Cum să simplificați modelele de drivere de motoare și invertoare utilizând modulele IGBT

Motoarele și invertoarele sunt din ce în ce mai utilizate în aplicații precum automatizarea industrială, robotica, vehiculele electrice, energia solară, produsele albe și instrumentele electrice. Alături de această creștere stă necesitatea de îmbunătățire a randamentului, de reducere a costurilor și a dimensiunilor și de simplificare a designului general. Deși este tentant să proiectăm componente electronice de putere personalizate pentru motoare și invertoare utilizând tranzistoarele bipolare cu poartă izolată (IGBT-uri) pentru conformarea la cerințe specifice, acest lucru poate fi costisitor pe termen lung și poate întârzia realizarea programelor de proiectare.

În schimb, proiectanții pot utiliza module IGBT standard, care combină mai multe dispozitive de alimentare într-un singur pachet. Astfel de module sprijină nevoia proiectanților de a dezvolta sisteme compacte cu un număr minim de interconectări, simplificând, astfel, asamblarea, reducând timpul necesar introducerii pe piață și costurile și îmbunătățind performanța generală. Combinate cu un driver IGBT adecvat, modulele IGBT permit dezvoltarea de invertoare și drivere de motoare eficiente și rentabile.

Acest articol descrie pe scurt motoarele și invertoarele electrice și circuitele de acționare asociate, precum și cerințele legate de performanță. Apoi, va revizui beneficiile utilizării modulelor IGBT și a diferitelor standarde de ambalare a modulelor înainte de a introduce opțiuni de proiectare pentru drivere de motoare și invertoare bazate pe module IGBT și CI-uri de driver de la furnizori precum NXP Semiconductors, Infineon Technologies, Texas Instruments, STMicroelectronics și ON Semiconductor, precum și modul de aplicare a acestora, inclusiv utilizarea plăcilor de evaluare.

Tipuri de motoare și standarde de eficiență

IEC/EN 60034-30 împarte eficiența motorului în 5 clase, de la IE1 la IE5. Asociația Națională a Producătorilor de Electricitate (NEMA) are o scală de evaluare corespunzătoare de la „eficiența standard” la eficiența „ultra-premium” (Figura 1). Utilizarea elementelor electronice de acționare este necesară pentru respectarea standardelor mai ridicate legate de eficiență. Motoarele cu inducție c.a. cu elemente electronice de acționare pot îndeplini cerințele IE3 și IE4. Pentru a atinge nivelurile de eficiență IE5 sunt necesare motoare magnetice permanente mai scumpe și elemente electronice de acționare.

Figura 1: Clase de eficiență a motorului în conformitate cu IEC/EN 60034-30 (de la IE1 la IE5) și clasificările NEMA corespunzătoare (eficiență standard până la eficiență ultra-premium). Motoarele cu inducție c.a. cu FOC și elemente electronice de acționare pot îndeplini cerințele IE3 și IE4. Motoarele magnetice permanente sunt necesare pentru îndeplinirea cerințelor privind nivelurile de eficiență IE5. (Sursă imagine: ECN)

Dezvoltarea microcontrolerelor ieftine (MCU-uri) le-a permis proiectanților să utilizeze controlul vectorial, numit și control orientat pe câmp (FOC), o metodă de control cu variator de frecvență (VFD) în care curenții statorului unui motor trifazat de c.a. sunt identificați ca două componente ortogonale ce pot fi vizualizate cu un vector. Controlerele proporțional-integrale (PI) pot fi utilizate pentru menținerea componentelor curente măsurate la valorile dorite. Modulația lățimii impulsurilor VFD definește comutarea tranzistorului conform referințelor de tensiune ale statorului, care reprezintă ieșirea controlerelor de curent PI.

Dezvoltat inițial pentru sisteme de înaltă performanță, FOC devine din ce în ce mai atractiv și pentru aplicațiile cu costuri mai mici, datorită dimensiunii motorului FOC, prețului mai mic și consumului redus de energie. Datorită disponibilității din ce în ce mai mari a MCU-urilor ce oferă înaltă performanță la prețuri mici, FOC înlocuiește la scară din ce în ce mai largă controlul volt-per-hertz (V/f) scalar monovariabil de performanță mai mică.

În prezent există două tipuri principale de motoare cu magnet permanent, c.c. fără perii (BLDC) și motoare sincrone cu magnet permanent (PMSM). Ambele aceste modele de motoare avansate necesită componente electronice de putere pentru acționare și control.

Motoarele BLDC sunt durabile, eficiente și rentabile. Motoarele PMSM au atributele motoarelor BLDC cu zgomot mai mic și eficiență ușor mai mare. Ambele tipuri de motoare sunt utilizate în mod obișnuit cu senzorii Hall, dar pot fi utilizate și în modele fără senzori. Motoarele PMSM sunt utilizate în aplicații care necesită cele mai înalte niveluri de performanță, în timp ce motoarele BLDC sunt utilizate în modele mai sensibile din punct de vedere al costurilor.

• Motoarele BLDC
  • Mai ușor de controlat (6 pași) și sunt necesari doar curenți c.c.
  • Undă de cuplu la comutare
  • Cost mai mic și performanță mai mică (în comparație cu PMSM)
• Motoarele PMSM
  • Utilizate în mod obișnuit în servo-drivere cu un codificator de arbore integrat
  • Control mai complex (are nevoie de PWM sinusoidal trifazat)
  • Fără undă de cuplu la comutare
  • Eficiență mai mare, cuplu mai mare
  • Cost mai mare și performanță mai mare (în comparație cu BLDC)

Prezentare generală a invertorului

Eficiența unui invertor arată cât de multă putere de intrare c.c. este convertită în c.a. la ieșire. Invertoarele cu undă sinusoidală de înaltă calitate oferă o eficiență de 90-95%. Invertoarele cu undă sinusoidală modificate de calitate inferioară sunt mai simple, mai puțin costisitoare și mai puțin eficiente, de obicei 75-85%. De obicei, invertoarele de înaltă frecvență sunt mai eficiente decât modelele de joasă frecvență. Eficiența invertorului depinde și de sarcina invertorului (Figura 2). Toate invertoarele necesită comenzi și elemente electronice de acționare de putere.

În cazul invertoarelor fotovoltaice, există trei tipuri de clasificări ale eficienței:

• Eficiența maximă indică performanța invertorului la puterea optimă de ieșire. Aceasta arată punctul maxim pentru un anumit invertor și poate fi utilizată drept criteriu al calității acestuia (Figura 2).
• Eficiența europeană este numărul ponderat, luând în considerare frecvența cu care invertorul va funcționa la diferite puteri de ieșire. Uneori este mai utilă decât eficiența maximă, deoarece arată cum funcționează invertorul la diferite niveluri de ieșire în timpul unei zile solare.
• De asemenea, eficiența conform Comisiei pentru Energie din California (CEC) este o eficiență ponderată, similară eficienței europene, dar care utilizează presupuneri diferite privind factorii de ponderare.

Principala diferență între eficiența europeană și cea conform CEC este că ipotezele cu privire la importanța fiecărui nivel de putere pentru un anumit invertor se bazează pe datele pentru Europa Centrală în primul caz și pentru California în cel din urmă.

Figura 2: Curba eficienței unui invertor tipic, care arată punctul de eficiență maximă. (Sursă imagine: Penn State University)

Noțiuni de bază IGBT

Funcția de bază a unui IGBT este cea mai rapidă comutare posibilă a curenților electrici, cu cele mai mici pierderi posibile. După cum indică și numele, un IGBT este un tranzistor bipolar cu o structură de poartă izolată; poarta în sine este, practic, un MOSFET. Prin urmare, IGBT combină avantajele capacităților de transport al curenților înalți și ale tensiunilor mari de blocare ale unui tranzistor bipolar cu controlul capacitiv, de joasă putere, al unui MOSFET. Figura 3 prezintă modul în care un MOSFET și un tranzistor bipolar combinat duc la IGBT.

Figura 3: Structura conceptuală a unui IGBT care arată MOSFET-ul care formează poarta izolată și structura tranzistorului bipolar care este secțiunea de gestionare a puterii. (Sursă imagine: Infineon Technologies)

Funcționarea fundamentală a unui IGBT este simplă: o tensiune U_GE pozitivă de la poartă (G, în Figura 3) la emițător (E) pornește MOSFET-ul. Apoi, tensiunea conectată la colector (C) poate conduce curentul de bază prin tranzistorul bipolar și MOSFET; tranzistorul bipolar pornește și este permis fluxul de curent de sarcină. O tensiune U_GE ≤ 0 volți oprește MOSFET-ul, curentul de bază este întrerupt și tranzistorul bipolar se oprește, la rândul său.

Chiar dacă este simplă din punct de vedere conceptual, dezvoltarea hardware-ului pentru controlul unui IGBT – un driver de poartă – poate fi o sarcină complexă ca urmare a numeroaselor nuanțe legate de performanță din dispozitivele și circuitele reale. De cele mai multe ori nu este necesară. Producătorii de semiconductori oferă drivere de poartă adecvate cu o mare varietate de funcții și capabilități ca soluții integrate. Tocmai de aceea este important ca modulele IGBT să fie compatibile cu driverele de poartă adecvate.

Modulele IGBT sunt oferite într-o mare varietate de pachete (Figura 4). Cele mai mari dimensiuni sunt evaluate la 3.300 de volți sau mai mult și sunt proiectate spre a fi utilizate în instalații de megawați, cum ar fi sistemele de energie regenerabilă, sursele de alimentare neîntreruptibile și driverele de motoare foarte mari. De obicei, modulele de dimensiuni medii sunt clasificate ca având valori nominale încadrate între 600 și 1700 de volți pentru o varietate de aplicații, inclusiv vehicule electrice, drivere de motoare industriale și invertoare solare.

Figura 4: Modulele IGBT sunt oferite într-o mare varietate de pachete. Valorile tipice ale tensiunii variază de la 600 de volți la 3.300 de volți. (Sursă imagine: Fuji Electric)

Cele mai mici dispozitive se numesc module de putere integrate și sunt clasificate ca având valori nominale de 600 de volți și pot include drivere de poartă încorporate și alte componente pentru driverele de motoare în sisteme industriale mai mici și electrocasnicele de mari dimensiuni. IGBT-urile funcționează la niveluri de putere mai înalte și frecvențe de comutare mai mici, comparativ cu alte tipuri de componente de comutare a puterii (Figura 5).

Figura 5: Intervalul de putere versus frecvența de comutare pentru dispozitivele comune de comutare a puterii (Sursă imagine: Infineon Technologies)

Placă de evaluare a modulului IGBT pentru invertoare de tracțiune

Pentru proiectanții invertoarelor de tracțiune de înaltă tensiune, NXP Semiconductors oferă placa de evaluare a managementului consumului de energie pentru driverul de poartă FRDMGD3100HBIEVM utilizând CI-ul său de driver de poartă cu punte parțială MC33GD3100A3EK. Această placă de evaluare este special concepută pentru a fi utilizată cu modulul IGBT FS820R08A6P2BBPSA1 de la Infineon (Figura 6). Aceasta este o soluție completă și include circuite integrate pentru driverul de poartă cu punte parțială, condensatorul de legătură c.c. și placa translatorului pentru conectarea la un PC care furnizează semnalele de control. Aplicațiile vizate includ:

• Motoare de tracțiune pentru vehiculele electrice și convertoare c.c. de înaltă tensiune
• Încărcătoare externe și încărcătoare încorporate pentru vehicule electrice
• Alte aplicații de comandă a motorului c.a. de înaltă tensiune

Figura 6: Placa de evaluare a managementului consumului de energie pentru driverul de poartă FRDMGD3100HBIEVM de la NXP atașată la modulul IGBT FS820R08A6P2BBPSA1 de la Infineon care arată poziția MC33GD3100A3EK, CI-urile driverului de poartă cu punte parțială, condensatorul de legătură c.c. și placa translatorului pentru conectarea la un PC care furnizează semnalele de control. (Sursă imagine: NXP Semiconductors)

Driver pentru module IGBT de 150 mm x 62 mm x 17 mm

Pentru proiectanții de drivere de motoare, invertoare solare, încărcătoare HEV și EV, turbine eoliene, transport și sisteme de alimentare neîntreruptibile, Texas Instruments a dezvoltat ISO5852SDWEVM-017 (Figura 7). Este o placă de driver de poartă izolată, cu două canale, compactă, care oferă acționare, tensiuni de polarizare, protecție și diagnosticare necesare pentru MOSFET-ul generic cu punte parțială din carbură de siliciu (SiC) și module IGBT din siliciu găzduite în pachete standard de 150 mm × 62 mm × 17 mm. Acest TI EVM se bazează pe CI cu driverul de izolare armat ISO5852SDW de 5.700 de volți rms într-un pachet SOIC-16DW cu linia de fugă și distanța de siguranță de 8,0 mm. EVM include surse de alimentare polarizate pentru transformatorul c.c./c.c. izolate, bazate pe SN6505B.

Figura 7: Placa de driver de poartă izolată, cu două canale ISO5852SDWEVM-017 de la Texas Instruments montată deasupra unui modul IGBT de 150 mm × 62 mm. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Plăci de evaluare a modulului de alimentare inteligent

STMicroelectronics oferă placa de evaluare a motorului trifazat de 2.000 de wați STEVAL-IHM028V2 (Figura 8) cu modulul de alimentare inteligent STGIPS20C60 IGBT. Placa de evaluare este un invertor c.c./c.a., care generează o formă de undă pentru acționarea motoarelor trifazate, cum ar fi motoarele cu inducție sau motoarele PMSM de până la 2000 de wați în HVAC (aparate de aer condiționat), electrocasnice de mari dimensiuni și scule electrice monofazate de ultimă generație. Proiectanții pot utiliza acest EVB pentru a implementa proiecte FOC cu motoare de curent alternativ trifazate.

Secțiunea principală a acestui EVM este un design universal, complet evaluat și populat, constând dintr-o punte invertor trifazat pe bază de modulul de alimentare inteligent IGBT de 600 de volți din pachetul SDIP 25L montat pe radiator. Modulul de alimentare inteligent integrează toate comutatoarele IGBT de putere cu diode cu rotire liberă împreună cu driverele de poartă de înaltă tensiune. Acest nivel de integrare economisește spațiu PCB și costuri de asamblare și contribuie la îmbunătățirea fiabilității. Placa este concepută pentru a fi compatibilă cu rețeaua de alimentare monofazată, alimentând de la 90 la 285 de volți c.a. și este, de asemenea, compatibilă cu intrări de la 125 până la 400 de volți c.c.

Figura 8: Placă de evaluare a produsului STEVAL-IHM028V2 de la STMicroelectronics cu FOC. Această placă poate fi utilizată pentru a evalua o gamă largă de aplicații precum HVAC (aparate de aer condiționat), electrocasnice de mari dimensiuni și scule electrice monofazate de ultimă generație. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Placa de evaluare de 850 de wați gestionează mai multe tipuri de motoare

ON Semiconductor oferă placa de evaluare SECO-1KW-MCTRL-GEVB, care permite proiectanților să controleze diferite tipuri de motoare (motor cu inducție c.a., PMSM, BLDC) utilizând diferiți algoritmi de control, inclusiv FOC, implementat cu un microcontroler care poate fi conectat prin regletele Arduino Due (Figura 9). Placa este proiectată pentru a fi utilizată cu Arduino DUE (reglete compatibile) sau cu o placă de control similară unui MCU. Placa a fost introdusă pentru a sprijini dezvoltatorii în primii pași de proiectare a aplicațiilor cu module de putere integrate și corecție a factorului de putere. Este destinat utilizării de către proiectanții de pompe și ventilatoare industriale, sisteme de automatizare industriale și aparate de consum.

Figura 9: Diagramă bloc a plăcii de evaluare SECO−1KW−MCTRL−GEVB de la ON Semiconductor (Sursă imagine: ON Semiconductor)

Această placă de evaluare se bazează pe NFAQ1060L36T (Figura 10), un stadiu de putere al invertorului integrat format dintr-un driver de înaltă tensiune, șase IGBT-uri și un termistor, potrivit pentru acționarea motoarelor cu inducție c.a. și PMSM, BLDC. IGBT-urile sunt configurate într-o punte trifazată cu conexiuni separate de emițător la picioarele inferioare pentru flexibilitate maximă în alegerea algoritmului de control. Etapa de alimentare are o gamă completă de funcții de protecție, inclusiv protecție la transconductanță, oprire externă și funcții de blocare a subtensiunii. Un comparator intern și o referință conectată la circuitul de protecție la supracurent oferă proiectantului posibilitatea de a-și stabili nivelul de protecție.

Figura 10: Schemă bloc funcțională a modulului integrat de putere NFAQ1060L36T de la ON Semiconductor (Sursă imagine: ON Semiconductor)

Rezumat al funcțiilor modulului de alimentare integrat NFAQ1060L36T:

• Modul IGBT trifazat de 10 amperi/600 de volți cu drivere integrate
• Pachet compact în linie dual de 29,6 mm x 18,2 mm
• Protecție la subtensiune încorporată
• Protecție la transconductanță
• Intrare ITRIP pentru a închide toate IGBT-urile
• Diodele și rezistențele bootstrap integrate
• Termistor pentru măsurarea temperaturii substratului
• Pin de închidere
• Certificare UL1557

Concluzie

Proiectarea componentelor electronice de putere personalizate pentru motoare și invertoare utilizând IGBT-uri discrete pentru conformarea la cerințele specifice poate fi costisitoare pe termen lung și poate întârzia realizarea programelor de proiectare. În schimb, proiectanții pot utiliza module IGBT standard, care combină mai multe dispozitive de alimentare într-un singur pachet. Astfel de module sprijină nevoia proiectanților de a dezvolta sisteme compacte cu un număr minim de interconectări, simplificând, astfel, asamblarea, reducând timpul necesar introducerii pe piață și costurile și îmbunătățind performanța generală.

După cum s-a arătat, proiectanții pot utiliza un modul IGBT cu un driver IGBT adecvat pentru a dezvolta drivere de motoare și invertoare compacte și rentabile îndeplinind standardele de performanță și eficiență.

Lectură recomandată

1. Implementare rapidă a proiectelor de control al motorului utilizând un CI de acționare cu un microcontroler integrat
2. Utilizați drivere IGBT pentru curent înalt cu protecție încorporată pentru un control fiabil al motorului industrial