Синусоидальное управление – путь к снижению потерь в высоковольтных интеллектуальных силовых модулях

снижение потерь в силовых модулях

Развитие техники требует все большей эффективности и меньшего уровня шума от регулируемых приводов. Повышение качества двигателей и соответствующее синусоидальное управление помогут достигнуть этих целей.

В корпусе высоковольтного интеллектуального силового модуля (High-Voltage Intelligent Power Device, HV-IPD) присутствуют: силовой выключатель, задающий генератор, защитный контур для двигателей постоянного тока.

В итоге проектирование упрощается, надежность повышается, а всю систему можно поместить в компактный корпус.

На Рис. 1 представлены основные функции силового модуля, а также показано, как с помощью всего нескольких внешних элементов блок подключается к двигателю.

Силовой модуль может включать несколько чипов, сочетая в себе логические схемы и силовые компоненты. Подобные функции обеспечивают структуры кремний-на-изоляторе (Silicon On Insulator, SOI), которые позволяют разместить те же схемы на одном чипе.

В этом случае необходимо применение изолирующих слоев диоксида кремния и изоляции канавками с диэлектриком, чтобы КМОП / ДМОП-схемы и биполярные транзисторы с изолированным затвором могли располагаться рядом, не влияя на работу друг друга. 

Появление мультичипов и монолитных силовых модулей HV-IPD изменило условия управления приводом. Разработчики производят все более высококачественные электродвигатели постоянного тока (BLDC) без щеток для дорогостоящей бытовой техники и кондиционеров.

По сравнению со щеточными электродвигателями, которые позволяют регулировать частоту просто – с помощью изменения напряжения, однако быстро изнашиваются, обладают низким КПД и высоким уровнем шума, бесщеточные электродвигатели постоянного тока обладают высоким КПД, низким уровнем шума, требуют меньше ухода, а также более надежны. 

Рисунок1.jpg

Трапециевидное или синусоидальное управление?

Как показано на Рис. 1, HV-IPD является последней ступенью подачи тока на обмотку статора. Для этого создается крутящий момент, который действует против электромагнитного поля (противо-ЭДС) в зависимости от положения ротора. При движении ротора сигнал противо-ЭДС принимает трапециевидную или синусоидальную форму – это зависит от формы намагничивания магнитов ротора, воздушного зазора между ротором и статором, конструкции статора и расположения пазов для намотки.

Рисунок 2.jpg

На Рис. 2 представлены образцы этих сигналов. Трапециевидное / прямоугольное управление основано на 120º-фазной зоне, когда положение ротора определено (Рис. 1). Синусоидальное управление основано на 180º фазной зоне обмотки и использовании микроконтроллера или ИС управления электродвигателем (Рис. 3).

Рисунок 3.jpg

Высоковольтный интеллектуальный силовой модуль содержит управляющий затвор и перемычку, которая передает сигналы U, V и W. Сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ) от микроконтроллера или драйвера двигателя служит входным сигналом. Защитный контур – токовая защита, защита от размыкания при падении напряжения или повышении температуры – также уже включен в схему. На Рис. 3 можно увидеть схему действия IV-IPD и схему подключения к микроконтроллеру.

Устройство можно применять для различных целей. Поскольку на потребительском рынке представлено множество установок с регулируемыми приводами (например, в бытовой технике), HV-IPD были оснащены логическими интегральными схемами для выработки трапециевидного управляющего сигнала ШИМ на входе и перемычкой от высоковольтного биполярного транзистора с изолированным затвором и быстровосстанавливающимися диодами.

Компания Toshiba разработала 2 серии силовых модулей для трапециевидного управления - TPD4151K и TPD4142K. Они основаны на структурах кремний-на-диэлектрике и сочетают затворы для низких напряжений и защитную схему на одном чипе с биполярными транзисторами с изолированным затвором и быстровосстанавливающимися диодами.

Интегрированные биполярные транзисторы обеспечивают низкое прямое напряжение, что приводит к повышению КПД. Такой вид силовых установок прекрасно подходит для трапециевидного управления небольшими двигателями с малым потреблением мощности – например, в воздушных фильтрах.

Синусоидальноеуправлениеприбольшихмощностях

Рост масштабов применения электродвигателей с синусоидальным управлением требует использования соответствующих силовых установок. Это относится в первую очередь к приборам с большим потреблением мощности (посудомоечные машины, кондиционеры с наружными блоками), в которые устанавливаются крупные двигатели с синусоидальной противо-ЭДС.  

Силовые модули TPD4123K, TPD4144K и TPD4135K с синусоидальным управляющим сигналом позволяют использовать максимальное рабочее напряжение до 450 В и максимальную нагрузку постоянного тока 1 А, 2 А или 3 А. В конструкции содержится шесть биполярных транзисторов с изолированным затвором (500 В) и соответствующие быстровосстанавливающиеся диоды, а также защитные, логические и ИС формирователя – все это на основе технологии кремний-на-диэлектрике от компании Toshiba.

Серия TPD4204F совсем недавно была представлена в формате синусоидального управления. В отличие от более ранних монолитных версий силовых модулей, в этой серии используется несколько чипов с шестью отдельными 600 В чипами с МОП-транзисторами (со встроенными антипараллельными диодами) и интегральные схемы с логическими и защитными контурами в корпусе для поверхностного монтажа с разъемом 30 pin (SOP30 20 мм х 11 мм х 2 мм).

МОП-транзисторы на 600 В по сравнению с биполярными транзисторами обеспечивают больший запас прочности при высоких напряжениях и позволяют разместить весь модуль в корпусе для поверхностного монтажа. Такая техника значительно упрощает и позволяет автоматизировать производственный процесс. МОП-транзисторы изготавливаются на основе высокоскоростных диодов Toshiba. Эти диоды с коротким временем восстановления обеспечивают более высокую производительность, чем обычные транзисторы.

Новое расположение компонентов снижает термическое сопротивление еще на 15 °C/Вт, поэтому тепловыделение модуля значительно меньше, чем при использовании DIP-корпуса. Более высокий КПД, сниженное прямое сопротивление (RDS(on)) и улучшенные характеристики переключения обусловливают снижение потерь мощности по сравнению с использованием биполярных транзисторов с изолированным затвором.

Наряду с повышенным КПД конструкция с несколькими чипами обеспечивает равномерное распределение вырабатываемого тепла по всему корпусу, благодаря чему температура чипа снижается. При расположении одного чипа в корпусе все выработанное тепло воздействует на один чип.

Рисунок 4.jpg

На Рис. 4 представлено сравнение потерь мощности модулей при использовании в одинаковых установках с другими силовыми модулями или TPD4144K при сравнимых условиях эксплуатации. Термомеханические свойства TPD4204F на основе МОП-транзистора значительно лучше, благодаря чему для контроллера не нужен охладитель. Результат: общая стоимость и занимаемая модулем площадь снижаются.

Время простоя деталей составляет всего лишь 1,4 мкс (минимум), и в это время для защиты элемента работает встроенный контроллер. Без логического защитного контура могут сработать МОП-транзисторы верхнего и нижнего плеча одновременно, что приведет к короткому замыканию. Поэтому устройство защиты гарантирует отсутствие временны́х ошибок при операции переключения. Если же рассматривать наихудший сценарий (ошибка все же произошла), встроенная защита распознает повышение тока и отключит транзисторы верхнего и нижнего плеча, что предотвратит перегрузку элементов модуля. 

Тестовые стенды для анализа и разработок

Компания Toshiba предлагает совместимые по выводам интегральные схемы с различными номинальными токами для корпусов DIP26. Эти элементы можно встроить в проектируемые устройства с электродвигателями различных мощностей.

Подобная концепция для корпусов SOP30 в настоящее время находится на стадии разработки. Новые компоненты позволят снизить потери, не затрачивая больших средств на перепроектирование.

Для упрощения разработки новых контроллеров на основе силовых модулей с трапециевидным или синусоидальным управлением компания Toshiba предлагает тестовые стенды, на которых можно проверить мощность МОП- или биполярного транзистора.

* Джордж Чуанг (GeorgesTchouangue) – главный инженер отдела силовых полупроводниковых приборов Toshiba Electronics Europe.

 

  

Возврат к списку

Хотите подписаться на статьи электронного журнала "Электрорешения"?