5   285/390   Полумост  
IRSM807-105MH   9х8   500   0,58   0,8   10   1,1   1,5   285/390   Полумост  
* — Среднее значение, при частоте 16 кГц в режиме двухканального ШИМ, температуре перегрева ∆T = 70°C, температуре окружающей среды T=25°C.  

Среди преимуществ представленных модулей можно отметить несколько ключевых моментов:

  • минимальный размер модулей промышленного исполнения: 12х12х0,9мм;
  • патентованная технология управления трехфазными мостовыми драйверами;
  • низкое сопротивление канала в открытом состоянии достигнуто благодаря технологии полевых транзисторов FREDFET;
  • возможно применение без радиатора;
  • встроенная система защиты перегрузки по току, перенапряжения по выходу, вход отключения, управляемый от дополнительных источников;
  • схема выходного каскада с открытым истоком;
  • оптимизированная скорость нарастания выходного напряжения с целью уменьшения коммутационных помех и электромагнитного излучения;
  • способность коммутировать без применения радиатора электромоторы мощностью до 250Вт.

При применении данного интегрированного решения очевидны следующие преимущества:

  • сокращение сроков разработки;
  • уменьшение размеров печатной платы для монтажа;
  • замена более 20 дискретных элементов одной БИС;
  • упрощение процесса разработки конечного устройства.

Рассмотрим принцип управления мотором на примере модуля IRSM836-045MA, внешний вид которого приведен на рисунке 2.

 

Внешний вид модуля IRSM836-045MA (корпус PQFN 12х12 мм) International Rectifier iMotion 1

 

Рис. 2. Внешний вид модуля IRSM836-045MA (корпус PQFN 12х12 мм) International Rectifier iMotion 1

Модуль IRSM836-045MA является интегрированным решением, обеспечивающим коммутацию напряжения 500 В при токе до 4 А, разработанным для управления моторами, управляющими вентиляторами и насосами. Внутренняя структура модуля представлена на рисунке 3.

 

Внутренняя структура модуля IRSM836-045MA

 

Рис. 3. Внутренняя структура модуля IRSM836-045MA

Функционально схема достаточно проста: все функции по формированию управляющих сигналов и обеспечению защит выполняет трехфазный драйвер HVIC (высоковольтная интегральная схема), а силовые ключи, выполненные на КМОП-транзисторах, образуют трехфазную мостовую схему, характерную для большинства инверторных систем.

Технологии, применяемые компанией International Rectifier, предоставляют максимально компактное высокопроизводительное решение для управления моторами переменного тока в изолированном корпусе. Эти модули сочетают в себе низкое сопротивление канала в открытом состоянии, обеспечиваемое технологией КМОП, с промышленным высоким трехфазным напряжением, управляемым драйвером в миниатюрном корпусе PQFN. ИМС в корпусе размером 12х12 мм, содержащем все необходимое для построения эффективной системы управления питанием электромоторов, делает возможным применение модуля в условиях малых конструктивных объемов. Встроенные защиты от превышения тока, провалов напряжения и перенапряжений обеспечивают высокий уровень безопасности при эксплуатации. Работа низковольтной части драйвера требует наличия дополнительного внешнего напряжения питания диапазоном до 20 В. Модулю IRSM836-045MA для нормальной работы не требуется радиатор. Допустимая рабочая температура модуля перекрывает диапазон температур промышленного стандарта и составляет -40…150°С.

 

Формирование сигнала ошибки
и программируемый таймер сброса

Модуль IRSM836-045MA предоставляет информацию о сработавшей защите в виде выходного сигнала, а также имеет встроенный программируемый таймер для сброса защиты. Существует два состояния, о которых модуль может сообщить изменением логического уровня на выводе FLT. Первый — перенапряжение линии питания Vcc, второй — состояние перегрузки по току, заданной линией Itrip. При возникновении аварийной ситуации линия FLT внутренней схемой модуля коммутируется на общий провод, а таймер сброса защиты включается. Логический уровень линии находится в низком логическом состоянии до тех пор, пока не будет устранена причина возникновения аварии и не истечет время задержки таймера сброса аварии. По истечении времени выдержки таймера напряжение на выводе FLT снова вернется к уровню линии питания Vcc.

Длительность периода работы таймера сброса (tFLTCLR) определяется экспоненциальной характеристикой заряда конденсатора, где постоянная времени задается сопротивлением резистора RRCIN и емкостью конденсатора CRCIN. На рисунке 4 представлены временные диаграммы работы таймера сброса аварии.

 

Временные диаграммы работы таймера сброса аварии

 

Рис. 4. Временные диаграммы работы таймера сброса аварии

Как видно из рисунка, при обработке аварийной ситуации, например, при ограничении тока Itrip или UVLO, напряжение VRCIN и напряжение на выводе FLT (VFAULT) скачкообразно снижаются до уровня общего провода Vss. При устранении причины аварии происходит спад сигнала Itrip, одновременно с этим начинает работать таймер сброса — идет заряд конденсатора CRCIN. При достижении напряжением на конденсаторе CRCIN порога триггера, сигнал аварии на выводе FLT будет снят. Вывод FLT снова вернется в высокоимпедансное состояние.

На рисунке 5 показана схема, в которой резистор RRCIN включен между шиной питания микросхемы Vcc и входом RCIN, а конденсатор CRCIN размещен между выводом RCIN и общей низковольтной шиной Vss.

 

Схема включения RC-цепочки для программирования таймера сброса

 

Рис. 5. Схема включения RC-цепочки для программирования таймера сброса

Рекомендации по выбору резистора RRCIN и конденсатора CRCIN — следующие:

  • сопротивление резистора RRCIN должно быть в пределах 0,5…2МОм, оно должно быть значительно больше, чем входное сопротивление входа RCIN;
  • емкость конденсатора CRCIN должна быть не более 1нФ, конденсатор должен быть керамическим с малым током утечки.

Длительность периода работы таймера может быть вычислена по формуле (1):

 

 (1),

 

где

RRCIN — сопротивление резистора, МОм,

CRCIN — емкость конденсатора, мкФ,

VRCIN, TH — пороговое напряжение триггера, 8 В;

Vcc — напряжение питания низковольтной части, В.

Типовая схема включения модуля IRSM836-045MA приведена на рисунке 6.

 

Типовая схема включения модуля IRSM836-045MA

 

Рис. 6. Типовая схема включения модуля IRSM836-045MA

Входная цепь обязательно должна содержать фильтр для предотвращения проникновения коммутационных помех в сеть. При проектировании устройства следует учитывать несколько ключевых моментов выбора и размещения элементов:

  • электролитические конденсаторы в цепях питания следует размещать как можно ближе к выводам модуля в целях исключения «звона» и электромагнитного излучения;
  • в целях обеспечения хорошей развязки между шинами низковольтного питания и силовыми выводами Vb1,2,3…Vs1,2,3, указанные конденсаторы CVB1…CVB3, подключенные к соответствующим выводам VB1…VB3, должны располагаться максимально близко к выводам модуля; рекомендуется также применение в цепях питания дополнительных блокирующих высокочастотных конденсаторов с номинальной емкостью, обычно составляющей 0,1мкФ;
  • номинальная емкость конденсаторов CVB1…CVB3 зависит от частоты генерации ШИМ. Расчет их емкости должен быть основан на формуле (2), учитывающей коммутационные потери и приводимой в руководстве по применению серии IRAM [1]:

 

 (2)

 

  • генератор ШИМ должен быть отключен при обработке состояния аварии в целях гарантированного отключения системы. Состояние перегрузки по току должно быть снято перед продолжением работы;
  • при проектировании печатной платы следует учитывать тепловыделение модуля, а также наличие паразитных индуктивностей и емкостей печатных проводников, их взаимное расположение. В примере топологии, приведенном на рисунке 7, эффективная площадь верхнего полигона, подключенного к выводу V+, составляет около 3см2. Для стеклотекстолита марки FR4 с толщиной фольги 35мкм тепловое сопротивление составит, примерно, Rth(J-A)= 40 °C/Вт. Более низкое значение теплового сопротивления может быть достигнуто при применении стеклотекстолита с более толстым слоем меди и/или при использовании большего количества слоев печатной платы, термически связанных между собой. В данном примере средний ток двигателя по одной из фаз составляет 416мА, а полная мощность нагрузки- 93Вт.

 

Топология печатной платы с установленным модулем и фотография ее термоскопирования

 

Рис. 7. Топология печатной платы с установленным модулем и фотография ее термоскопирования

 

При обычных условиях работы скорость нарастания выходного напряжения dV/dt каждой фазы подвержена влиянию емкости нагрузки, включающей в себя паразитную емкость печатной платы, монтажа, емкость канала полевого транзистора и емкость обмотки электромотора двигателя. Для отключения полевого транзистора, выполненного по технологии КМОП, емкость нагрузки должна быть заряжена током фазы. К примеру, для применения IRMCS1171 скорость отключения должна составлять 2…5 В/нсек, в зависимости от силы тока фазы. Скорость нарастания напряжения dV/dt, зависящая от емкости печатной платы и монтажа, а также — обмоток электромотора, обычно составляет 4…6 В/нсек. Потери на включение полевого транзистора КМОП складываются с потерями на емкости обратносмещенного защитного диода с барьером Шоттки и составляют основную часть коммутационных потерь. В этом случае возможно применение двухфазной модуляции для снижения коммутационных потерь, что позволяет использовать модуль для работы с более высокими токами фаз, соответственно увеличивая нагрузочную способность изделия, в котором он применяется.

 

Заключение

Применение интегрированных решений значительно упрощает разработку устройств управления трехфазными электродвигателями. Ускорение разработки и снижение затрат на внедрение достигается за счет уменьшения числа внешних компонентов, а также — повышения надежности конечного изделия благодаря наличию встроенных защит. Снижение тепловых потерь позволяет отказаться от применения громоздких радиаторов. Вместе с тем, применение таких решений требует от разработчика более тщательного подхода к компоновке печатного узла, так как сравнительно высокие скорости и плотность энергии в проводниках печатной платы могут привести к нежелательному повышению электромагнитного излучения, а также — к сбоям в работе самого устройства. Эта проблема легко решается при соблюдении рекомендаций производителя и при использовании основных правил, применяемых при разработке высокочастотных устройств.

Данный класс модулей может быть ориентирован на использование в широком спектре приборов общепромышленного или бытового применения, содержащих трехфазные электромоторы малой и средней мощности.

 

Литература

1. Application Note AN-1044 rev. A, International Rectifier, 11/08/2002

2. IRSM836-045MA uIPM datasheet, International Rectifier, 03/2013.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: power.vesti@compel.ru

Наши информационные каналы

Рубрики: