Hvordan forenkle motordrift og omformerdesign ved hjelp av IGBT-moduler

Bruken av motorer og omformere fortsetter å vokse på tvers av applikasjoner som industriell automatisering, robotikk, elektriske kjøretøyer, solenergi, hvitevarer og elverktøy. Sammen med denne veksten er behovet for å forbedre effektiviteten, redusere kostnadene, krympe fotavtrykket og forenkle den generelle utformingen. Selv om det er fristende å utforme tilpasset motor- og omformerstrømelektronikk ved hjelp av diskrete bipolare transistorer med isolert port (IGBT-er) for å passe til spesifikke krav, kan dette være kostbart på lang sikt og forsinke utformingsplaner.

I stedet kan designere bruke IGBT-moduler på hyllen som kombinerer flere strømenheter i en enkelt pakke. Slike moduler støtter designerens behov for å utvikle kompakte systemer med et minimum av sammenkoblinger, og dermed forenkle montering, redusere tiden ut til marked og kostnader, samt forbedre den samlede ytelsen. Kombinert med en egnet IGBT-driver gjør IGBT-modulene det mulig å utvikle effektive og kostnadseffektive motorstasjoner og omformere.

Denne artikkelen gir en kort beskrivelse av elektriske motorer og omformere og tilhørende drivkretser og ytelseskrav. Deretter vil den gjennomgå fordelene ved å bruke IGBT-moduler og ulike modulpakkestandarder før den introduserer motordriv- og omformerdesignalternativer basert på IGBT-moduler og driver-IC-er fra leverandører som NXP Semiconductors, Infineon Technologies, Texas Instruments, STMicroelectronics og ON Semiconductor, og hvordan man anvender dem, inkludert bruk av evalueringskort.

Motortyper og standarder for virkningsgrad

IEC/EN 60034-30 deler motoreffektiviteten inn i fem klasser; IE1 til IE5. National Electrical Manufacturers Association (NEMA) har en tilsvarende ratingskala fra «standardeffektivitet» til «ultrapremium-effektivitet» (figur 1). Bruk av elektroniske stasjoner er nødvendig for å oppfylle de høyere standardene for virkningsgrad. Vekselstrømsmotorer med elektroniske drivere kan oppfylle IE3 og IE4 krav. Det er behov for dyrere permanentmagnet-motorer og elektroniske stasjoner for å oppfylle IE5-effektivitetsnivåene.

Figur 1: Motorklasser for virkningsgrad i henhold til IEC/EN 60034-30 (IE1 til IE5) og tilsvarende NEMA-klasser (standard for virkningsgrad til ultra-premium-effektivitet). Vekselstrømsmotorer med FOC og elektroniske drivere kan oppfylle IE3 og IE4 krav. Det er behov for dyrere drivere for permanentmagnet-motorer for å oppfylle IE5-effektivitetsnivåene. (Bildekilde: ECN)

Utviklingen av rimelige mikrokontroller (MCU-er) har gjort det mulig for konstruktører å bruke vektorkontroll, også kalt feltorientert kontroll (FOC), en VFD-kontrollmetode (variable frequency drive) der statorstrømmene til en trefaset vekselstrømsmotor identifiseres som to ortogonale (rettvinklet el. perpendikulært på hverandre) komponenter som kan visualiseres med en vektor. For å holde de målte strømkomponentene på deres ønskede verdier, kan proporsjonal-integrale (PI) styringer benyttes. VFD-ens pulsbreddemodulering definerer transistorbrytingen i henhold til statorspenningsreferansene som er PI-strømstyreenhetenes utgang.

FOC, som opprinnelig ble utviklet for systemer med høy ytelse, blir stadig mer attraktiv for utrustninger med lavere kostnader, samt på grunn av FOC-ens motorstørrelse, lavere kostnader og lavere strømforbruk. På grunn av den økende tilgjengeligheten av mikrokontrollere (MCU-er) med lav kostnad og høy ytelse, fortrenger FOC i økende grad lavere ytelse med enkeltvariabel skalær volt per Hertz (V/f) -kontroll.

Det er to primære typer permanentmagnetmotorer i bruk i dag, børsteløse likestrømsmotorer (BLDC) og permanentmagnetmotorer (PMSM). Begge disse avanserte motorkonstruksjonene krever strømelektronikk for drift og styring.

BLDC-motorer er holdbare og kostnadseffektive med høy virkningsgrad. PMSM-motorer har egenskapene til BLDC-motorer med lavere støy og noe høyere virkningsgrad. Begge motortypene brukes ofte sammen med Hall-sensorer, men kan også brukes i sensorløse konstruksjoner. PMSM-motorer brukes i bruksområder som krever høyest ytelsesnivå, mens BLDC-motorer brukes i mer kostnadsfølsomme konstruksjoner.

• BLDC-motorer
  • Lettere å styre (6 trinn) og bare likestrøm (DC) kreves
  • Momentrippel ved strømvending (kommutering)
  • Lavere kostnader og lavere ytelse (sammenlignet med PMSM)
• PMSM-motorer
  • Brukes vanligvis i servostasjoner med en enkodere integrert i aksel
  • Mer kompleks styring (trenger 3-faset sinusformet-PWM)
  • Ingen momentrippel ved strømvending (kommutering)
  • Høyere virkningsgrad, høyere dreiemoment
  • Lavere kostnader og høyere ytelse (sammenlignet med BLDC)

Vekselretter-oversikt

En omformers effektivitet angir hvor mye likestrøm som konverteres til vekselstrøm på utgangen. Sinusbølgeomformere av høy kvalitet gir 90-95 % virkningsgrad. Lavere kvalitet modifiserte sinusbølgeomformere er enklere, billigere og mindre effektive, vanligvis 75-85 %. Høyfrekvensomformere er vanligvis mer virkningsfulle enn lavfrekvenskonstruksjoner. Virkningsgrad på vekselrettere avhenger også av omformerens belastning (figur 2). Alle vekselrettere krever elektroniske strømsdrivere og -styringer.

Når det gjelder solcellevekselrettere, er det tre typer rangeringer av virkningsgrad:

• Toppeffektiviteten angir vekselretterens ytelse ved optimal effekt. Den viser maksimumspunktet for en bestemt vekselretter og kan brukes som et kriterium for kvaliteten (figur 2).
• Europeisk virkningsgrad er det vektede tallet som tar hensyn til hvor ofte vekselretter vil fungere ved forskjellige utganger. Det er noen ganger mer nyttig enn toppeffektivitet, da det viser hvordan vekselretteren yter på forskjellige utgangsnivåer i løpet av en soldag.
• California Energy Commission (CEC) effektivitet er også en veid virkningsgrad, lik den europeiske virkningsgraden, men den bruker forskjellige forutsetninger om vektningsfaktorer.

Hovedforskjellen mellom den europeiske og CEC-virkningsgraden er at antagelsene om viktigheten av hvert effektnivå for en bestemt vekselretter er basert på dataene for Sentral-Europa i det første tilfellet, og California i det siste.

Figur 2: Typisk effektivitetskurve for vekselrettere som viser punktet for topp virkningsgrad. (Bildekilde: Penn State University)

Grunnleggende om IGBT-er

Den grunnleggende funksjonen til en IGBT er raskest mulig veksling av elektriske strømmer med lavest mulige tap. Som navnet indikerer, er en IGBT en bipolar transistor med en isolert portstruktur; selve porten er i bunn og grunn en MOSFET. Derfor kombinerer IGBT fordelene med høye strømbærende kapasiteter og høye blokkeringsspenninger av en bipolar transistor, der en MOSFET styres med kapasitiv styring med lavt energiforbruk. Figur 3 viser hvordan en MOSFET og en bipolar transistor til sammen leder til IGBT-en.

Figur 3: Konseptskonstruksjon av en IGBT som viser MOSFET som utgjør den isolerte porten og den bipolare transistorkonstruksjonen som er strømhåndteringsseksjonen. (Bildekilde: Infineon Technologies)

Den grunnleggende driften av en IGBT er enkel: En positiv spenning U_GE fra port (G, i figur 3) til emitter (E) slår på MOSFET-en. Deretter kan spenningen koblet til kollektoren (C) drive basisstrømmen gjennom den bipolare transistoren og MOSFET-en; den bipolare transistoren slås på og laststrømmen kan strømme. En spenning U_GE ≤ 0 volt slår av MOSFET, grunnstrømmen avbrytes, og den bipolare transistoren slås også av.

Selv om det er enkelt i konseptet, kan utvikling av maskinvare for å kontrollere en IGBT – en portdriver – være en kompleks oppgave på grunn av mange ytelsesnyanser i ekte enheter og kretser. Det er for det meste ikke nødvendig. Halvlederprodusentene tilbyr egnede portdrivere med et bredt utvalg av funksjoner og muligheter som integrerte løsninger. Derfor er det viktig å matche IGBT-moduler med passende portdrivere.

IGBT-moduler tilbys i et bredt utvalg kapslinger (figur 4). De største størrelsene er merket for 3300 volt eller høyere og er designet for bruk i megawatt-installasjoner som fornybare energisystemer, avbruddsfrie strømforsyninger og svært store motordrivere. Middels store moduler er vanligvis klassifisert fra 600 til 1700 volt for en rekke bruksområder, inkludert elektriske kjøretøyer, industrielle motordrev og vekselrettere for solcelle.

Figur 4 IGBT-moduler tilbys i et bredt utvalg kapslinger Typisk spenningsområde fra 600 Volt til 3300 Volt. (Bildekilde: Fuji Electric)

De minste enhetene kalles integrerte kraftmoduler og er klassifisert for 600 volt og kan inkludere innebygde portdrivere og andre komponenter for motordrivere i mindre industrielle systemer og forbrukshvitevarer. IGBT-er opererer ved høyere effektnivåer og lavere bryterfrekvenser sammenlignet med andre typer strømbryterkomponenter (figur 5).

Figur 5: Effektområde kontra vekslingsfrekvens for vanlige strømbryterutstyr (Bildekilde: Infineon Technologies)

Evalueringskort for IGBT-modul for trekkraftomformere

For designere av høyspenningsvekselrettere tilbyr NXP Semiconductors FRDMGD3100HBIEVM-gatedriverens strømstyringsevalueringskort ved hjelp av MC33GD3100A3EK-portdriver-IC. Dette evalueringskortet er spesielt utformet for bruk med FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT-modulen fra Infineon (figur 6). Det er en komplett løsning og inkluderer halvbroportens driver-IC-er, likestrømslenkekondensatoren og oversetterkortet for tilkobling til en PC som leverer styresignalene. Målbruksområder inkluderer:

• Drivmotorer for elektriske kjøretøyer og likestrøm–likestrøm-omformere (DC-DC-omformere) med høyspenning
• Integrerte (ombord) og eksterne ladere til elektriske kjøretøyer
• Andre styringsutrustninger for vekselstrømsmotorer

Figur 6: NXPs FRDMGD3100HBIEVM gatedriver strømstyringskort festet til FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT-modulen fra Infineon som viser posisjonen til MC33GD3100A3EK, halvbrodriver-IC-er, DC-lenkekondensatoren og oversetterkortet for tilkobling til en PC som leverer styringssignalene. (Bildekilde: NXP Semiconductors)

Driver for IGBT-moduler på 150 mm x 62 mm x 17 mm

Texas Instruments har utviklet ISO5852SDWEVM-017 (figur 7) for designere av motordrivere, solcelle-vekselrettere, HEV- og EV-ladere, vindturbiner, transport og avbruddsfrie strømforsyningssystemer. Det er et kompakt, isolert førerkort med to kanaler som gir drivverk, forspenninger, beskyttelse og diagnostikk som er nødvendig for generiske halvbrosilisiumkarbid (SiC) MOSFET- og silisiumIGBT-moduler i standardkapslinger på 150 mm × 62 mm × 17 mm. Dette TI EVM-et er basert på ISO5852SDW 5700 volt rms forsterket isolasjonsdriver IC i en SOIC-16DW-kapsling med 8,0 mm kryping og klaring. EVM inkluderer isolerte SN6505B-baserte, forspente transformatorfor-forsyninger for likestrøm-likestrøm (DC-DC).

Figur 7: Texas Instruments ISO5852SDWEVM-017 isolert portdriverkort med to kanaler montert oppå av en 150 mm × 62 mm IGBT-modul. (Bildekilde: Texas Instruments)

Evakueringskort for intelligente strømmoduler

STMicroelectronics tilbyr STEVAL-IHM028V2 2 000 watt, 3-faset evalueringskort for motorstyring (figur 8) med STGIPS20C60 IGBT intelligent strømmodul. Evalueringskortet er en likestrøms-/vekselstrømsomformer som genererer en bølgeform for kjøring av 3-fasede motorer som induksjonsmotorer eller PMSM-motorer opptil 2000 watt i HVAC (klimaanlegg), hvitevarer og avanserte enfasede verktøy. Designere kan bruke denne EVB til å implementere FOC-designen med trefasede vekselstrømsmotorer.

Hoveddelen av denne EVM er en universell, fullstendig evaluert og befolket konstruksjon som består av en 3-faset omformerbro basert på en intelligent, 600 volts IGBT-strømmodul i SDIP 25L-kapslingen montert på en kjøleribbe. Den intelligente strømmodulen integrerer alle IGBT-brytere med frihjulsdioder sammen med høyspennings-portdrivere. Dette integrasjonsnivået sparer PCB-plass og monteringskostnader og bidrar til økt pålitelighet. Kortet er konstruert for å være kompatibelt med enfaset strømnett som leverer fra 90 til 285 volt vekselstrøm (DC), samt det er også kompatibelt med innganger på 125 til 400 volt likestrøm (DC).

Figur 8: STMicroelectronics STEVAL-IHM028V2 produktevalueringskort med FOC. Dette brettet kan brukes til å evaluere et bredt spekter av bruksområder som ventilasjon/klimaanlegg (HVAC), hvitevarer og avanserte enfasede verktøy. (Bildekilde: STMicroelectronics)

850 watts evalueringskort håndterer flere motortyper

ON Semiconductor tilbyr SECO-1KW-MCTRL-GEVB-evalueringskortet som gjør det mulig for designere å styre forskjellige typer motorer (vekselstrømsinduksjonsmotor, PMSM, BLDC) ved hjelp av forskjellige kontrollalgoritmer, inkludert FOC, implementert med en mikrokontroller som kan kobles til via Arduino Due stiftlister (figur 9). Kortet er konstruert for å brukes med Arduino DUE (kompatibel header) eller et lignende styrekort med en MCU. Kortet ble introdusert for å støtte utviklere under deres første trinn med å designe utrustninger med integrerte strømmoduler og effektfaktorkorreksjon. Den er beregnet på bruk av konstruksjon av industrielle pumper og vifter, industrielle automatiseringssystemer og forbrukerapparater.

Figur 9: blokkdiagram for ON Semiconductor sitt evalueringskort SECO−1KW−MCTRL−GEVB (Bildekilde: ON Semiconductor)

Dette evalueringskortet er basert på NFAQ1060L36T (figur 10), et integrert vekselrettereffekttrinn som består av en høyspenningsdriver, seks IGBT-er og en termistor, egnet til å kjøre PMSM-, BLDC- og asynkronmotor (AC-motor / vekselstrømsmotor). IGBT-ene er konfigurert i en 3-faset bro med separate emittertilkoblinger til underbena for maksimal fleksibilitet i valget av kontrollalgoritme. Effekttrinnet har et komplett utvalg av beskyttelsesfunksjoner, inkludert kryssledningsbeskyttelse, ekstern avstengning og underspenningsutløser. En innebygd komparator og referanse koblet til overstrømsbeskyttelseskretsen gjør at konstruktøren kan angi sitt beskyttelsesnivå.

Figur 10: Skjema over blokkfunksjonen til den integrerte NFAQ1060L36T-strømmodulen fra ON Semiconductor (Bildekilde: ON Semiconductor)

Sammendrag av funksjoner for strømintegrert modul NFAQ1060L36T :

• Trefaset 10 ampere/600 volt IGBT-modul med integrerte drivere
• Kompakt to-linjepakke på 29,6 mm x 18,2 mm
• Innebygd underspenningsbeskyttelse
• Kryssledningsbeskyttelse
• ITRIP-inngang for å slå av alle IGBT-er
• Integrerte bootstrap-dioder og -motstander
• Termistor for måling av underlagstemperatur
• Avstengingspinne
• UL1557-sertifisering

Konklusjon

Å konstruere spesialtilpasset motor- og vekselretterelektronikk ved bruk av diskrete IGBT-er for å imøtekomme spesifikke krav kan være kostbart på lang sikt, samt det kan forsinke konstruksjonsplanene. I stedet kan designere bruke IGBT-moduler på hyllen som kombinerer flere strømenheter i en enkelt pakke. Slike moduler støtter designerens behov for å utvikle kompakte systemer med et minimum av sammenkoblinger, og dermed forenkle montering, redusere tiden ut til marked og kostnader, samt forbedre den samlede ytelsen.

Som vist kan designere bruke en IGBT-modul med en passende IGBT-driver for å utvikle kostnadseffektive og kompakte motorstasjoner og omformere som oppfyller standarder for ytelses og virkningsgrad.

Anbefalt lesing:

1. Implementer raskt motorstyringsdesign med driver-IC med integreret mikrokontroller
2. Bruk høystrøms-IGBT-drivere med innebygd beskyttelse for pålitelig industriell motorstyring