IPM

Компактный интеллектуальный силовой модуль для частотно-регулируемых приводов малой мощности

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
2644
В избранное

infin_logo.png (829 b)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.

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.

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].

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].

 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.

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].аблица . 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].

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).

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.

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).

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%.

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).

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.

Производитель: Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
ICE2PCS05GXUMA1
ICE2PCS05GXUMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2114149 ИНФО PDF AN RD RND
Поиск
предложений
PFC CONTROLLER, CCM, 25V, 250KHZ, SOIC-8
ICE2PCS05GXUMA1
-
Поиск
предложений
IFCM10P60GDXKMA1
IFCM10P60GDXKMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2304430 ИНФО PDF RND
Поиск
предложений
IFPS MODULES
IFCM10P60GDXKMA1
-
Поиск
предложений
IFCM10S60GDXKMA1
IFCM10S60GDXKMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2304431 ИНФО PDF RND
Поиск
предложений
Control Integrated POwer System (CIPOS™) IFCM10S60GD
IFCM10S60GDXKMA1
-
Поиск
предложений
IFCM15P60GDXKMA1
IFCM15P60GDXKMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2304432 ИНФО PDF AN RD RND
Поиск
предложений
Control Integrated POwer System (CIPOS™) IFCM15P60GD
IFCM15P60GDXKMA1
-
Поиск
предложений
IFCM15S60GDXKMA1
IFCM15S60GDXKMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2304433 ИНФО PDF RND
Поиск
предложений
Power Driver Module IGBT 3 Phase Inverter 650V 30A 24-PowerDIP Module (1.028", 26.10mm)
IFCM15S60GDXKMA1
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()