Sådan forenkles motordrev- og inverterdesign ved hjælp af IGBT-moduler

Brugen af motorer og invertere fortsætter med at vokse på tværs af applikationer som industriel automatisering, robotik, elektriske køretøjer, solenergi, hvidevarer og elværktøj. Sammen med denne vækst er behovet for at forbedre effektiviteten, lavere omkostninger, mindre fodaftryk og forenkle det overordnede design. Mens det er fristende at designe brugerdefineret motor- og inverterelektronik ved hjælp af diskrete isolerede gate bipolære transistorer (IGBT'er), der passer til specifikke krav, kan det være dyrt på lang sigt og forsinke designplaner.

I stedet kan designere bruge IGBT-moduler fra hylden, som kombinerer flere strømforsyningsenheder i en enkelt pakke. Sådanne moduler understøtter designers behov for at udvikle kompakte systemer med et minimum af sammenkoblinger og derved forenkle montering, reducere time-to-market og omkostninger og forbedre den samlede ydelse. Kombineret med en passende IGBT-driver muliggør IGBT-moduler udvikling af effektive og omkostningseffektive motordrev og invertere.

Denne artikel beskriver kort elektriske motorer og invertere og de tilknyttede drevkredsløb og ydelseskrav. Derefter gennemgås fordelene ved at bruge IGBT-moduler og forskellige modulemballagestandarder, inden der introduceres motordrev- og inverterdesignmuligheder baseret på IGBT-moduler og driver-IC'er fra leverandører såsomNXP halvledere, Infineon Technologies, Texas Instruments, STMikroelektronik og ON Semiconductor samt hvordan man anvender dem, herunder brugen af evalueringskort.

Motortyper og effektivitetsstandarder

IEC/EN 60034-30 opdeler motoreffektivitet i 5 klasser IE1 til IE5. National Electrical Manufacturers Association (NEMA) har en tilsvarende klassificeringsskala fra 'standardeffektivitet' til 'ultra-premium' effektivitet (figur 1). Brug af elektroniske drev er nødvendigt for at opfylde de højere effektivitetsstandarder. AC-induktionsmotorer med elektroniske drev kan opfylde IE3- og IE4-kravene. Der kræves dyrere permanente magnetiske motorer og elektroniske drev for at opfylde IE5-effektivitetsniveauer.

Figur 1: Motoreffektivitetsklasser i henhold til IEC/EN 60034-30 (IE1 til IE5) og tilsvarende NEMA-klassifikationer (standardeffektivitet til ultra-premium effektivitet). AC-induktionsmotorer med FOC og elektroniske drev kan opfylde IE3- og IE4-kravene. Permanente magnetiske motorer er nødvendige for at opfylde IE5-effektivitetsniveauer. (Billedkilde: ECN)

Udviklingen af billige microcontrollers (MCU'er) har gjort det muligt for designere at bruge vektorkontrol, også kaldet feltorienteret kontrol (FOC), en styringsmetode med variabel frekvens (VFD), hvor statorstrømmene til en trefaset vekselstrømsmotor er identificeret som to ortogonale komponenter, der kan visualiseres med en vektor. Proportional-integrerede (PI) controllere kan bruges til at holde de målte strømkomponenter ved deres ønskede værdier. Pulsbreddemodulationen af VFD definerer transistorkoblingen i henhold til statorspændingsreferencer, der er output fra PI-strømstyringerne.

FOC blev oprindeligt udviklet til højtydende systemer og bliver stadig mere attraktiv til lavere omkostningsapplikationer på grund af FOC's motorstørrelse, lavere omkostninger og lavere strømforbrug. På grund af den voksende tilgængelighed af billige højtydende MCU'er fortrænger FOC i stigende grad kontrol med en enkelt variabel skalar volt pr. Hertz (V/f) med lavere ydelse.

Der er to primære typer permanente magnetmotorer i brug i dag, børsteløs DC (BLDC) og synkronmotorer med permanent magnet (PMSM). Begge disse avancerede motordesigner kræver strømelektronik til kørsel og kontrol.

BLDC-motorer er holdbare, effektive og omkostningseffektive. PMSM-motorer har attributterne for BLDC-motorer med lavere støj og noget højere effektivitet. Begge typer motorer bruges almindeligvis med Hall-sensorer, men kan også bruges i sensorløse designs. PMSM-motorer bruges i applikationer, der kræver de højeste ydelsesniveauer, mens BLDC-motorer bruges i mere omkostningsfølsomme designs.

• BLDC-Motore
  • Lettere at kontrollere (6 trin) kræver og kun jævnstrøm
  • Moment krusning ved kommutationer
  • Lavere omkostninger og lavere ydeevne (sammenlignet med PMSM)
• PMSM-Motore
  • Almindeligvis brugt i servodrev med en integreret akselkoder
  • Mere kompleks kontrol (har brug for 3-faset sinusformet PWM)
  • Ingen momentkrusning ved kommutering
  • Højere effektivitet, højere drejningsmoment
  • Højere omkostninger og højere ydelse (sammenlignet med BLDC)

Inverter oversigt

Effektiviteten af en inverter angiver, hvor meget DC-indgangseffekt der konverteres til vekselstrøm på udgangen. Sinusbølgeomformere af høj kvalitet leverer 90-95% effektivitet. Modificerede sinusomformere af lavere kvalitet er enklere, billigere og mindre effektive, typisk 75-85%. Højfrekvente konvertere er normalt mere effektive end lavfrekvente design. Konverterens effektivitet afhænger også af inverterbelastningen (figur 2). Alle invertere kræver elektroniske drev og kontrolelementer.

I tilfælde af solcelleanlæg er der tre typer effektivitetsrangeringer:

• Spidseffektivitet angiver inverterens ydeevne ved den optimale effekt. Det viser det maksimale punkt for en bestemt inverter og kan bruges som et kriterium for dets kvalitet (figur 2).
• Europæisk effektivitet er det vægtede antal under hensyntagen til, hvor ofte inverteren fungerer ved forskellige effektudgange. Det er undertiden mere nyttigt end topeffektivitet, da det viser, hvordan inverteren fungerer ved forskellige outputniveauer i løbet af en dag.
• California Energy Commission (CEC) -effektivitet er også en afvejet effektivitet svarende til den europæiske effektivitet, men den bruger forskellige antagelser om vægtningsfaktorer.

Hovedforskellen mellem den europæiske effektivitet og CEC er, at antagelserne om betydningen af hvert effektniveau for en bestemt inverter er baseret på dataene for Centraleuropa i det første tilfælde og Californien i sidstnævnte.

Figur 2: Typisk invertereffektivitetskurve, der viser punktet for peak-effektivitet. (Billedkilde: Penn State University)

Grundlæggende om IGBT

Den grundlæggende funktion af en IGBT er den hurtigst mulige skift af elektriske strømme med de lavest mulige tab. Som navnet antyder, er en IGBT en bipolar transistor med en isoleret portstruktur. Selve porten er dybest set en MOSFET. Derfor kombinerer IGBT fordelene ved høje strømførende kapaciteter og høje blokerende spændinger i en bipolar transistor med den kapacitive, lave effektstyring af en MOSFET. Figur 3 viser, hvordan en MOSFET og en bipolar transistor kombineret fører til IGBT.

Figur 3: Konceptuel struktur af en IGBT, der viser MOSFET, der udgør den isolerede port og den bipolære transistorstruktur, der er strømhåndteringssektionen. (Billedkilde: Infineon Technologies)

Den grundlæggende funktion af en IGBT er enkel: En positiv spænding U_GE fra gate (G, i figur 3) til emitter (E) tænder MOSFET. Derefter kan spændingen, der er tilsluttet kollektoren (C), drive basisstrømmen gennem den bipolære transistor og MOSFET; den bipolære transistor tændes, og belastningsstrømmen kan strømme. En spænding U_GE ≤ 0 volt slukker for MOSFET, basisstrømmen afbrydes, og den bipolære transistor slukker også.

Mens det er enkelt i konceptet, kan udvikling af hardware til styring af en IGBT - en gate driver - være en kompleks opgave på grund af adskillige præstationsnuancer i ægte enheder og kredsløb. Det meste af tiden er det ikke nødvendigt. Semiconductor-producenter tilbyder egnede gate-drivere med en bred vifte af funktioner og funktioner som integrerede løsninger. Derfor er det vigtigt at matche IGBT-moduler med passende portdrivere.

IGBT-moduler tilbydes i en lang række pakker (figur 4). De største størrelser er klassificeret til 3.300 volt eller højere og er designet til brug i megawatt-installationer såsom vedvarende energisystemer, uafbrydelig strømforsyning og meget store motordrev. Mellemstore moduler klassificeres typisk fra 600 til 1700 volt til en række anvendelser, herunder elektriske køretøjer, industrielle motordrev og solcelleomformere.

Figur 4: IGBT-moduler tilbydes i en lang række pakker. Typiske spændingsklasser varierer fra 600 volt til 3.300 volt. (Billedkilde: Fuji Electric)

De mindste enheder kaldes integrerede strømmoduler og er klassificeret til 600 volt og kan omfatte indbyggede portdrivere og andre komponenter til motordrev i mindre industrielle systemer og forbrugerhvidvarer. IGBT'er fungerer ved højere effektniveauer og lavere switchfrekvenser sammenlignet med andre typer power switch-komponenter (figur 5).

Figur 5: Effektområde kontra skiftefrekvens for almindelige strømskifteapparater (Billedkilde: Infineon Technologies)

IGBT-modulevalueringskort til trækkraftomformere

For designere af højspændings trækkraftomformere tilbyder NXP Semiconductors FRDMGD3100HBIEVM gate driver power management evalueringskort ved hjælp af dets MC33GD3100A3EK halvbro gate driver IC. Dette evalueringskort er specielt designet til brug sammen med FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT-modul fra Infineon (figur 6). Det er en komplet løsning og inkluderer IC'er til halvbroportdrivere, jævnstrømsforbindelseskondensatoren og oversætterkortet til tilslutning til en pc, der leverer styresignalerne. Målapplikationer inkluderer:

• Trækkraftmotorer til elbiler og DC/DC-konvertere med høj spænding
• Elektriske køretøjsopladere og eksterne opladere
• Andre højspændings AC-motorstyringsapplikationer

Figur 6: NXPs FRDMGD3100HBIEVM gate driver-strømstyringsevalueringskort fastgjort til FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT-modul fra Infineon, der viser placeringen af MC33GD3100A3EK, halvbro-gate-driver IC'er, DC-link-kondensator og oversætterkort til forbindelse til en pc, der leverer kontrolsignaler. (Billedkilde: NXP Semiconductors)

Driver til 150 mm x 62 mm x 17 mm IGBT-moduler

For designere af motordrev, solcelleomformere, HEV- og EV-opladere, vindmøller, transport og afbrydelige strømforsyningssystemer har Texas Instruments udviklet ISO5852SDWEVM-017 (Figur 7). Det er et kompakt, dobbeltkanal-isoleret gate-driverkort, der giver drev-, forspændingsspændinger, beskyttelse og diagnostik, der er nødvendige til generisk halvbro-siliciumcarbid (SiC) MOSFET og silicium IGBT-moduler, der er anbragt i standardpakker på 150 mm × 62 mm × 17 mm. Denne TI EVM er baseret på ISO5852SDW 5.700 volt rms forstærket isolationsdriver IC i en SOIC-16DW-pakke med 8,0 mm krybning og frigang. EVM inkluderer SN6505B -baseret isoleret DC DC-transformer bias forsyninger.

Figur 7: Texas Instruments 'ISO5852SDWEVM-017 dobbeltkanalisoleret gate driverkort monteret oven på et 150 mm × 62 mm IGBT-modul. (Billedkilde: Texas Instruments)

Intelligent effektmodul eval kort

STMicroelectronics tilbyderSTEVAL-IHM028V2 2.000 watt 3-faset motorstyringskort (figur 8) med STGIPS20C60 IGBT-intelligent strømmodul. Evalueringskortet er en DC/aC-inverter, der genererer en bølgeform til kørsel af 3-fasede motorer såsom induktionsmotorer eller PMSM-motorer op til 2000 watt i HVAC (klimaanlæg), hvidevarer og avancerede enfasede elværktøjer. Designere kan bruge denne EVB til at implementere FOC-design med trefasede vekselstrømsmotorer.

Hovedafsnittet i denne EVM er et universelt, fuldt evalueret og design bestående af en 3-faset inverterbro baseret på 600 volt IGBT intelligent strømmodul i SDIP 25L-pakken monteret på en køleplade. DetTE intelligente strømmodul integrerer alle IGBT-switche med frihjulsdioder sammen med højspændingsdrivdrivere. Dette integrationsniveau sparer plads på printkort og monteringsomkostninger og bidrager til øget pålidelighed. Kortet er designet til at være kompatibelt med enfaset strømforsyning, der leverer fra 90 til 285 volt AC, og er også kompatibelt med indgange på 125 op til 400 volt DC.

Figur 8: STMicroelectronics STEVAL-IHM028V2 produktevalueringskort med FOC. Dette kort kan bruges til at evaluere en bred vifte af applikationer såsom HVAC (klimaanlæg), hvidevarer og avancerede enfasede elværktøjer. (Billedkilde: STMicroelectronics)

850 watt eval KORT håndterer flere motortyper

ON Semiconductor tilbyder SECO-1KW-MCTRL-GEVB evalueringskort, der gør det muligt for designere at styre forskellige typer motorer (AC-induktionsmotor, PMSM, BLDC) ved hjælp af forskellige kontrolalgoritmer, herunder FOC, implementeret med en mikrocontroller, der kan tilsluttes via Arduino Due headere (Figur 9). Kortet er designet til at blive brugt med Arduino DUE (kompatibel header) eller et lignende controller-kort med en MCU. Kortet blev introduceret til at støtte udviklere under deres første trin med at designe applikationer med integrerede strømmoduler og effektfaktorkorrektion. Den er beregnet til brug af designere af industrielle pumper og blæsere, industrielle automatiseringssystemer og forbrugsapparater.

Figur 9: ON Semiconductor SECO − 1KW − MCTRL − GEVB eval board block diagram (Billedkilde: ON Semiconductor)

Dette eval KORT er baseret på NFAQ1060L36T (Figur 10), et integreret inverterstrømstrin, der består af en højspændingsdriver, seks IGBT'er og en termistor, der er egnet til at køre PMSM-, BLDC- og AC-induktionsmotorer. IGBT'erne er konfigureret i en 3-faset bro med separate emitterforbindelser til underbenene for maksimal fleksibilitet i valget af kontrolalgoritme. Effektfasen har et komplet udvalg af beskyttelsesfunktioner, herunder krydskonduktionsbeskyttelse, ekstern nedlukning og underspændingslåsefunktioner. En intern komparator og reference tilsluttet overstrømsbeskyttelseskredsløbet giver designeren mulighed for at indstille sit beskyttelsesniveau.

Figur 10: Funktionelt blokdiagram over NFAQ1060L36T strømintegreret modul fra ON Semiconductor (Billedkilde: ON Semiconductor)

NFAQ1060L36T effektintegreret modul oversigt over funktioner:

• Tre-faset 10 ampere/600 volt IGBT-modul med integrerede drivere
• Kompakt 29,6 mm x 18,2 mm dobbeltpakke
• Indbygget beskyttelse under spænding
• Krydsledningsbeskyttelse
• ITRIP-input for at lukke alle IGBT'er
• Integrerede bootstrap-dioder og modstande
• Termistor til måling af substrattemperatur
• Luk stiften
• UL1557 certificering

Konklusion

At designe brugerdefineret motor- og inverterelektronik ved hjælp af diskrete IGBT'er til at passe til specifikke krav kan være dyrt på lang sigt og forsinke designplaner. I stedet kan designere bruge IGBT-moduler fra hylden, som kombinerer flere strømforsyningsenheder i en enkelt pakke. Sådanne moduler understøtter designers behov for at udvikle kompakte systemer med et minimum af sammenkoblinger og derved forenkle montering, reducere time-to-market og omkostninger og forbedre den samlede ydelse.

Som vist kan designere bruge et IGBT-modul med en passende IGBT-driver til at udvikle omkostningseffektive og kompakte motordrev og invertere, der lever op til præstations- og effektivitetsstandarder.

Anbefalet læsning

1. Implementer hurtigt motorkontroldesign ved hjælp af et drev-IC med integreret mikrocontroller
2. Brug højstrøms IGBT-drivere med indbygget beskyttelse til pålidelig industriel motorstyring