№4 / 2018 / статья 7

Компактный интеллектуальный силовой модуль для частотно-регулируемых приводов малой мощности

Бьонгхо Чу, Хьосанг Чанг и коллектив авторов (Infineon)

Частотно-регулируемые приводы малой мощности широко используются, например, в бытовых и промышленных кондиционерах. Для ускорения вывода этих изделий на рынок, уменьшения габаритов и упрощения теплоотвода Infineon предлагает новый силовой модуль, объединяющий в одном корпусе повышающий корректор коэффициента мощности (ККМ), инвертор и драйвер затворов.

Интеллектуальный силовой модуль IPM (Intelligent Power Module) объединяет силовые каскады корректора коэффициента мощности (ККМ) и инвертора. Модуль IPM оптимизирован для работы с частотно-регулируемыми приводами малой мощности. В корпусе с двурядным расположением выводов, выполненном по технологии трансферного прессования, размещены трехфазный инвертор и одноканальный повышающий ККМ, а также драйвер затворов, изготовленный по технологии «кремний на изоляторе» (SOI). Применение модуля IPM позволяет существенно снизить габаритные размеры и стоимость системы управления электродвигателем.

Обзор технологии IPM

Интеллектуальный силовой модуль IPM (рисунок 1) включает в себя каскад корректора коэффициента мощности (ККМ) и каскад инвертора. Инвертор содержит шесть 600-вольтовых транзисторов IGBT, изготовленных по технологии TRENCHSTOPTM, шесть диодов EMCON (Emitter Controlled – «управляемый по эмиттеру»), драйвер затвора со встроенным bootstrap-диодом, изготовленный по технологии SOI, и терморезистор, обеспечивающий контроль температуры кристалла. Каскад ККМ содержит 650-вольтовый транзистор IGBT TRENCHSTOPTM и быстрый диод EMCON, сочетающий высокую скорость коммутации и мягкую характеристику переключения.

Рис. 1. Структурная схема интеллектуального силового модуля

Рис. 1. Структурная схема интеллектуального силового модуля

Снижение стоимости модуля

Снижение общей стоимости изделия является одной из наиболее важных задач, стоящих перед разработчиками современных систем управления электродвигателями. На общую стоимость изделия существенно влияет не только стоимость комплектующих (например, модуля IPM), радиатора и печатной платы, но также время выхода изделия на рынок.

Конструкция и габаритные размеры корпуса модуля

Внешний вид и габаритные размеры корпуса модуля IPM с высокой степенью интеграции показаны на рисунке 2. Корпус размером 21х36х3,1 мм представляет собой компактную конструкцию серии CIPOSTM Mini (Control Integrated POwer System) и соответствует требованиям стандарта UL (UL 1557 File E314539) и спецификации RoHS.

Рис. 2. Внешний вид модуля

Рис. 2. Внешний вид модуля

Силовой модуль выполнен по технологии непосредственного присоединения медных проводников к подложке (Direct Copper Bond, DCB), что обеспечивает высокий коэффициент ее теплопроводности. На рисунке 3 показана внутренняя структура модуля IPM в разрезе. Все тепловыделяющие элементы – транзисторы IGBT и диоды – размещены на подложке с медными проводниками, что позволяет реализовать максимально возможный коэффициент теплопередачи. Вследствие этого, несмотря на малые габариты корпуса, силовой модуль IPM обеспечивает работу с электродвигателями мощностью до 3 кВт [1].

Рис. 3. Структура силового модуля IPM в разрезе

Рис. 3. Структура силового модуля IPM в разрезе

Габаритные размеры радиатора и печатной платы

Все силовые полупроводниковые (п/п) приборы – мостовой выпрямитель, транзистор IGBT и диод каскада ККМ, а также модуль IPM драйвера электродвигателя для лучшего отвода тепла устанавливают обычно на общем радиаторе. На рисунке 4 наглядно показано уменьшение размеров радиатора и печатной платы, а также упрощение процесса сборки при замене дискретных п/п приборов интегрированным модулем IPM [2].

Рис. 4. Установка силовых п/п на радиаторе: а) каскады ККМ и инвертора выполнены в отдельных корпусах; б) ККМ и инвертор совмещены в модуле IPM

Рис. 4. Установка силовых п/п на радиаторе: а) каскады ККМ и инвертора выполнены в отдельных корпусах; б) ККМ и инвертор совмещены в модуле IPM

Ускорение процесса разработки

Разработка схемы, топологии печатной платы и конструкции изделия могут составлять значительную часть процесса запуска его производства. Для ускорения процесса разработки и оценки возможностей нового модуля IPM имеется демонстрационная плата, содержащая минимальный набор периферии для управления электродвигателем (рисунок 5). Внешние источники питания +5 и +15 В, сигналы управления ШИМ, дроссель ККМ и электролитический конденсатор шины питания постоянного тока подключаются к демонстрационной плате проводным монтажом.

Рис. 5. Внешний вид демонстрационной платы модуля IPM: а) лицевая сторона, б) обратная сторона

Рис. 5. Внешний вид демонстрационной платы модуля IPM: а) лицевая сторона, б) обратная сторона

Каскад ККМ с рабочим напряжением 650 В

Комапния Infineon Technologies разработала две линейки продуктов, отличающихся характеристиками транзисторов IGBT каскада ККМ – High Speed 3 (HS3) и TRENCHSTOPTM 5 (TS5) с частотами коммутации, соответственно, 20 и 40 кГц (таблица 1). Быстрый диод EMCON разработки Infineon оптимизирован для работы с транзистором IGBT TRENCHSTOPTM в повышающем преобразователе ККМ. Данный диод сочетает малое прямое падение напряжения VF для уменьшения потерь проводимости с малым значением тока обратного восстановления Irr, что позволяет снизить энергию EON потерь на включение IGBT [3]. Все IGBT каскада ККМ имеют рабочее напряжение 650 В и обеспечивают надежную и устойчивую работу, в том числе – при нестабильном напряжении сети переменного тока [4].

Таблица 1. Значения рабочих токов и напряжений и частоты коммутации линеек IGBT

Наименование Наименование для заказа Каскад ККМ Каскад инвертора Макс. мощность двигателя, кВт
Напряжение, В Ток, А Частота, кГц Напряжение, В Ток, А Частота, кГц
IFCM15P60GD IFCM15P60GDXKMA1 650 30 40 600 15 5 3
IFCM15S60GD IFCM15S60GDXKMA1 650 30 20 600 15 5 3
IFCM10P60GD IFCM10P60GDXKMA1 650 30 40 600 10 5 2
IFCM10S60GD IFCM10S60GDXKMA1 650 30 20 600 10 5 2

Основные характеристики инвертора

Каскад инвертора включает в себя драйвер на изолированной подложке (SOI), устойчивый к переходным процессам, и терморезистор, которые в совокупности обеспечивают ряд дополнительных функций для безопасной эксплуатации инвертора:

  • при переходных процессах допускается отрицательное напряжение на выводе VS до -11 В при VBS = 15 В;
  • схема bootstrap интегрирована в драйвер затворов;
  • при пониженном напряжении питания драйвера происходит блокировка работы всех каналов;
  • предотвращается появление сквозных токов в силовых транзисторах;
  • все шесть ключей остаются в выключенном состоянии при срабатывании защиты;
  • при перегрузке по току происходит отключение;
  • осуществляется контроль температуры.

Защита перегрузки по току

Новый модуль IPM контролирует напряжение на выводе ITRIP, и при превышении им величины VIT,TH+ (порога нарастающего положительного напряжения) вырабатывается аварийный сигнал, выключающий все шесть транзисторов IGBT. Максимальную величину порога перегрузки по току устанавливают, как правило, в два раза меньше номинального тока коллектора (рисунок 6) [5].

Рис. 6. Временная диаграмма срабатывания защиты от перегрузки по току

Рис. 6. Временная диаграмма срабатывания защиты от перегрузки по току

Защита от перегрева

В состав модуля IPM входит терморезистор, обеспечивающий защиту от перегрева. Номинальное сопротивление терморезистора составляет 85 кОм при температуре 25°C и 5,4 кОм при 100°C (рисунок 7).

Рис. 7. Зависимость сопротивления терморезистора от температуры

Рис. 7. Зависимость сопротивления терморезистора от температуры

Как видно из рисунка 8, терморезистор модуля подключен параллельно открытому стоку транзистора аварийного сигнала, вследствие чего выход VFO модуля может подключаться одновременно к входу АЦП и входу обнаружения неисправности микроконтроллера.

Рис. 8. Схема защиты модуля от перегрева

Рис. 8. Схема защиты модуля от перегрева

Для номинала подтягивающего резистора R1 = 3,6 кОм предельной температуре модуля 100°C соответствует напряжение на выводе VFO 2,95 В при Vcrt = 5 В и 1,95 В при Vcrt = 3,3 В (рисунок 9).

Рис. 9. Зависимость напряжения VFO от температуры

Рис. 9. Зависимость напряжения VFO от температуры

Тепловой режим модуля

На рисунке 10 показаны испытательная схема модуля и осциллограммы ее работы, на основе которых можно определить рабочие характеристики и тепловой режим модуля при входной мощности 2 кВт. Управление силовым каскадом ККМ осуществляется контроллером ICE2PCS05G, входная мощность PIN = 2 кВт, питание осуществляется от сети переменного тока VIN = 220 В, частота – 60 Гц. Напряжение шины питания постоянного тока VDC = 400 В, частота коммутации инвертора 5 кГц, частота коммутации ККМ 20 кГц, нагрузка активно-индуктивная (R = 13,75 Ом, L = 2,96 мГн, коэффициент мощности нагрузки 0,99), MI = 0,69, сопротивление резистора цепи затвора Rg = 5,1 Ом, температура окружающей среды Ta = 25°C. Испытуемый модуль – IFCM15S60GD. На входе испытуемого устройства коэффициент мощности составляет 0,995, а суммарный коэффициент гармонических искажений – 9,78%.

Рис. 10. Испытательная схема модуля (а) и осциллограммы в контрольных точках испытательной схемы (б)

Рис. 10. Испытательная схема модуля (а) и осциллограммы в контрольных точках испытательной схемы (б)

Температура корпуса в месте установки IGBT каскада ККМ составляет 67,5°C, что является максимальной температурой модуля, при этом температура инвертора не превышает этого значения. Результаты исследования теплового режима IFCM15S60GD показывают возможность его работы с нагрузкой 2 кВт и более (рисунок 11).

Рис. 11. Контрольные точки измерения температуры модуля IFCM15S60GD (а) и графики установления температуры в контрольных точках модуля (б)

Рис. 11. Контрольные точки измерения температуры модуля IFCM15S60GD (а) и графики установления температуры в контрольных точках модуля (б)

Заключение

Новый интеллектуальный силовой модуль представляет собой оптимальный вариант устройства, объединяющего в себе инвертор и ККМ, что позволяет использовать его в приводах электродвигателей с переменной частотой вращения, например, в комнатных кондиционерах. Компания Infineon Technologies обладает всеми необходимыми технологиями и оказывает поддержку своим клиентам в производстве компактных и эффективных устройств, отличающихся минимальными габаритами, привлекательной ценой и малым временем выхода изделий на рынок.

Литература

  1. S Park, J Cho, H Kwon, J Lee, D Chung: «A Compact Intelligent Power Module with High Thermal Performance for up to 4kW Power Motor Drives», PCIM Europe 2014, Nuremberg, Germany;
  2. H.Jang, B.Choo, J.Lee, M.Lee, D.Chung: Infineon Technologies Power Semitech, «New high Level Integrated Intelligent Power Module with Three Phase Inverter and Power Factor Correction Topologies Optimized for Home Appliance», pp863-870 PCIM Europe 2016, Nuremberg, Germany;
  3. «650V Rapid Diode for Industrial Applications», Application note, Infineon Technologies AG V2.0, Jul. 2014;
  4. S Shim, B Choo, J Lee, D Chung: «A New High Efficient 2-Phase and 3-Phase Interleaved Power Factor Correction Boost Converter typed Intelligent Power Module with high switching capability for low power home appliances», ICPE 2015 Asia, Seoul, Korea;
  5. «CIPOSTM Mini Inverter IPM Technical Description», Application note, Infineon Technologies.

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