IPM-модули для маломощных силовых устройств

Понятие «энергосбережение» применимо ко всем электрическим системам, в том числе – и к маломощным силовым устройствам. Современная тенденция – переход к устройствам на базе инверторов напряжения. Кроме того, уменьшение веса и размера проектируемых систем всегда представляет интерес. Сейчас растет популярность решений, не использующих радиатор. В данной статье рассматриваются силовые схемы без радиаторов на базе ?IPM-DIP производства Infineon.
1175
В избранное

Понятие «энергосбережение» применимо ко всем электрическим системам, в том числе – и к маломощным силовым устройствам. Современная тенденция – переход к устройствам на базе инверторов напряжения. Кроме того, уменьшение веса и размера проектируемых систем всегда представляет интерес. Сейчас растет популярность решений, не использующих радиатор. В данной статье рассматриваются силовые схемы без радиаторов на базе μIPM-DIP производства Infineon.

Потребности рынка бытовой техники

Необходимость дальнейшего снижения уровня собственного потребления приводит к тому, что на рынке силовых устройств наблюдается ускоренный переход к управляемым инверторным системам. Бытовая техника не стала исключением. Ее производители стараются сделать продукт более компактным и легким. Именно по этой причине все большей популярностью пользуются решения без теплового радиатора. В статье рассматриваются силовые устройства без радиатора на базе интеллектуальных силовых модулей (Intelligent power module, IPM), учитывающие особенностей конечных приложений.

Маломощные приложения

В каждой области применения существует свое понимание того, что считать малой мощностью. В данной статье рассматриваются устройства с мощностью до 150 Вт, которые находят применение в бытовых приложениях. В качестве примера можно рассмотреть привод вентилятора и компрессора холодильника мощностью до 150 Вт с целевыми характеристиками, представленными в таблице 1.

Таблица 1. Целевые характеристики привода вентилятора и компрессора холодильника

Приложение Мощность, Вт Коэффициент мощности Vin, В Vdc, В Vout, В Iout, А Fs/w, кГц Ta, °С
Вентилятор 130 0,85 220 311 190 0,46 15 45
Холодильник 80 0,55 220 311 190 0,44 8 50

С помощью силовых IPM-модулей можно максимально быстро и просто добиться решения поставленных задач.

Для устройств мощностью до 150 Вт можно рассмотреть возможность использования IPM-модулей с классом напряжения 600 В и током 3 А. Тем не менее, если необходимо обойтись без радиатора и обеспечить работу с более высокой частотой (около 15 кГц), то для обоих приложений такой силовой модуль будет не вполне оптимальным решением. Следовательно, силовой модуль с классом напряжения 600 В и током 4 А будет более подходящим кандидатом. Размер пластикового корпуса модуля Infneon μIPM-DIP 4 A составляет 29x12x2,9 мм, для потребителей доступны три варианта корпусных исполнений: SOP23, DIP23 и DIP23A.

На рисунке 1 показан пример схемы электропривода без датчиков положения с применением ИС IRMCF171. В состав μIPM-DIP входит драйвер силовых ключей, БТИЗ и NTC-термистор. Так как в модуле имеется встроенный бутстрепный диод, то для того, чтобы управлять БТИЗ с помощью контроллера потребуется добавить лишь бустрепный конденсатор. Кроме того, данный IPM имеет отдельные выводы для каждого из эмиттеров, что позволяет разработчику использовать схему с одним или тремя шунтами. С данным силовым модулем совместимы контроллеры с рабочим напряжением 3,3 В. Используя встроенный NTC-термистор, можно обеспечить защиту μIPM-DIP с помощью компаратора. В представленной схеме внешний компаратор сравнивает сигнал NTC-термистора с опорным напряжением 3 В, сигнализируя контроллеру, что температура внутри IPM достигла примерно 115°C. В установившемся состоянии при отсутствии радиатора такой сигнал соответствует ориентировочному значению температуры кристалла 135°C [1]. Если разработчик хочет установить более низкий уровень тепловой защиты, то следует изменить значение опорного напряжения на компараторе. Кроме того, вывод IPM-модуля от NTC-термистора подключен к контроллеру, который измеряет сопротивление датчика напрямую.

Рис. 1. Корпусное исполнение ?IPM-DIP 600A 4 A и пример схемы включения

Рис. 1. Корпусное исполнение μIPM-DIP 600A 4 A и пример схемы включения

Применение вентилятора в системе кондиционирования воздуха

Распределение тепла в системе питания вентилятора мощностью 130 Вт показано на рисунке 2. На представленном графике показана зависимость среднеквадратичного фазового тока от несущей частоты при заданной температуре кристалла. Этот график был основан на результатах, полученных в ходе тепловых испытаний. Испытания проводились с двумя типами модуляции: трехфазной и двухфазной. Температура кристалла поддерживалась на уровне Tj = 128°C, что контролировалось с помощью ИК-камеры. Тестируемый вентилятор 130 Вт работал с частотой коммутации fsw = 15 кГц и током Iout = 460 мА (таблица 1). На рисунке 2 видно, что при частоте 15 кГц и температуре Tj = 128°C достижимая токовая нагрузка составляет 530 мА. Таким образом, при работе с тестируемым вентилятором мощностью 130 Вт температура кристалла IPM-модуля может быть ниже, чем Tj = 128°C.

Рис. 2. Зависимость тока фазы от частоты (без радиатора). Векторная широтно-импульсная модуляция. V+ = 320 В, Ta = 28°C, Tj = 128°C

Рис. 2. Зависимость тока фазы от частоты (без радиатора). Векторная широтно-импульсная модуляция. V+ = 320 В, Ta = 28°C, Tj = 128°C

Чтобы оценить температуру кристалла с учетом заданных условий работы приложения, следует воспользоваться программой онлайн-симуляции Infineon IPM simulation tool [2]. В ней также возможно моделирование приложений без радиаторов. Для этого пользователь должен выбрать “No heatsink needed” («Без радиатора»). Далее задать опорную температуру окружающей среды Ta = 28°C в поле “Reference temperature“ и среднеквадратичный фазовый ток 0,53 A в поле “Motor driver phase current RMS“. Затем заполнить значение теплового сопротивления “Thermal resistance (case to reference)“, и подстроить его таким образом, чтобы получить температуру Tj = 128°C. В данном случае тепловое сопротивление будет около 30,5 К/Вт. Полученное значение оказывается высоким из-за отсутствия теплоотвода и сильно зависит от конструкции печатной платы. Максимальная температура кристалла для вентилятора 130 Вт, не использующего радиатор, может быть рассчитана при заданном значении теплового сопротивления, например, для Ta = 45°C температура кристалла составляет около 132°C (рисунок 3). Таким образом, силовой модуль находится в зоне термобезопасности.

Рис. 3. Скриншот результатов моделирования для вентилятора 130 Вт с частотой коммутации 15 кГц

Рис. 3. Скриншот результатов моделирования для вентилятора 130 Вт с частотой коммутации 15 кГц

Компрессор для холодильника

Рассмотрим работу компрессора холодильника мощностью 80 Вт. В этом нам поможет рисунок 4.

Рис. 4. Зависимость тока фазы от частоты (без радиатора). Векторная широтно-импульсная модуляция. V+ = 320 В, Ta = 28°C, Tj = 98°C

Рис. 4. Зависимость тока фазы от частоты (без радиатора). Векторная широтно-импульсная модуляция. V+ = 320 В, Ta = 28°C, Tj = 98°C

Тепловые характеристики для холодильника мощностью 80 Вт также могут быть рассчитаны с помощью программы моделирования от Infneon. При Ta = 50°C расчетное значение максимальной температуры кристалла составляет около 113°C. Она также находится в области тепловой безопасности.

Для гарантированного обеспечения безопасности необходимо проверить и протестировать устойчивость системы к коротким замыканиям. В этом испытании вывод (–) модуля Infneon μIPM-DIP 4 A был закорочен на линию AC, а затем один импульс был подан на верхний БТИЗ. Тестирование проводилось при следующих условиях: V DC = 400 В и Isc = 20 А для 5 мкс. IPM прошел испытания без каких-либо сбоев (рисунок 5).

Рис. 5. Тестовая плата и тестовая схема с u-IPM-Dip (вверху), осциллограммы испытаний на короткое замыкание в V DC = 400 В и Isc = 20 А

Рис. 5. Тестовая плата и тестовая схема с u-IPM-Dip (вверху), осциллограммы испытаний на короткое замыкание в V DC = 400 В и Isc = 20 А

Для программной защиты от короткого замыкания или перегрузки по току контроллер измеряет напряжение на шунтах. Для аппаратной защиты можно применять внешний компаратор с некоторым опорным напряжением, которое задает уровень отключения.

Дополнительные решения

Компания Infneon предлагает CIPOS Tiny для тех случаев, когда потребитель хочет получать от IPM-модуля сигналы об ошибках (рисунок 6).

Рис. 6. Размер корпуса CIPOS и пример схемы с возвратом сигналов об ошибках

Рис. 6. Размер корпуса CIPOS и пример схемы с возвратом сигналов об ошибках

Заключение

Применение силового модуля μIPM-DIP с классом напряжения 600 В и током 4 А для приложений без радиатора с низкой номинальной мощностью до 150 Вт является оптимальным. Модуль показал хорошую устойчивость к коротким замыканиям и запас по уровню перегрева как для компрессора холодильника 80 Вт, так и для вентилятора 130 Вт. Для получения управляющим контроллером сигналов об ошибках от IPM можно использовать силовые модули CIPOS Tiny.

Производитель: Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
IRMCF171TR
IRMCF171TR
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 1331845 PDF AN
Доступно: 9752 шт.
Выбрать
условия
поставки
Digital Motor Controller (iMOTIONв„ў), High Performance Appliance Motion Control IC integrating the Motion Control Engine (MCE) with a Microcontroller.
IRMCF171TR
9752 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
IRMCF171TY
IRMCF171TY
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 1331846 PDF AN
Доступно: 4622 шт.
Выбрать
условия
поставки
Digital Motor Controller (iMOTIONв„ў), High Performance Appliance Motion Control IC integrating the Motion Control Engine (MCE) with a Microcontroller.
IRMCF171TY
4622 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()