Интегрированная управляющая силовая система CIPOSTM

В документе представлено описание референсной платы на основе интеллектуального силового модуля (Intelligent Power Module или IPM) CIPOSTM (Control Integrated POwer System) mini с интегрированным инвертором и базовые требования к работе продукта в рекомендованном режиме. Рассмотрено влияние условий окружающей среды на изделие
931
В избранное

Референсная плата интеллектуального силового модуля (Тип 3) с интегрированным инвертором и тремя токочувствительными резисторами

В документе представлено описание референсной платы на основе интеллектуального силового модуля (Intelligent Power Module или IPM) CIPOSTM (Control Integrated POwer System) mini с интегрированным инвертором и базовые требования к работе продукта в рекомендованном режиме. Рассмотрено влияние условий окружающей среды на изделие. Изделие было протестировано, как описано в этом документе, но не квалифицировано в отношении требований безопасности, производства, эксплуатации и срока службы во всем температурном диапазоне. Платы, поставляемые компанией Infineon, предназначены только для функционального тестирования. Референсные платы не подпадают под те же процедуры, что и обычные изделия: анализ возвратов (RMA – Returned Material Analisys), уведомление об изменении процесса (PSN - Process Change Notification) и снятие продукта с производства (PD- Product Discontinuation). Референсные платы предназначены для использования только в лабораторных условиях и только специалистами.

Введение

Референсная плата содержит интеллектуальный силовой модуль IGCM10F60GA, минимум периферийных компонентов и три токочувствительных резистора. Она предназначена для оценки пользователем производительности модуля IPM CIPOSTM Mini, для чего необходимо подключение к изделию источников управляющих сигналов и силовых проводов. На рис. 1 представлен внешний вид референсной платы. В документе также описывается, как добиться ключевых параметров и разработать печатную плату (PCB layout). Пример включения референсной платы представлен на Рис. 2.

Внешний вид референсной платы сверху (слева) и снизу (справа)

Рис. 1. Внешний вид референсной платы сверху (слева) и снизу (справа)

Пример включения референсной платы

 

Рис. 2. Пример включения референсной платы

Схема

На Рис. 3 показана схема  референсной платы. Она содержит интерфейсные цепи, бутстрепную схему, демпферный конденсатор, цепи защиты от короткого замыкания, цепи выхода сигнала аварии (VFO), токочувствительные резисторы, пассивные компоненты и т. д.

Схема референсной платы

Рис. 3. Схема референсной платы

Примечание: «Vctr» на выводе 9 разъема J1 обозначает напряжение питания 5 В или 3.3 В цепи управляющего сигнала.

Примечание: В случае необходимости иметь меньший номинал бутстрепного резистора, можно использовать внешнюю бутстрепную цепь вместе с внутренней, как показано пунктирной линией на Рис.3.

Внешние соединения

  • Сигнальный разъем 1

 Таблица 1. Описание контактов сигнального разъема 1 (11-контактный  разъем J1, шаг контактов 2.5 мм)

№ контакта

Наименование

Описание

1

HIN(U)

Вход управляющего сигнала для фазы U IGBT верхнего плеча

2

HIN(V)

Вход управляющего сигнала для фазы V IGBT верхнего плеча

3

HIN(W)

Вход управляющего сигнала для фазы W IGBT верхнего плеча

4

LIN(U)

Вход управляющего сигнала для фазы U IGBT нижнего плеча

5

LIN(V)

Вход управляющего сигнала для фазы V IGBT нижнего плеча

6

LIN(W)

Вход управляющего сигнала для фазы W IGBT нижнего плеча

7

/Fo

Выходной сигнал аварии/Монитор температуры (опционально)

8

NC

Не подключен

9

Vctr

Внешний источник питания 5 В или 3,3 В для схемы управляющего сигнала

10

VDD

Внешний 15 В источник питания для модуля

11

GND

Земля

  • Сигнальный разъем 2

Таблица 2. Описание контактов сигнального разъема 2 (3-контактный  разъем J2, шаг контактов 2.5 мм)

№ контакта

Наименование

Описание

1

ISE(NU)

Выход NU мониторинга тока

2

ISE(NV)

Выход NV мониторинга тока

3

ISE(NW)

Выход NW мониторинга тока

  • Силовые терминалы

Таблица 3. Описание контактов силовых терминалов

Наименование терминала

Описание

U

Выходной узел фазы U

V

Выходной узел фазы V

W

Выходной узел фазы  W

P

Узел положительного напряжения цепи постоянного тока

N

Узел отрицательного напряжения цепи постоянного тока

Установка ключевых параметров

  • Цепи входных сигналов (HIN(X), LIN(X))

Входные сигналы совместимы либо с TTL, либо со CMOS уровнями. Логический уровень может снизиться до 3.3 В. Максимальное входное напряжение на входном сигнальном контакте  ограничивается внутренним стабилитроном до 10.5 В. Однако рекомендованный диапазон входного напряжения ограничен напряжением 5 В. Активный уровень входных сигналов HIN(X) и LIN(X) – высокий. Эти контакты имеют внутреннюю подтяжку к земле с помощью резисторов номиналом 5 кОм. Входной внутренний шумовой фильтр CIPOSTM IPM Mini подавляет короткие импульсы и предотвращает срабатывания  IGBT от непреднамеренных воздействий. Типичная постоянная времени фильтра составляет tFLIN=270 нс. Это означает, что для корректного управления IGBT входной сигнала в течение этого времени должен оставаться на постоянном уровне. Модули IPM CIPOSTM Mini могут быть напрямую подключены к контроллеру без внешнего входного RC фильтра, что обусловлено наличием внутреннего подтягивающего к земле резистора и входного шумового фильтра, как показано на Рис. 4.

Внутренний подтягивающий к земле резистор и входной фильтр шума, подключенный к контакту входного сигнала

Рис. 4. Внутренний подтягивающий к земле резистор и входной фильтр шума, подключенный к контакту входного сигнала

  • Бутстрепный конденсатор

Бутстреппинг – это распространенный метод накачки заряда от низкого к высокому потенциалу. Используя эту технологию, напряжение источника питания может быть легко установлено для драйвера затвора верхнего плеча (floating high side section). На Рис. 5 приведена схема простой бутстрепной цепи, где изображена только цепь для одной фазы трехфазного полумостового инвертора. Для ограничения тока функция бутстреппинга реализована внутри. Подробные сведения о методе бутсреппинга можно найти в технической документации.

Бутсрепная схема для источника питания драйвера затвора верхнего плечаРис. 5. Бутсрепная схема для источника питания драйвера затвора верхнего плеча

Низкий ток утечки секции верхнего плеча очень важен для того, чтобы бутсрепный конденсатор оставался небольшим. Бутстрепный конденсатор (CBS) разряжается в основном за счет следующих механизмов:

  • Тока покоя микросхемы, текущего к схеме верхнего плеча
  • Заряда затвора для включения IGBT верхнего плеча
  • Смещения уровня, вызванного сдвигом уровня в микросхеме
  • Тока утечки бутстрепного конденсатора (можно игнорировать для неэлектролитического конденсатора)
  • Тока утечки бутстрепного диода
  • Заряда для обратного восстановления бутстрепного диода

Величину бутстрепного конденсатора можно вычислить по формуле:

Бутсрепная схема для источника питания драйвера затвора верхнего плечаГде;

  • CBS : величина емкости бутстрепного конденсатора
  • Ileak : максимальный ток разряда конденсатора CBS
  • tp: максимальная длительность импульса верхнего плеча IGBT
  • ΔVBS: падение напряжения на бутстрепном конденсаторе в течение периода переключения

На практике максимальный уровень тока утечки IPM CIPOS ™ Mini составляет 1 мА для одного цикла включения HS IGBT. На рисунке 6 показана кривая, соответствующая приведенному выше уравнению CBS для непрерывной синусоидальной модуляции, когда пульсация напряжения (ΔVBS) составляет 0.1 В. Рекомендуемая емкость бутстрепного конденсатора для непрерывного синусоидального  метода модуляции находится в диапазоне до 4,7 мкФ для частот переключения 2 - 20 кГц. В случае иного ШИМ-метода, такого как прерывистая синусоидальная модуляция, величина tp  должна быть установлена на величину, соответствующую самому длительному периоду выключенного состояния IGBT нижнего плеча.

Величина бутсрепного конденсатора, как функция частоты переключения, Fшим

Рис. 6. Величина бутсрепного конденсатора, как функция частоты переключения, Fшим

  • Характеристики внутренней бутстрепной цепи

IPM CIPOSTM Mini включает три бутстрепные цепи внутри микросхемы драйверов затворов, которые содержат три диода и три резистора (на Рис. 5 показано для одного драйвера). Типичная величина внутреннего бутстрепного резистора составляет 40 Ом. Ниже, в Таблице 4 можно найти дополнительную информацию. Заметим, что  RBS2 и RBS3 имеют одинаковые значения с RBS1.

Таблица 4.  Характеристики внутренней бутстрепной цепи

Характеристика

Состояние

Символ

Мин.

Типич

Размерность

Повторяющееся пиковое обратное напряжение

 

VRRM

600

 

В

Бутстрепное сопротивление в цепи U-фазы

VS2 или VS3=300V, TJ=25°C

VS2 и VS3=0V, TJ=25°C

VS2 или VS3=300V, TJ=125°C

VS2 и VS3=0V, TJ=125°C

RBS1

35

40

50

65

 

Ом

Время обратного восстановления

IF=0.6A, di/dt=80A/μs

trr_BS

 

50

 

нс

Прямое падение напряжения

IF=20mA, VS2 and VS3=0V

VF_BS

2.6

 

В

  • Защита от перегрузки по току

Уровень защиты от перегрузки по току (Over Current или OC) определяется ITRIP положительным пороговым напряжением (VIT,TH+) и величиной токочувствительного резистора. Когда напряжение ITRIP превышает VIT,TH+, модуль отключает все 6 IGBT и активирует флаг аварии с типичной длительностью 65 мкс.

Временная диаграмма защиты от перегрузки по току

Рис. 7. Временная диаграмма защиты от перегрузки по току

  • Выбор токочувствительного резистора 

Величину токочувствительного резистора можно рассчитать по следующей формуле:

Величину токочувствительного резистора можно рассчитать по формулеГде

  • RSH величина сопротивления токочувствительного резистора
  • VIT,TH+ : ITRIP положительное пороговое напряжение, типичное значение 0.47 В
  • VFILTER, DIODEDROP : падение напряжения от RSH до ITRIP на ORing диоде, типичное значение 0.62 В (1N4148, IF=1mA, TJ=25°C)
  • IOC : уровень перегрузки по току

Максимальная величина уровня защиты от перегрузки по току должна быть меньше максимального пикового выходного тока, указанного в даташите в качестве абсолютного максимального значения с учетом допуска токочувствительного резистора.

Например, максимальный пиковый выходной ток IGCM10F60GA равен 20Apeak,        

Исходя из сказанного выше, рекомендованная величина токочувствительного резистора для IGCM10F60GA должна быть больше 55 мОм.

Чтобы рассчитать номинальную мощность токочувствительного резистора, в вычислениях должны быть учтены:

  • Максимальный ток нагрузки инверторного модуля (IRMS)
  • Величина токочувствительного резистора при Tc=25°C (RSH)
  • Величина снижения номинальной мощности токочувствительного резистора при TSH=100°C
  • Запас надежности (Safety margin)

Номинальная мощность может быть рассчитана по формуле:

formula_4.png (3 KB)

Например, в случае IGCM10F60GA и RSH=55 мОм

  • Максимальный ток нагрузки инверторного модуля (IRMS): 6ARMS
  • Величина токочувствительного резистора при Tc=25°C (RSH): 0.055 Ом
  • Величина снижения номинальной мощности  токочувствительного резистора при TSH=100°C (Derating ratio): 80%
  • Запас надежности: 30%

formula_5.png (3 KB)

Таким образом, рекомендуемая номинальная мощность токочувствительного резистора должна быть более 1,6 Вт.

Исходя из приведенного выше уравнения, условий и метода расчета, некоторые примерные минимальные значения токочувствительного резистора и требуемая мощность резистора для CIPOS ™ Mini инверторных модулей показаны ниже в таблице 5.

При выборе подходящего токочувствительного резистора и его номинальной мощности, должен быть учтен точный уровень выставленной в приложении OC защиты для корректного обнаружения перегрузки по току.

Таблица 5. Максимальный  пиковый ток,  минимальное сопротивление шунта и необходимая номинальная мощность

Изделие

Максимальный пиковый ток

Минимальное сопротивление шунта, RSH

Минимальная мощность шунта,

PSH

IKCM30F60xA

60

18 мОм

6 Вт

IGCM20F60xA

45

24 мОм

4.5 Вт

IGCM15F60xA

30

36 мОм

3 Вт

IGCM10F60xA

20

55 мОм

1.6 Вт

IGCM06x60xA

12

90 мОм

1.2 Вт

IGCM04F60xA

8

135 мОм

0.7 Вт

  • Время задержки

Чтобы предотвратить ложное срабатывание защиты от перегрузки по току (OC), вызванное воздействием шума, в измерительной цепи необходим RC фильтр. Постоянная времени RC фильтра должна определяться с учетом шумового периода и времени реакции IGBT при наступлении перегрузки по току. Когда ток протекает через шунт, падающее на нем напряжение подается на вывод ITRIP инвертора CIPOS ™ Mini IPM через RC-фильтр. В то время как напряжение на выводе ITRIP растет к положительному порогу (типичное значение 0.47 В), время задержки tFilter определяется постоянной времени RC фильтра. Кроме того, существует задержка выключения на ITRIP (tITRIP), как показано ниже в Таблице 6.

Таблица 6. Задержка выключения 

Параметр и модуль

Условия

Типичное, нс

Задержка выключения

(tITRIP)

 

IKCM30F60xA

Iout =20A, от VIT,TH+ до  10% Iout

1420

IGCM20F60xA

Iout =15A, от VIT,TH+ до  10% Iout

1540

IGCM15F60xA

Iout =10A, от VIT,TH+ до  10% Iout

1340

IGCM10F60xA

Iout =6A, от VIT,TH+ до  10% Iout

1260

IGCM06x60xA

Iout =4A, от VIT,TH+ до  10% Iout

1300

IGCM04F60xA

Iout =2.5A, от VIT,TH+ до  10% Iout

1320

Следовательно, общее время задержки от наступления события OC (перегрузка по току) до выключения затвора IGBT составит:

formula_6.png (997 b)Задержка выключения обратно пропорциональна диапазону тока. Следовательно, tITRIP будет короче на более высоких значениях тока по сравнению со значениями, приведенными в Таблице 6. Общая задержка должна быть менее 5 мкс во время короткого замыкания tsc. Таким образом, постоянная времени RC должна быть установлена в пределах 1 – 2 мкс. Рекомендуемое значение параметров компонентов RC фильтра (Рис. 3): 1.8 кОм R10, 1 нФ C17, 3 кОм R16, 100 Ом R17 - R19 и 1 нФ C20 -C22.

  • Температурный монитор и термозащита

В случае c CIPOS™ Mini IPM встроенный термистор (85 кОм на  25°C) подключен между VFO и VSS. Типичная схема приложения выглядит так, как показано на рисунке 8, где вывод VFO используется как для температурного зондирования с помощью термистора, так и для флага ошибки. Напряжение на выводе VFO уменьшается, когда температура термистора увеличивается, поскольку используется термистор NTC, т.е. с отрицательным температурным коэффициентом, и он подключен к внешнему подтягивающему к питанию  резистору. Заметим, что изменение напряжения на выводе VFO, которое генерируется изменением температуры термистора, всегда должно быть выше уровня обнаружения неисправности микроконтроллером. На этой референсной плате величина подтягивающего к питанию резистора составляет 3,6 кОм, так что значение напряжения VFO составляет 2,95 В и 1,95 В для источника питания схемы управляющего сигнала Vctr 5 В и 3,3 В, соответственно, при температуре термистора 100 ° C (см.  Рис. 9).

Монитор температуры со встроенным термистором и подтягивающим к питанию резистором R11

Рис. 8. Монитор температуры со встроенным термистором и подтягивающим к питанию резистором R11

Изменение напряжения VFO в соответствии с изменением температуры термистора NTC

Рис. 9. Изменение напряжения VFO в соответствии с изменением температуры термистора NTC

Список компонентов (только для референсной платы. Поставщики компонентов могут быть изменены).

Список компонентов         

Примечание: В случае необходимости иметь меньший номинал бутстрепного резистора,  можно использовать внешнюю бутстрепную цепь вместе с внутренней, как показано пунктирной линией на Рис.3.

Руководство по проектированию печатной платы

В целом, при проектировании приложений с переключением источника питания необходимо продумать несколько вопросов:

  • Минимизация уровня индуктивной связи, вызванной рассеянным полем
  • Обеспечение расстояний, гарантирующих изоляцию
  • Размещение компонентов

В разделе будут рассмотрены эти вопросы и решения для обеспечения наилучшего дизайна платы.

  • Трассировка референсной платы

Трассировка печатной платы. Вид сверху (слева) и снизу (справа – условно прозрачная плата)

Рис. 10. Трассировка печатной платы. Вид сверху (слева) и снизу (справа – условно прозрачная плата)

  1. Дорожки между эмиттерами CIPOS ™ Mini IPM (NU, NV, NW) и токочувствительными резисторами должны быть как можно короче и как можно шире.
  2. Рекомендуется, чтобы вывод земли микроконтроллера был напрямую подключен к VSS. Сигнальная земля и земля питания должны быть, как можно короче, и подключены только к одной точке с конденсатором VDD (C16).
  3. Все байпасные конденсаторы должны быть расположены как можно ближе к контактам CIPOS ™ Mini IPM.
  4. Конденсатор (C17) для напряжения, снимаемого с токочувствительного резистора, должен быть расположен как можно ближе к ITRIP и VSS.
  5. Чтобы точно определить напряжение на токочувствительном резисторе, как измерительные, так и заземляющие цепи рисунка печатной платы должны быть подключены к контактам токочувствительного резистора и не должны перекрываться с любыми дорожками, по которым течет ток нагрузки, как показано на рисунке 10.
  6. Демпферный конденсатор (C20) должен располагаться как можно ближе к клеммам питания.
  7. Трассировка для силовых контактов PCB, таких как P, U, V, W, NU, NV и NW, должна проходить в верхних и нижних слоях со сквозными отверстиями для контактов, чтобы обеспечить протекание высокого тока. Должно быть обеспечено минимальное  изолирующее расстояние между силовыми дорожками  не менее 2,54 мм).
  8. Обратите внимание, что на плате используются профили фрезерования (синие линии), чтобы обеспечить изолирующую дистанцию
  9. Все компоненты, за исключением IPM CIPOS ™ Mini, размещаются в верхнем слое.
Журнал: https://www.infineon.com
Производитель: Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
IGCM04B60GAXKMA1
IGCM04B60GAXKMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2114510 ИНФО PDF RND
Доступно: 329 шт.
Выбрать
условия
поставки
Intelligent Power Modules (IPM), CIPOS™ Mini transfer-molded intelligent power modules achieve cost efficiency and were designed specifically for home ap…
IGCM04B60GAXKMA1 от 20 шт. от 589,87
329 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
IGCM06F60GAXKMA1
IGCM06F60GAXKMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2114518 ИНФО PDF RND
Доступно: 259 шт. от: 355 руб.
Intelligent Power Modules (IPM), CIPOS™ Mini transfer-molded intelligent power modules achieve cost efficiency and were designed specifically for home ap…
IGCM06F60GAXKMA1 от 355,00 от 7 шт. 355,00 от 14 шт. 355,00 от 28 шт. 355,00 от 84 шт. 355,00
102 шт.
(на складе)
157 шт.
(под заказ)
IGCM10F60GAXKMA1
IGCM10F60GAXKMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2114522 PDF AN RND
Доступно: 157 шт. от: 863 руб.
IGCM10F60GAXKMA1 от 863,00 от 5 шт. 740,00 от 11 шт. 666,00 от 28 шт. 617,00 от 56 шт. 586,00
107 шт.
(на складе)
50 шт.
(под заказ)
IKCM15L60GDXKMA1
IKCM15L60GDXKMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2114624 ИНФО PDF RND
Доступно: 142 шт. от: 1460 руб.
CIPOS™ Mini-DCB transfer-molded intelligent power modules achieve cost efficiency and were designed specifically for home appliance and low power industrial application with a current rating from 4A to 30A and a power rating up to 3kW.
IKCM15L60GDXKMA1 от 1460,00 от 3 шт. 1250,00 от 7 шт. 1130,00 от 14 шт. 1050,00 от 42 шт. 993,00
54 шт.
(на складе)
88 шт.
(под заказ)
IFCM20T65GDXKMA1
IFCM20T65GDXKMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2286952 ИНФО PDF
Доступно: 143 шт.
Выбрать
условия
поставки
Intelligent Power Modules (IPM), The CIPOS™ module family offers the chance for integrating various power and control components to increase reliability,…
IFCM20T65GDXKMA1 от 1939,35
143 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
IFCM30T65GDXKMA1
IFCM30T65GDXKMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2286954 ИНФО PDF
Доступно: 96 шт.
Выбрать
условия
поставки
Intelligent Power Modules (IPM), The CIPOS™ module family offers the chance for integrating various power and control components to increase reliability,…
IFCM30T65GDXKMA1 от 2078,03
96 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
IFCM10P60GDXKMA1
IFCM10P60GDXKMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2304430 ИНФО RND
Доступно: 80 шт. от: 1810 руб.
IFCM10P60GDXKMA1 от 1810,00 от 3 шт. 1550,00 от 5 шт. 1400,00 от 11 шт. 1290,00 от 28 шт. 1230,00
22 шт.
(на складе)
58 шт.
(под заказ)
IFCM10S60GDXKMA1
IFCM10S60GDXKMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2304431 ИНФО RND
Доступно: 105 шт. от: 956 руб.
Control Integrated POwer System (CIPOS™) IFCM10S60GD
IFCM10S60GDXKMA1 от 956,00 от 3 шт. 956,00 от 5 шт. 956,00 от 11 шт. 956,00 от 28 шт. 956,00
25 шт.
(на складе)
80 шт.
(под заказ)
IFCM15P60GDXKMA1
IFCM15P60GDXKMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2304432 ИНФО RND DT
Доступно: 202 шт. от: 1810 руб.
Control Integrated POwer System (CIPOS™) IFCM15P60GD
IFCM15P60GDXKMA1 от 1810,00 от 3 шт. 1550,00 от 5 шт. 1400,00 от 11 шт. 1290,00 от 28 шт. 1230,00
28 шт.
(на складе)
174 шт.
(под заказ)

Сравнение позиций

  • ()