Uporaba motorjev in inverterjev še naprej narašča na različnih področjih uporabe, kot so industrijska avtomatizacija, robotika, električna vozila, sončna energija, bela tehnika in električno orodje. To rast spremlja potreba po izboljšanju učinkovitosti, znižanju stroškov, skrčenju površine in poenostavitvi splošne zasnove. Medtem, ko je mikavno, da bi močnostno elektroniko motorjev in inverterjev zasnovali z diskretnimi izoliranimi bipolarnimi tranzistorji (IGBT-ji) tako, da ustrezajo specifičnim zahtevam, je to lahko dolgoročno drago in povzroči zamude pri programih zasnove.
Namesto tega lahko snovalci uporabijo serijske module IGBT, ki združujejo več močnostnih naprav v enem paketu. Takšni moduli podpirajo potrebo snovalcev po razvoju kompaktnih sistemov z minimalnimi medsebojnimi povezavami, kar poenostavi sestavljanje, skrajša čas, potreben za predstavitev na trgu, in zniža stroške ter izboljša celotno zmogljivost. V kombinaciji z ustreznim gonilnikom IGBT moduli IGBT omogočajo razvoj učinkovitih motornih pogonov in inverterjev.
Ta članek na kratko opiše električne motorje in inverterje ter povezana krmilna vezja in zahteve glede delovanja. Nato sledi pregled prednosti uporabe modulov IGBT in različnih standardov pakiranja modulov, čemur sledi predstavitev možnosti zasnove motornega pogona in inverterja na osnovi modulov IGBT in integriranih vezij gonilnika trgovcev, ko so NXP Semiconductors, Infineon Technologies, Texas Instruments, STMicroelectronics in ON Semiconductor, ter kako jih uporabiti, vključno z uporabo ocenjevalnih plošč.
Vrste motorjev in standardi učinkovitosti
IEC/EN 60034-30 razdeli učinkovitost motorjev na 5 razredov, od IE1 do IE5. Nacionalno združenje proizvajalcev električne opreme (NEMA) ima ujemajočo se ocenjevalno lestvico, ki sega od »standardne učinkovitosti« do »učinkovitosti ultra premium« (slika 1). Za zagotavljanje višjih standardov učinkovitosti je potrebna uporaba elektronskih pogonov. Indukcijski motorji z izmeničnim tokom z elektronskimi pogoni lahko izpolnjujejo zahteve IE3 in IE4. Za zagotavljanje stopenj učinkovitosti razreda IE5 so potrebni dražji trajni magnetni motorji in elektronski pogoni.
Razvoj nizkocenovnih mikroprocesorjev (MCU-ji) je snovalcem omogočil uporabo vektorskega nadzora, imenovanega tudi regulacija v orientaciji polja (»field-oriented control« oz. FOC), metodo nadzora s frekvenčnimi pretvorniki pogona (VFD), pri katerih so tokovi statorja trifaznega motorja na izmenični tok identificirani kot dve ortogonalni komponenti, ki ju je mogoče vizualizirati z vektorjem. Proporcionalno-integralne (PI) krmilnike je mogoče uporabiti za ohranjanje komponent izmerjenega toka na želenih vrednostih. Modulacija širine impulza frekvenčnega pretvornika pogona določa preklapljanje tranzistorja glede na reference napetosti statorja, ki so rezultat trenutnih krmilnikov PI.
Regulacija v orientaciji polja (FOC), ki je bila prvotno razvita za visokozmogljive sisteme, postaja vedno bolj privlačna tudi za nizkocenovna področja zaradi velikosti motorja FOC, nižjih stroškov in nizke porabe energije. Zaradi vedno večje razpoložljivosti nizkocenovnih visokozmogljivih MCU-jev FOC vedno pogosteje nadomešča nizkozmogljivo skalarno regulacijo voltov na Hertz (V/f) z eno spremenljivko.
Danes se uporabljata dve glavni vrsti trajnih magnetnih motorjev, brezkrtačni motorji z enosmernim tokom (BLDC) in trajni magnetni sinhroni motorji (PMSM). Obe od teh naprednih zasnov motorja zahtevata močnostno elektroniko za pogon in regulacijo.
Motorji BLDC so trpežni, učinkoviti in stroškovno učinkoviti. Motorji PMSM imajo lastnosti motorjev BLDC, a povzročajo manj hrupa in imajo nekoliko višjo učinkovitost. Obe vrsti motorjev se običajno uporabljata s senzorji Hall, vendar ju je mogoče uporabljati tudi v zasnovah brez senzorjev. Motorji PMSM se uporabljajo na področjih, ki zahtevajo najvišje stopnje zmogljivosti, medtem ko se motorji BLDC uporabljajo v bolj stroškovno občutljivih zasnovah.
- Motorji BLDC
- Lažja regulacija (6-koračni), zahtevan samo enosmerni tok
- Valovitost navora pri komutacijah
- Nižji stroški in nižja zmogljivost (v primerjavi s PMSM)
- Motorji PMSM
- Običajno se uporabljajo v servo pogonih z integriranim rotacijskim dajalnikom
- Bolj zapletena regulacija (potrebuje 3-fazno sinusoidno modulacijo širine impulza)
- Brez valovitosti navora pri komutaciji
- Višja učinkovitost, višji navor
- Večji stroški in višja zmogljivost (v primerjavi z BLDC)
Pregled inverterjev
Učinkovitost inverterja kaže, koliko vhodne moči enosmernega toka se pri izhodu pretvori v moč izmeničnega toka. Visokokakovostni inverterji sinusnega vala zagotavljajo 90–95-odstotno učinkovitost. Nižjekakovostni modificirani inverterji sinusnega vala so enostavnejši, cenejši in manj učinkoviti, običajno 75–85-odstotno. Visokofrekvenčni inverterji so običajno učinkovitejši od nizkofrekvenčnih zasnov. Učinkovitost inverterja je odvisna tudi od obremenitve inverterja (slika 2). Vsi inverterji zahtevajo močnostne elektronske pogone in regulacijo.
V primeru fotovoltaičnih inverterjev obstajajo tri vrste uvrstitve glede na učinkovitost:
- Najvišja učinkovitost označuje delovanja inverterja pri optimalni izhodni moči. Prikazuje največjo točko za določen inverter in jo je mogoče uporabiti kot kriterij njegove kakovosti (slika 2).
- Evropska učinkovitost je utežena številka, ki upošteva, kako pogosto bo inverter deloval pri različnih izhodnih močeh. Včasih je bolj uporabna kot najvišja učinkovitost, saj prikazuje, kako inverter deluje pri različnih izhodnih stopnjah v času sončnega dneva.
- Učinkovitost Kalifornijske komisije za energijo (CEC) je prav tako utežena učinkovitost, podobna evropski učinkovitosti, vendar uporablja drugačne predpostavke za dejavnike tehtanja.
Glavna razlika med evropsko in CEC učinkovitostjo je, da predpostavke glede pomembnosti vsake stopnje moči za določen inverter v prvem primeru temeljijo na podatkih za Srednjo Evropo in v drugem primeru na podatkih za Kalifornijo.
Osnove IGBT
Osnovna funkcija IGBT-ja je najhitrejše možno preklapljanje električnih tokov z najnižjimi možnimi izgubami. Kot že ime pove, je IGBT bipolarni tranzistor z izolirano strukturo vrat; sama vrata so v osnovi MOSFET. Zato IGBT združuje prednosti zmožnosti nošenja visokih tokov in visokih napetosti blokiranja bipolarnih tranzistorjev z kapacitivno regulacijo nizke energije MOSFET-a. Slika 3 prikazuje, kako kombinacija MOSFET-a in bipolarnega tranzistorja ustvari IGBT.
Osnovno delovanje IGBT-ja je preprosto: Pozitivna napetost UGE iz vrat (G, na sliki 3) do oddajnika (E) vklopi MOSFET. Nato lahko napetost, povezana s kolektorjem (C), vodi osnovni tok skozi polarni tranzistor in MOSFET: bipolarni tranzistor se vklopi in obremenitveni tok lahko teče. Napetost UGE ≤ 0 voltov izklopi MOSFET, osnovni tok se prekine in tudi bipolarni tranzistor se izklopi
Čeprav je koncept preprost, je razvoj strojne opreme za nadzor IGBT-ja – gonilnika vrat – lahko zapletena naloga zaradi številnih nians pri delovanju dejanskih naprav in vezij. Večino časa to ni potrebno. Proizvajalci polprevodnikov ponujajo ustrezne gonilnike vrat s širokim spektrom integriranih funkcij in zmogljivosti. Zato je pomembno za IGBT-je zagotoviti ustrezne gonilnike vrat.
Moduli IGBT so na voljo v različnih paketih (slika 4). Največje velikosti so za 3300 voltov ali več in so zasnovani za uporabo v megavatnih obratih, kot so sistemi obnovljive energije, neprekinjeno napajanje in zelo veliki motorni pogoni. Srednje veliki moduli imajo običajno 600 do 1700 voltov za različna področja uporabe, vključno z električnimi vozili, industrijskimi motornimi pogoni in solarnimi inverterji.
Najmanjše naprave se imenujejo integrirani močnostni modulu in imajo nazivno napetost 600 voltov in lahko vključujejo vgrajene gonilnike vrat in druge komponente za motorne pogone v manjših industrijskih sistemih in potrošniški beli tehniki. IGBT-ji delujejo pri višjih stopnjah moči in nižjih preklopnih frekvencah v primerjavi z drugimi vrstami komponent preklapljanja moči (slika 5).
Ocenjevalna plošča modulov IGBT za trakcijske inverterje
Za snovalce visokonapetostnih trakcijskih inverterjev NXP Semiconductors ponuja ocenjevalno ploščo za upravljanje moči gonilnika vrat FRDMGD3100HBIEVM, ki uporablja integrirano vezje polmostnega gonilnika vrat MC33GD3100A3EK. Ta ocenjevalna plošča je posebej zasnovana za uporabo z FS820R08A6P2BBPSA1 podjetja Infineon (slika 6). To je popolna rešitev in vključuje integrirana vezja polmostnega gonilnika vrat, kondenzator povezave enosmernega toka in ploščo za prevajanje za povezavo z osebnim računalnikom, ki zagotavlja nadzorni signal. Ciljna področja uporabe so med drugim:
- trakcijski motorji električnih vozil in visokonapetostno pretvorniki DC/DC
- polnilniki v električnem vozilu in zunanji polnilniki
- druga področja uporabe visokonapetostne regulacije motorja na enosmerni tok
Gonilnik za module IGBT 150 mm x 62 mm x 17 mm
Za snovalce motornih pogonov, solarnih inverterjev, polnilnikov hibridnih električnih vozil in električnih vozil, vetrnih turbin, prevoznih sistemov in sistemov neprekinjenega napajanja je podjetje Texas Instruments razvilo ISO5852SDWEVM-017 (slika 7). Gre za kompaktno, dvokanalno ploščo izoliranega gonilnika, ki zagotavlja pogon, delovne napetosti, zaščito in diagnostiko, potrebno za generični polmostni MOSFET iz silikonskega karbida (SiC) in silikonske module IGBT, ki so v standardnih paketih 150 mm x 62 mm x 17 mm. Ta TI EVM temelji na ISO5852SDW, ki je 5700-voltni z RMS ojačano integracijsko vezje izolacijskega gonilnika v paketu SOIC-16DW z 8,0 mm z izolacijsko in plazilno razdaljo. EVM vključuje napajanje delovnega toka izoliranega pretvornika DC/DC na osnovi SN6505B.
Ocenjevalne plošče z inteligentnim močnostnim modulom
STMicroelectronics ponuja STEVAL-IHM028V2, ki je 2000-vatna, 3-fazna ocenjevalna plošča motornega nadzora (slika 8), ki ima inteligenten močnostni modul IGBT STGIPS20C60. Ocenjevalna plošča je inverter DC/AC, ki ustvarja valovno obliko za poganjanje 3-faznih motorjev ali motorjev PMSM do 2000 vatov v sistemih za ogrevanje, prezračevanje in klimatizacijo (klimatske naprave), beli tehniki in visokokakovostnih enofaznih električnih orodjih. Snovalci lahko uporabijo ta EVB za uvedbo zasnov FOC s 3-faznimi motorji na izmenični tok.
Glavi del tega EVM je univerzalna, v celoti ocenjena in poseljena zasnova, ki obsega 3-fazni inverterski most na osnovi 600-voltnega inteligentnega močnostnega modula IGBT v paketu SDIP 25L, nameščenega na hladilniku. Inteligentni močnostni modul integrira vsa močnostna stikala IGBT z diodami »flyback« skupaj z visokonapetostnimi gonilniki vrat. Ta stopnja integracije prihrani prostor na tiskanem vezju in stroške sestavljanja ter prispeva h večji zanesljivosti. Plošča je zasnovana tako, da je združljiva z enofaznim omrežjem, ki dovaja 90 do 285 voltov izmeničnega toka in je prav tako združljiva z vhodi po 125 in do 400 volti enosmernega toka.
850-vatna ocenjevalna plošča podpira več vrst motorjev
ON Semiconductor ponuja SECO−1KW−MCTRL−GEVB ocenjevalno ploščo, ki snovalcem omogoča reguliranje različnih vrst motorjev (indukcijski motor na izmenični tok, PMSM, BLDC), saj uporablja različne algoritme, vključno s FOC, uvedene z mikrokontrolerjem, ki ga je mogoče priključiti prek glav Arduino Due (slika 9). Plošča je zasnovana za uporabo z Arduino DUE (združljiva glava) ali podobno krmilno ploščo z MCU-jem. Plošča je bila predstavljena za podporo razvijalcem pri njihovih prvih korakih oblikovanja aplikacij z integriranimi močnostnimi modulu in popravljanjem faktorja moči. Namenjena je snovalcem industrijskih črpalk in ventilatorjev, industrijskih avtomatizacijskih sistemov in potrošniških naprav.
Ta ocenjevalna plošča temelji na NFAQ1060L36T (slika 10), ki je integrirana stopnja moči inverterja, ki obsega visokonapetosten gonilnik, šest IGBT-jev in termistor, primeren za poganjanje motorjev PMSM, BLDC in indukcijskih motorjev na izmenični tok. IGBT-ji so konfigurirani v 3-faznem mostu z ločenimi povezavami oddajnika s spodnjimi nogami za največjo možno prilagodljivost pri izbiri algoritma reguliranja. Stopnja moči ima celoten spekter zaščitnih funkcij, vključno z zaščito pred navzkrižnim prevajanjem, zunanjo zaustavitvijo in funkcijami podnapetostnega zaklepa. Interni primerjalnik in referenca, povezana z vezjem nadtokovne zaščite, omogoča snovalcu, da nastavi njegovo raven zaščite.
Povzetek funkcij močnostnega integriranega modula NFAQ1060L36T:
- Trifazni, 10-amperski/600-voltni modul IGBT z integriranimi gonilniki
- Kompakten 29,6 mm x 18,2 mm dvojni linijski paket
- Vgrajena podnapetostna zaščita
- Zaščita pred navzkrižnim prevajanjem
- Vnos ITRIP za zaustavitev vseh IGBT-jev
- Integrirane diode in upori »bootstrap«
- Termistor za merjenje temperature substrata
- Zatič za zaustavitev
- Potrdilo UL1557
Zaključek
Zasnova močnostne elektronike za motorje in inverterje po meri, ki uporablja diskretne IGBT-je za izpolnjevanje določenih zahtev, lahko povzroči zamude pri programih zasnove in je lahko dolgoročno draga. Namesto tega lahko snovalci uporabijo serijske module IGBT, ki združujejo več močnostnih naprav v enem paketu. Takšni moduli podpirajo potrebo snovalcev po razvoju kompaktnih sistemov z minimalnimi medsebojnimi povezavami, kar poenostavi sestavljanje, skrajša čas, potreben za predstavitev na trgu, in zniža stroške ter izboljša celotno zmogljivost.
Kot je prikazano lahko snovalci uporabijo modul IGBT z ustreznim gonilnikom IGBT in razvijejo stroškovno učinkovite in kompaktne motorne pogone in inverterje, ki izpolnjujejo standarde delovanja in učinkovitosti.
Priporočeno branje:
Use High-Current IGBT Drivers with Built-In Protection for Reliable Industrial Motor Control
Avtor: Rolf Horn
2021/293
