Uproszczenie konstrukcji napędów silnikowych i przemienników dzięki zastosowaniu modułów IGBT

Silniki i przemienniki są coraz powszechniej stosowane w dziedzinach takich jak automatyka przemysłowa, robotyka, pojazdy elektryczne, energia słoneczna, sprzęt AGD i elektronarzędzia. Wraz z tym trendem pojawia się potrzeba poprawy sprawności, obniżenia kosztów, redukcji zajmowanej powierzchni i uproszczenia ogólnego projektu. Chociaż projektowanie niestandardowej energoelektroniki silników i przemienników z wykorzystaniem dyskretnych tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (IGBT), dopasowanej do określonych zastosowań może być kuszące, w dłuższej perspektywie może ono być kosztowne i opóźniać harmonogramy projektowe.

Zamiast tego projektanci mogą używać gotowych modułów IGBT, które w jednej obudowie zawierają wiele urządzeń energoelektronicznych. Takie moduły wspierają potrzebę tworzenia zwartych systemów o minimalnej liczbie połączeń, upraszczając w ten sposób montaż, skracając czas wprowadzenia produktu na rynek, obniżając koszt i poprawiając ogólne parametry działania. W połączeniu z odpowiednim sterownikiem IGBT, moduły IGBT umożliwiają tworzenie sprawnych i efektywnych kosztowo napędów silnikowych i przemienników.

W tym artykule opisano w skrócie silniki elektryczne i przemienniki oraz związane z nimi obwody napędowe i wymagania dotyczące parametrów działania. W dalszej części omówiono zalety korzystania z modułów IGBT i różne standardy obudów modułów, przechodząc później do opcji projektowych napędów silnikowych i przemienników wykorzystujących moduły układów scalonych IGBT i napędów, dostawców takich jak NXP Semiconductors, Infineon Technologies, Texas Instruments, STMicroelectronics i ON Semiconductor oraz metod ich zastosowania, w tym wykorzystania płytek ewaluacyjnych.

Typy silników i standardy sprawności

Norma IEC/EN 60034-30 dzieli sprawność silników na 5 klas, od IE1 do IE5. Amerykańskie Krajowe Stowarzyszenie Producentów Elektrycznych (NEMA) ma podobną skalę znamionową, od sprawności standardowej do sprawności „ultrapremium” (ilustracja 1). Korzystanie z napędów elektronicznych jest niezbędne, aby spełniać wysokie standardy dotyczące sprawności. Silniki indukcyjne prądu zmiennego ze sterownikami elektronicznymi są w stanie spełnić wymagania IE3 i IE4. Aby zapewnić poziomy sprawności IE5, wymagane są droższe silniki z magnesami trwałymi i sterownikami elektronicznymi.

Ilustracja 1: klasy sprawności silników według normy IEC/EN 60034-30 (od IE1 do IE5) i odpowiadające im klasy NEMA (od sprawności standardowej do sprawności ultrapremium). Silniki indukcyjne prądu zmiennego ze sterowaniem polowo-zorientowanym (FOC) i sterownikami elektronicznymi są w stanie spełnić wymagania IE3 i IE4. Aby zapewnić poziomy sprawności IE5, wymagane są droższe silniki z magnesami trwałymi. (Źródło obrazu: ECN)

Opracowanie tanich mikrokontrolerów (MCU) umożliwiło projektantom korzystanie ze sterowania wektorowego, nazywanego również sterowaniem polowo-zorientowanym (FOC), czyli metody sterowania napędami o zmiennej częstotliwości (VFD), w której prądy stojana trójfazowego silnika prądu zmiennego identyfikowane są jako dwie składowe prostopadłe względem siebie, które można przedstawić jako wektor. Kontrolery proporcjonalno-całkujące (PI) służą do utrzymywania żądanych wartości składowych mierzonego prądu. Modulacja szerokości impulsu napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) definiuje przełączanie tranzystorów zgodnie z wartościami odniesienia napięcia stojana, które są sygnałami wyjściowymi kontrolerów prądu PI.

Sterowanie polowo-zorientowane (FOC), pierwotnie zaprojektowane dla systemów o wysokich parametrach, staje się coraz bardziej atrakcyjne również w przypadku tańszych zastosowań z uwagi na wielkość silnika FOC, niższy koszt i niższe zużycie energii. Dzięki coraz szerszej dostępności tanich i wysokowydajnych mikrokontrolerów, sterowanie polowo-zorientowane (FOC) w coraz większym stopniu wypiera sterowanie skalarne jedną zmienną zależności napięcia od częstotliwości (V/f).

Obecnie stosowane są dwa podstawowe typy silników z magnesami trwałymi: bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) i silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (PMSM). Obie zaawansowane konstrukcje silników wymagają energoelektroniki wykonującej funkcje napędu i sterowania.

Silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC) są trwałe, sprawne i ekonomiczne. Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (PMSM) mają cechy silników BLDC przy niższym poziomie hałasu i nieco wyższej sprawności. Oba typy silników są często stosowane wraz z hallotronami, jednak mogą być również używane w konstrukcjach bezczujnikowych. Silniki PMSM są używane w zastosowaniach, które wymagają najwyższych parametrów działania, natomiast silniki BLDC są używane w konstrukcjach, gdzie ważnym czynnikiem jest koszt.

• Silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC)
  • Łatwiejsze w sterowaniu (6-stopniowe), wymagany jest tylko prąd stały
  • Tętnienia momentu obrotowego na komutacjach
  • Niższy koszt i niższa wydajność (w porównaniu z PMSM)
• Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (PMSM)
  • Powszechnie stosowane w serwonapędach ze zintegrowanym enkoderem obrotowym
  • Wyższa złożoność sterowania (wymagana jest 3-fazowa, sinusoidalna modulacja PWM)
  • Brak tętnień momentu obrotowego na komutacjach
  • Wyższa sprawność, wyższy moment obrotowy
  • Wyższy koszt i wyższa wydajność (w porównaniu z silnikami BLDC)

Omówienie przemiennika

Sprawność przemiennika wskazuje, jaka część doprowadzonej mocy prądu stałego jest przekształcana w prąd zmienny na wyjściu. Wysokiej jakości przemienniki fali sinusoidalnej zapewniają sprawność na poziomie 90-95%. Niższej jakości przemienniki zmodyfikowanej fali sinusoidalnej są prostsze, tańsze i mają niższą sprawność, zwykle na poziomie 75-85%. Przemienniki wysokiej częstotliwości mają zwykle wyższą sprawność od konstrukcji o niższej częstotliwości. Sprawność przemiennika zwykle zależy również od jego obciążenia (ilustracja 2). Wszystkie przemienniki wymagają energoelektroniki wykonującej funkcje zasilania i sterowania.

W przypadku przemienników fotowoltaicznych istnieją trzy rodzaje kategorii sprawności:

• Sprawność szczytowa oznacza pracę przemiennika z optymalną mocą wyjściową. Stanowi ona najwyższy punkt danego przemiennika i można jej używać jako kryterium jego jakości (ilustracja 2).
• Sprawność według norm europejskich to liczba ważona, uwzględniająca to, jak często przemiennik pracuje z różnymi mocami wyjściowymi. Jest ona niekiedy bardziej przydatna niż sprawność szczytowa, ponieważ pokazuje działanie przemiennika przy różnych poziomach wyjściowych podczas doby słonecznej.
• Sprawność według CEC (California Energy Commission) również jest sprawnością ważoną, podobną do sprawności według norm europejskich, lecz opiera się na innych założeniach współczynników wagi.

Główną różnicą między sprawnością według norm europejskich i CEC jest to, że założenia ważności poszczególnych poziomów mocy dla danego przemiennika opierają się w pierwszym przypadku na danych dla Europy Środkowej, a w drugim przypadku - dla Kalifornii.

Ilustracja 2: typowa krzywa sprawności przemiennika ukazująca punkt szczytowej sprawności. (Źródło ilustracji: Penn State University)

Podstawy tranzystorów IGBT

Podstawową funkcją tranzystorów IGBT jest możliwie najszybsze przełączanie prądów elektrycznych przy jak najmniejszych stratach. Jak nazwa wskazuje, IGBT to tranzystor bipolarny o izolowanej strukturze bramki, sama bramka jest zasadniczo tranzystorem MOSFET. Tranzystory IGBT łączą zalety przenoszenia wysokich prądów i wysokich napięć blokujących tranzystora bipolarnego z pojemnościowym sterowaniem niskiej mocy tranzystora MOSFET. Ilustracja 3 przedstawia połączenie tranzystora MOSFET i tranzystora bipolarnego, tworzące tranzystor IGBT.

Ilustracja 3: schemat koncepcyjny budowy tranzystora IGBT, przedstawiający tranzystor MOSFET, który stanowi bramkę izolowaną oraz strukturę tranzystora bipolarnego, który odpowiada za obsługę zasilania. (Źródło ilustracji: Infineon Technologies)

Podstawowe działanie tranzystora IGBT jest proste: napięcie dodatnie U_GE między bramką (G, na ilustracji 3) i emiterem (E) włącza tranzystor MOSFET. Następnie napięcie podłączone do kolektora (C) może sterować prądem bazy przez tranzystor bipolarny i tranzystor MOSFET. Gdy tranzystor bipolarny jest włączony, prąd obciążenia może przepływać. Napięcie U_GE ≤ 0 wyłącza tranzystor MOSFET, prąd bazy zostaje przerwany, a tranzystor bipolarny również zostaje wyłączony.

Chociaż koncepcja jest prosta, opracowanie układu do sterowania tranzystorem IGBT - sterownika bramki - może być skomplikowanym zadaniem z powodu wielu niuansów związanych z parametrami działania w rzeczywistych urządzeniach i obwodach. Jednak przeważnie nie jest to konieczne. Producenci półprzewodników oferują odpowiednie sterowniki bramek z szeroką gamą funkcji i możliwości w postaci rozwiązań zintegrowanych. Dlatego dopasowanie odpowiednich sterowników bramek do modułów IGBT jest ważne.

Moduły IGBT są oferowane w różnych obudowach (ilustracja 4). Największe rozmiary są przystosowane do napięć od 3300V wzwyż i są przeznaczone do stosowania w instalacjach megawatowych, takich jak systemy energii odnawialnych, zasilacze awaryjne i bardzo duże napędy silnikowe. Moduły średniej wielkości mają zazwyczaj napięcie znamionowe od 600 do 1700V i przeznaczone są do różnych zastosowań, w tym do pojazdów elektrycznych, przemysłowych napędów silnikowych i falowników solarnych.

Ilustracja 4: moduły IGBT są oferowane w różnych obudowach. Typowe napięcia znamionowe wahają się od 600V do 3300V. (Źródło ilustracji: Fuji Electric)

Najmniejsze urządzenia nazywane są zintegrowanymi modułami zasilającymi i mają napięcie znamionowe 600V. Mogą również zawierać wbudowane sterowniki bramek i inne komponenty do napędów silnikowych w mniejszych systemach przemysłowych oraz AGD. Tranzystory IGBT działają z wyższymi poziomami mocy i niższymi częstotliwościami przełączania w porównaniu z innymi typami komponentów przełączania zasilania (ilustracja 5).

Ilustracja 5: zakres mocy względem częstotliwości przełączania dla typowych układów przełączania zasilania (źródło ilustracji: Infineon Technologies)

Płytka ewaluacyjna modułu IGBT do przemienników trakcyjnych

Projektantom przemienników trakcyjnych wysokiego napięcia firma NXP Semiconductors oferuje płytkę ewaluacyjną sterownika bramki zarządzania zasilaniem FRDMGD3100HBIEVM wykorzystującą układ scalony półmostkowego sterownika bramki MC33GD3100A3EK. Ta płytka ewaluacyjna została zaprojektowana specjalnie do stosowania z modułem IGBT FS820R08A6P2BBPSA1 firmy Infineon (ilustracja 6). Jest to kompletne rozwiązanie, obejmujące układy scalone półmostkowego sterownika bramki, kondensator łącznika prądu stałego, oraz płytkę interfejsu do połączenia z komputerem PC przesyłającym sygnały sterujące. Docelowe zastosowania obejmują:

• Silniki trakcyjne pojazdów elektrycznych i wysokonapięciowe przetwornice prądu stałego
• Wewnętrzne i zewnętrzne ładowarki pojazdów elektrycznych
• Inne zastosowania sterowania silnikami prądu zmiennego wysokiego napięcia

Ilustracja 6: płytka ewaluacyjna sterownika bramki zarządzania zasilaniem FRDMGD3100HBIEVM firmy NXP dołączona do modułu IGBT FS820R08A6P2BBPSA1 firmy Infineon, z widocznym położeniem MC33GD3100A3EK, układu scalonego półmostkowego sterownika bramki, kondensatora łącznika prądu stałego oraz płytki interfejsu do połączenia z komputerem PC przesyłającym sygnały sterujące. (Źródło ilustracji: NXP Semiconductors)

Sterownik do modułów IGBT 150mm x 62mm x 17mm

Dla projektantów napędów silnikowych, falowników solarnych, ładowarek do pojazdów hybrydowych (HEV) i elektrycznych (EV), turbin wiatrowych, systemów transportu i zasilania awaryjnego, firma Texas Instruments opracowała układ ISO5852SDWEVM-017 (ilustracja 7). Jest to niewielka płytka dwukanałowego, izolowanego sterownika bramki, zapewniająca obsługę napędu, napięć polaryzacji, zabezpieczeń i diagnostyki niezbędnych dla standardowych modułów półmostkowych, zawierających węglikowo-krzemowy (SiC) tranzystor MOSFET i krzemowy tranzystor IGBT w standardowej obudowie o wymiarach 150mm × 62mm × 17mm. Wspomniany moduł ewaluacyjny firmy TI opiera się na obwodzie scalonym sterownika ISO5852SDW ze wzmocnioną izolacją 5700VRMS w obudowie SOIC-16DW z odstępem izolacyjnym i drogą upływu 8,0mm. Moduł ewaluacyjny zawiera izolowany transformator prądu stałego SN6505B zapewniający prąd polaryzacji.

Ilustracja 7: płytka ISO5852SDWEVM-017 dwukanałowego, izolowanego sterownika bramki firmy Texas Instruments zamontowana na module IGBT o wymiarach 150mm × 62mm. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Płytki ewaluacyjne inteligentnych modułów zasilania

Firma STMicroelectronics oferuje płytkę ewaluacyjną STEVAL-IHM028V2 do sterowania silnikiem 3-fazowym o mocy 2000W (ilustracja 8) zawierającą inteligentny moduł zasilania IGBT STGIPS20C60. Płytka ewaluacyjna jest przemiennikiem prądu stałego na prąd zmienny, generującym przebieg do napędzania silników 3-fazowych, takich jak silniki indukcyjne lub silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (PMSM) o mocy do 2000W stosowane w klimatyzacji i wentylacji (HVAC), urządzeniach AGD oraz jednofazowych elektronarzędziach wysokiej jakości. Projektanci mogą używać tej płytki ewaluacyjnej do tworzenia projektów sterowania polowo-zorientowanego (FOC) z silnikami trójfazowymi prądu zmiennego.

Główną część tej płytki ewaluacyjnej stanowi w pełni przebadana i zmontowana konstrukcja składająca się z mostka przemiennika 3-fazowego skonstruowanego w oparciu o inteligentny moduł zasilania IGBT 600V w obudowie SDIP 25L zamontowanej na radiatorze. Inteligentny moduł zasilania zawiera wszystkie przełączniki IGBT z diodami gaszącymi wraz z wysokonapięciowymi sterownikami bramek. Ten poziom integracji pozwala oszczędzić miejsce na płytce drukowanej i zmniejszyć koszty montażu, przyczyniając się do wyższej niezawodności. Płytka jest zaprojektowana jako zgodna z siecią jednofazową, podającą napięcie od 90 do 285V prądu zmiennego, jest również zgodna z napięciem wejściowym od 125 do 400V prądu stałego.

Ilustracja 8: płytka ewaluacyjna STEVAL-IHM028V2 firmy STMicroelectronics ze sterowaniem polowo-zorientowanym (FOC). Płytka ta może posłużyć do ewaluacji szerokiego zakresu zastosowań, takich jak wentylacja i klimatyzacja (HVAC), sprzęt AGD i elektronarzędzia jednofazowe wysokiej jakości. (Źródło obrazu: STMicroelectronics)

Płytka ewaluacyjna o mocy 850W obsługuje wiele typów silników

Firma ON Semiconductor oferuje płytkę ewaluacyjną SECO-1KW-MCTRL-GEVB, która umożliwia projektantom sterowanie różnymi typami silników (silnikami indukcyjnymi prądu zmiennego, PMSM, BLDC) z wykorzystaniem różnych algorytmów sterowania, w tym sterowania polowo-zorientowanego (FOC), realizowanych za pomocą mikrokontrolera, który można podłączyć za pomocą listew Arduino Due (ilustracja 9). Płytka jest zaprojektowana do używania z płytką kontrolera Arduino DUE (kompatybilna listwa) lub podobną płytką z mikrokontrolerem MCU. Płytka została wprowadzona jako wsparcie dla deweloperów na początkowych etapach projektowania zastosowań ze zintegrowanymi modułami zasilania i korekcją współczynnika mocy. Jest ona przeznaczona dla projektantów przemysłowych pomp i wentylatorów, systemów automatyki przemysłowej i sprzętu AGD.

Ilustracja 9: schemat blokowy płytki ewaluacyjnej SECO−1KW−MCTRL−GEVB firmy ON Semiconductor (źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Ta płytka ewaluacyjna opiera się na układzie NFAQ1060L36T (ilustracja 10), stopniu mocy ze zintegrowanym przemiennikiem, składającym się ze sterownika wysokiego napięcia, sześciu tranzystorów IGBT i termistora, odpowiednim do sterowania silnikami PMSM, BLDC i silnikami indukcyjnymi prądu zmiennego. Tranzystory IGBT są skonfigurowane w 3-fazowy mostek z oddzielnymi połączeniami emiterów z dolnymi gałęziami układu, co zapewnia maksymalną elastyczność wyboru algorytmu sterowania. Stopień mocy jest wyposażony w pełen zakres funkcji zabezpieczeń, w tym ochronę przed przewodzeniem krzyżowym, wyłączanie zewnętrzne i blokadę pracy przy zbyt niskim napięciu. Wewnętrzny komparator i odniesienie połączone z obwodem zabezpieczenia nadprądowego pozwala projektantowi na ustawienie poziomu ochrony.

Ilustracja 10: funkcjonalny schemat blokowy zintegrowanego modułu zasilania NFAQ1060L36T firmy ON Semiconductor (źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Podsumowanie funkcji zintegrowanego modułu zasilania NFAQ1060L36T:

• Trójfazowy moduł IGBT 10A/600V ze zintegrowanymi sterownikami
• Kompaktowa, zintegrowana, podwójna obudowa o wymiarach 29,6mm x 18,2mm
• Wbudowana ochrona przed zbyt niskim napięciem
• Zabezpieczenie przed przewodzeniem krzyżowym
• Wejście ITRIP wyłączające wszystkie tranzystory IGBT
• Zintegrowane diody i rezystory typu bootstrap
• Termistory do pomiaru temperatury podłoża
• Wtyk wyłączający
• Certyfikacja UL1557

Podsumowanie

Projektowanie niestandardowej energoelektroniki silników i przemienników z wykorzystaniem dyskretnych tranzystorów IGBT, dopasowanej do określonych zastosowań może być kuszące, jednak w dłuższej perspektywie może ono być kosztowne i opóźniać harmonogramy projektowe. Zamiast tego projektanci mogą używać gotowych modułów IGBT, które w jednej obudowie zawierają wiele urządzeń energoelektronicznych. Takie moduły wspierają potrzebę tworzenia zwartych systemów o minimalnej liczbie połączeń, upraszczając w ten sposób montaż, skracając czas wprowadzenia produktu na rynek, obniżając koszt i poprawiając ogólne parametry działania.

Jak wykazano, projektanci mogą korzystać z modułów IGBT z odpowiednimi sterownikami IGBT, aby tworzyć ekonomiczne i kompaktowe napędy silnikowe i przemienniki spełniające normy wydajności i parametrów działania.

Rekomendowane artykuły

1. Szybkie wdrożenie sterowania silnikiem z użyciem układu scalonego sterownika ze zintegrowanym mikrokontrolerem
2. Wykorzystanie wysokoprądowych sterowników IGBT z wbudowanym zabezpieczeniem do niezawodnego sterowania silnikami przemysłowymi