Motorhajtások és inverterek leegyszerűsítése IGBT modulokkal

A motorok és inverterek használata folyamatosan növekszik az ipari automatizálás, a robotika, az elektromos járművek, a napenergia, a háztartási cikkek, és az elektromos szerszámok területén. Ezzel a növekedéssel párhuzamosan ugyancsak szükséges a hatásfok növelése, a költségek és az ökológiai lábnyom csökkentése, illetve az általános tervezés egyszerűsítése. Bár csábítóan hangzik egyedi motoros és inverteres elektronikát tervezni diszkrét szigetelt vezérlőelektródás bipoláris tranzisztorok (IGBT-k) segítségével a speciális követelményeknek való megfelelés érdekében, hosszú távon ez költséges lehet és késleltetheti a tervezés menetét.

Ehelyett a tervezők készen beszerezhető IGBT modulokat használhatnak, amelyek több teljesítményelektronikai eszközt egyesítenek egy tokban. Az ilyen modulok támogatják a tervezők azon igényét, hogy kompakt rendszereket fejlesszenek ki minimális összekötő elem mellett, egyszerűsítve az összeszerelést, csökkentve a piacra kerülési időt és a költségeket, valamint javítva az általános teljesítményt. Megfelelő IGBT meghajtóval kombinálva az IGBT modulok jó hatásfokú és olcsó motorhajtások, illetve inverterek fejlesztését teszik lehetővé.

Ez a cikk röviden ismerteti az elektromotorokat és invertereket, valamint a hozzájuk való meghajtó áramköröket, illetve a teljesítőképességre vonatkozó követelményeket. Ezután áttekinti az IGBT modulok használatának és a különféle modultokozási szabványok előnyeit, majd bemutat az NXP Semiconductors, az Infineon Technologies, a Texas Instruments, az STMicroelectronics és az ON Semiconductor gyártók IGBT moduljain és meghajtó IC-in alapuló motorhajtás- és invertertervezési lehetőségeket, valamint eszközeik alkalmazásának módját, ideértve a fejlesztőlapok használatát is.

Motortípusok és hatásfokra vonatkozó szabványok

Az IEC/EN 60034-30 jelű szabvány IE1-től IE5-ig 5 osztályra bontja a motorokat hatásfok szempontjából. Az Egyesült Államok villamosipari gyártóinak országos szövetsége (NEMA) ennek megfelelő besorolási skálával rendelkezik, a „standard hatásfoktól” az „ultra-prémium hatásfokig”. (1. ábra). Az elektronikus hajtások használatára szükség van a hatásfokkal kapcsolatos magasabb követelmények kielégítéséhez. A váltakozó áramú indukciós motorok az IE3 és IE4 szintű követelmények teljesítésére képesek. Az IE5 hatásfokszint eléréséhez drágább állandó mágneses motorokra és elektronikus meghajtókra van szükség.

1. ábra: A motorok hatásfokosztályai az IEC/EN 60034-30 szabvány (IE1 - IE5) és a megfelelő NEMA besorolás (standard hatásfok - ultra-prémium hatásfok) szerint. A mezőorientált szabályozású (FOC) váltakozó áramú indukciós motorok az IE3 és IE4 szintű követelmények teljesítésére képesek. Az IE5 hatásfokszint eléréséhez állandó mágneses motorokra van szükség. (Kép: ECN)

Az olcsó mikrovezérlők (MCU-k) kifejlesztése lehetővé tette a tervezők számára a vektoros, vagy más néven mezőorientált szabályozás (FOC), vagyis egy változtatható frekvenciájú hajtás (VFD) módszerének használatát, ahol a háromfázisú váltakozó áramú motor állórészének áramait két merőleges komponens írja le, amelyek vektorral szemléltethetők. A mért áramkomponenseket arányos-integráló (PI) szabályozókkal lehet a kívánt értéken tartani. A VFD impulzusszélesség-modulációja határozza meg a tranzisztor kapcsolását az állórész feszültségreferenciái szerint, amelyek tulajdonképpen a PI áramszabályozók kimenetei.

Az eredetileg nagy teljesítményű rendszerek számára kifejlesztett FOC az alkalmazható motorméret, az alacsonyabb költség és energiaigény miatt egyre vonzóbb az olcsóbb alkalmazások számára is. Az olcsó, nagy teljesítményű MCU-k egyre jobb elérhetősége következtében a FOC egyre jobban kiszorítja az alacsonyabb teljesítményű, egyváltozós, skalár feszültség/frekvencia (V/f) alapú vezérlést.

Az állandó mágneses motoroknak elsődlegesen két típusa van ma használatban: a kefe nélküli DC (BLDC) és az állandó mágneses szinkron motorok (PMSM). Mindkét korszerű motorkonstrukció esetében teljesítményelektronikára van szükség a hajtáshoz és a vezérléshez.

A BLDC motorok tartósak, magas hatásfokúak és olcsók. A PMSM motorok rendelkeznek a BLDC motorok jellemzőivel, de azokon túlmenően működésük alacsonyabb zajjal jár és hatásfokuk kicsivel nagyobb. Mindkét motortípust gyakran használják Hall-érzékelőkkel együtt, de érzékelő nélküli kivitelekben is használhatók. A PMSM motorokat a legnagyobb teljesítményt igénylő, míg a BLDC motorokat a költségérzékenyebb alkalmazásokban használják.

• BLDC motorok
  • Könnyebben vezérelhetők (6 lépés) és csak egyenáramra van szükségük.
  • A kommutációt nyomatékingadozás kíséri.
  • Olcsóbbak és kisebb teljesítményűek (a PMSM motorokhoz képest).
• PMSM motorok
  • Gyakran használják őket beépített tengelyjeladóval rendelkező szervóhajtásokban.
  • Bonyolultabb vezérlést igényelnek (3 fázisú szinuszos PWM).
  • Nincs nyomatékingadozás a kommutációnál.
  • Magasabb hatásfok, nagyobb nyomaték.
  • Magasabb költség és nagyobb teljesítmény (a BLDC-hez képest).

Az inverterek áttekintése

Egy inverter hatásfoka azt mutatja meg, hogy a bemeneti egyenáramú teljesítménynek mekkora hányada jelenik meg váltakozó áramú teljesítményként a kimeneten. A nagy hatásfokú szinuszos inverterek 90-95%-os hatásfokra képesek. A gyengébb minőségű, módosított szinuszos inverterek egyszerűbbek, olcsóbbak és kisebb, tipikusan 75-85%-os hatásfokkal rendelkeznek. A nagyfrekvenciás inverterek hatásfoka általában magasabb a kisfrekvenciás változatoknál. Az inverter hatásfoka a rákapcsolt terhelésétől is függ (2. ábra). Minden inverterhez teljesítményelektronikai hajtásra és vezérlésre van szükség.

A fotoelektromos inverterek esetében háromféle típusú hatásfok-besorolás létezik:

• A csúcshatásfok az inverter optimális kimeneti teljesítmény melletti teljesítőképességét jelzi. Ez az adott inverter hatásfokának maximális értékét jelenti, és az inverter minőségének megítélésére használható (2. ábra).
• Európában a hatékonyság egy annak figyelembe vételével kiszámított súlyozott érték, hogy az inverter milyen gyakorisággal fog működni különböző kimeneti teljesítményekkel. Ez esetenként hasznosabb, mint a csúcshatásfok, mivel megmutatja, hogyan teljesít az inverter különböző kimeneti szinteken 24 órán keresztül.
• A kaliforniai energiaügyi bizottság (CEC) szintén az európai hatásfokhoz hasonló súlyozott hatásfokkal számol, de a súlyozási tényezőire különböző feltételezéseket alkalmaz.

A fő különbség az európai és a CEC által számított hatásfok között az, hogy az egyes teljesítményszintek jelentőségére vonatkozó feltételezések az adott inverter számára az első esetben Közép-Európára, a második esetben Kaliforniára vonatkozó adatokon alapulnak.

2. ábra: Tipikus inverterhatásfok-görbe a csúcshatásfok pontjának feltüntetésével. (Kép: Penn State University)

Alapvető tudnivalók az IGBT tranzisztorokról

Az IGBT alapvető funkciója az, hogy elektromos áramot kapcsoljon a lehető leggyorsabban, a lehető legkisebb veszteség mellett. Ahogyan a neve is mutatja, az IGBT egy szigetelt vezérlőelektródával ellátott tranzisztor, és maga a szigetelt vezérlőelektróda alapvetően egy MOSFET. Ilyen módon az IGBT kombinálja a bipoláris tranzisztor nagy áramterhelhetőségét a MOSFET kapacitív, kis teljesítményigényű vezérlésével. A 3. ábra azt mutatja, hogy egy bipoláris tranzisztor és egy MOSFET kombinációjából hogyan alakul ki egy IGBT.

3. ábra: Az IGBT elvi felépítése a szigetelt vezérlőelektródát megvalósító MOSFET és a teljesítmény kezelését végző bipoláris tranzisztor feltüntetésével. (Kép: Infineon Technologies)

Az IGBT alapvető működése egyszerű: a kapu (a 3. ábrán G) és az emitter (E) közé kapcsolt U_GE feszültség bekapcsolja a MOSFET-et. Ezután a kollektorra (C) kapcsolt feszültség keresztül tudja hajtani a bázisáramot a bipoláris tranzisztoron és a MOSFET-en. A bipoláris tranzisztor kinyit, és meg tud indulni a terhelőáram. Egy U_GE ≤ 0 V feszültség kikapcsolja a MOSFET-et, a bázisáram megszakad és a bipoláris tranzisztor szintén kikapcsol.

Bár az elv egyszerű, az IGBT vezérléséhez – a kapu meghajtásához – szükséges hardver fejlesztése összetett feladat lehet a valós eszközök és áramkörök teljesítőképességének számos változata miatt. A legtöbbször ilyen vállalkozásra nincs szükség. A félvezetőgyártók integrált megoldásként megfelelő kapumeghajtókat kínálnak, sokféle funkcióval és képességgel. Ezért fontos az IGBT modulok összehangolása megfelelő kapumeghajtókkal.

Az IGBT modulok tokozatok széles választékában érhetők el (4. ábra). A legnagyobbak 3300 V vagy annál magasabb névleges feszültségűek és MW-os teljesítményű berendezésekben történő felhasználásra készültek, ilyenek például a megújuló energiát hasznosító rendszerek, a szünetmentes tápegységek és a nagyon nagy motorhajtások. A közepes méretű modulok tipikus névleges feszültsége 600...1700 V közötti, és alkalmazások széles választékához, például elektromos járművekhez, ipari motorhajtásokhoz és napelemes inverterekhez használják őket.

4. ábra: Az IGBT modulok tokozatok széles választékában érhetők el. A tipikus névleges feszültség 600...3300 V. (Kép: Fuji Electric)

A legkisebb eszközöket integrált teljesítménymoduloknak nevezik. Névleges feszültségük 600 V és beépített kapumeghajtókat, valamint egyéb alkatrészeket tartalmazhatnak kisebb ipari rendszerek és fogyasztási cikkek motorhajtásaihoz. Az IGBT-k más típusú teljesítménykapcsoló komponensekhez képest magasabb teljesítményszinteken és alacsonyabb kapcsolási frekvenciákon működnek (5. ábra).

5. ábra: A szokásos teljesítménykapcsoló eszközök teljesítménytartománya a kapcsolási frekvencia függvényében (Kép: Infineon Technologies)

Fejlesztőlap IGBT modulhoz, vontatásban használt inverterekhez

Nagyfeszültségű, vontatásban használt inverterek tervezői számára az NXP Semiconductors az FRDMGD3100HBIEVM kapumeghajtó teljesítményszabályozási fejlesztőlapját kínálja az MC33GD3100A3EK félhidas kapumeghajtó IC-jével. Ez a fejlesztőlap kifejezetten az Infineon FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT moduljával történő használatra szolgál (6. ábra). Ez egy komplett megoldás és tartalmazza a félhidas kapumeghajtó IC-ket, az egyenáramú csatolókondenzátort, illetve a vezérlőjeleket szolgáltató PC-hez való csatlakozáshoz a fordítókártyát. A célalkalmazások a következők:

• Elektromos járművek vontatómotorjai és nagyfeszültségű DC/DC átalakítók.
• Elektromos járművek fedélzeti és külső töltői.
• Egyéb nagyfeszültségű váltakozó áramú motoralkalmazások.

6. ábra: Az Infineon FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT moduljához kapcsolt NXP FRDMGD3100HBIEVM kapumeghajtó teljesítményszabályozó fejlesztőlapon jól látható az MC33GD3100A3EK félhidas kapumeghajtó IC, a DC csatolókondenzátor és a vezérlőjeleket biztosító PC csatlakoztatására szolgáló fordítókártya pozíciója. (Kép: NXP Semiconductors)

Meghajtó 150 mm x 62 mm x 17 mm-es IGBT modulokhoz

A Texas Instruments az ISO5852SDWEVM-017 eszközt motorhajtások, napelemes inverterek, hibrid- és elektronikus-autó töltők, szélturbinák, szállítóeszközök és szünetmentes áramellátó rendszerek tervezői számára fejlesztette ki (7. ábra). Ez egy kompakt, kétcsatornás, szigeteltkapu-meghajtó kártya, amely biztosítja a 150 mm × 62 mm × 17 mm-es standard tokozású általános félhíd szilícium-karbid (SiC) MOSFET és szilícium IGBT modulok által igényelt meghajtást, előfeszültségeket, védelmet és diagnosztikát. Ez a TI EVM az ISO5852SDW 5700 V rms értékű, megerősített szigeteléssel ellátott, SOIC-16DW tokozású, 8,0 mm-es kúszóáramúttal és légközzel rendelkező meghajtó IC-n alapul. Az EVM SN6505B-alapú elválasztott DC/DC transzformátor előfeszítő tápellátásokat tartalmaz.

7. ábra: A Texas Instruments’ ISO5852SDWEVM-017 típusú kétcsatornás szigeteltkapu-meghajtó kártyája egy 150 mm × 62 mm-es IGBT modul tetejére szerelve. (Kép: Texas Instruments)

Fejlesztőlap intelligens teljesítményszabályozó modulhoz

Az STMicroelectronics ajánlatában szerepel az STEVAL-IHM028V2 2000 W-os háromfázisú motorvezérlő fejlesztőlap (8. ábra), amely tartalmazza az STGIPS20C60 IGBT intelligens teljesítményszabályozó modult. A fejlesztőlap egy DC/AC inverter, amely hullámformát hoz létre legfeljebb 2000 W teljesítményű, HVAC (légkondicionáló) berendezésekben levő háromfázisú (például indukciós vagy PMSM) motorok, illetve háztartási eszközökben és felső kategóriás egyfázisú elektromos szerszámokban levő motorok meghajtására. A tervezők ezzel a fejlesztőlappal háromfázisú váltakozó áramú motorokkal rendelkező berendezések mezőorientált szabályozását valósíthatják meg.

A kártya fő része egy univerzális, teljesen kiértékelt és beültetett egység, amely egy hűtőbordára szerelt, SDIP 25L tokozású 600 V-os IGBT intelligens teljesítményszabályozó modulon alapuló 3 fázisú inverterhídból áll. Az intelligens teljesítményszabályozó modul az összes, szabadonfutó diódával ellátott IGBT teljesítménykapcsolót tartalmazza a nagyfeszültségű kapumeghajtókkal együtt Ez az integrációs szint plusz helyet takarít meg a nyomtaott áramköri lapon, csökkenti az összeszerelési költségeket, valamint hozzájárul a megbízhatóság növeléséhez. A kártyát úgy tervezték, hogy kompatibilis legyen a 90 és 285 V közötti egyfázisú váltakozó áramú, illetve 125 és 400 V közötti egyenáramú tápellátással.

8. ábra: Az STMicroelectronics STEVAL-IHM028V2 fejlesztőlapja mezőorientált szabályozással. Ez a kártya sokféle alkalmazás, például HVAC (légkondicionáló) berendezések, illetve háztartási eszközök és felső kategóriás egyfázisú elektromos szerszámok fejlesztésére használható. (Kép: STMicroelectronics)

A 850 W-os fejlesztőlap többféle motortípushoz használható

Az ON Semiconductor az SECO-1KW-MCTRL-GEVB, típusú, mikrovezérlővel megvalósított és Arduino Due csatlakozókon keresztül csatlakoztatható fejlesztőlapját kínálja, amely lehetővé teszi a tervezők számára, hogy különböző típusú (váltakozó áramú indukciós, PMSM, BLDC) motorokat vezéreljenek különféle vezérlő algoritmusok, köztük a mezőorientált szabályozás segítségével (9. ábra). A kártyát a (kompatibilis csatlakozóval rendelkező) Arduino DUE vagy hasonló, MCU-val ellátott vezérlőkártyával való használatra tervezték. A kártya a fejlesztők első lépéseinek támogatását szolgálja az integrált teljesítményszabályozó modulokkal és teljesítménytényező-korrekcióval rendelkező alkalmazások tervezésében. Rendeltetése szerint ipari szivattyúk és ventilátorok, ipari automatizálási rendszerek és fogyasztói készülékek tervezői számára készült.

9. ábra: Az ON Semiconductor SECO−1KW−MCTRL−GEVB fejlesztőlapjának blokkdiagramja (Kép: ON Semiconductor)

Ez a fejlesztőlap az NFAQ1060L36T típusú eszközre épül (10. ábra), amely egy nagyfeszültségű meghajtót, hat IGBT-t és egy termisztort tartalmazó integrált inverter teljesítményfokozaton alapszik, és PMSM, BLDC, valamint váltakozó áramú indukciós motorok vezérlésére alkalmas. Az IGBT-k 3 fázisú hídba vannak konfigurálva, külön emitter csatlakozásokkal az alsó kivezetésekhez, a vezérlő algoritmus kiválasztásának maximális rugalmassága érdekében. A teljesítményfokozat teljes körű védelemmel rendelkezik az összenyitás elleni védelmet, a külső lekapcsolási és a feszültséghiány miatti kizárási funkciókat is beleértve. A túláramvédelmi áramkörhöz csatlakoztatott belső komparátor és referencia lehetővé teszi a tervező számára a védelmi szint beállítását.

10. ábra: Az ON Semiconductor NFAQ1060L36T integrált teljesítményszabályozó moduljának funkcionális kapcsolási rajza (Kép: ON Semiconductor)

Az NFAQ1060L36T integrált teljesítményszabályozó modul funkcióinak összefoglalása:

• Háromfázisú 10 A / 600 V-os IGBT modul beépített meghajtókkal
• Kompakt 29,6 mm x 18,2 mm-es dual in line tokozat
• Beépített feszültséghiány elleni védelem
• Összenyitás elleni védelem
• ITRIP bemenet az összes IGBT lekapcsolásához
• Beépített feszültség-utánhúzó diódák és ellenállások
• Termisztor, a hordozólapka hőmérsékletének méréséhez
• Lekapcsoló kivezetés
• UL1557 tanúsítás

Összegzés

A motorok és inverterek speciális követelményeknek megfelelő teljesítményelektronikájának különálló IGBT-k használatával történő egyedi megtervezése hosszú távon költséges lehet, és késleltetheti a tervezési ütemtervet. Ehelyett a tervezők készen beszerezhető IGBT modulokat használhatnak, amelyek több teljesítményelektronikai eszközt egyesítenek egy tokban. Az ilyen modulok támogatják a tervezők azon igényét, hogy kompakt rendszereket fejlesszenek ki minimális összekötő elem mellett, egyszerűsítve az összeszerelést, csökkentve a piacra kerülési időt és a költségeket, valamint javítva az általános teljesítményt.

Mint látható, a tervezők megfelelő IGBT-meghajtóval rendelkező IGBT-modult használhatnak olyan olcsó és kompakt motoros hajtások, illetve inverterek kifejlesztéséhez, amelyek megfelelnek a teljesítményre és a hatékonyságra vonatkozó követelményeknek.

Ajánlott olvasnivaló

1. Motorvezérlők gyors megvalósítása integrált mikrovezérlővel rendelkező meghajtó IC-vel
2. Beépített védelemmel rendelkező nagyáramú IGBT meghajtók használata megbízható ipari motorvezérlőkhöz