Hur man förenklar motordrivningar och växelriktare med IGBT-moduler

Användningen av motorer och växelriktare fortsätter att växa inom områden som industriell automatisering, robotik, elfordon, solenergi, vitvaror och elverktyg. Utöver denna tillväxt finns behov av att förbättra effektiviteten, sänka kostnaderna, minska storleken och förenkla den övergripande konstruktionen. Även om det är frestande att konstruera specialanpassad motor- och växelströmselektronik med hjälp av diskreta, isolerade bipolära transistorer (IGBT) för att uppfylla specifika krav, kan det vara dyrt på lång sikt och försena konstruktionsplanerna.

Istället kan konstruktörerna använda standardiserade IGBT-moduler som kombinerar flera effektkomponenter i en enda kapsling. Sådana moduler stöder konstruktörernas behov av att utveckla kompakta system med ett minimum av sammankopplingar, vilket därigenom förenklar monteringen, minskar tiden till marknadslansering, sänker kostnaderna och förbättrar den totala prestandan. I kombination med en lämplig IGBT-drivkrets möjliggör IGBT-moduler utveckling av effektiva och kostnadseffektiva motordrivningar och växelriktare.

Denna artikel beskriver kortfattat elmotorer och växelriktare och tillhörande drivkretsar och prestandakrav. Den går sedan igenom fördelarna med att använda IGBT-moduler och olika standarder för modulinkapsling och sedan vidare till att introducera olika konstruktionsalternativ för motordrivningar och växelriktare som bygger på IGBT-moduler och IC:ar från leverantörer som NXP Semiconductors, Infineon Technologies, Texas Instruments, STMicroelectronics och ON Semiconductor och hur man använder dem, inklusive hur utvärderingskort kan användas.

Motortyper och effektivitetsstandarder

IEC/EN 60034-30 delar upp motorverkningsgraden i de 5 klasserna IE1 till IE5. National Electrical Manufacturers Association (NEMA) har en motsvarande klassificeringsskala från "standardeffektivitet" till "ultrapremium"-effektivitet (figur 1). Användning av elektroniska drivkretsar erfordras för att uppfylla de högre effektivitetsstandarderna. AC-induktionsmotorer med elektroniska drivkretsar kan uppfylla kraven i IE3 och IE4. Det krävs dyrare permanentmagnetmotorer och elektroniska drivkretsar för att uppfylla IE5-effektivitetsnivåerna.

Figur 1: Motoreffektivitetsklasser enligt IEC/EN 60034-30 (IE1 till IE5) och motsvarande NEMA-värden (standardeffektivitet till ultrapremium-effektivitet). AC-induktionsmotorer med FOC och elektroniska drivkretsar kan uppfylla kraven i IE3 och IE4. Permanentmagnetmotorer behövs för att uppfylla IE5-effektivitetsnivåerna. (Bildkälla: ECN)

Utvecklingen av billiga microcontrollers (MCU) har gjort det möjligt för konstruktörer att använda vektorstyrning, även kallad fältorienterad styrning (FOC), en styrmetod med variabel frekvensomformare (VFD) där statorströmmarna för en trefasig växelströmsmotor identifieras som två ortogonala komponenter som kan visualiseras med en vektor. Proportionell-integrerande styrningar (PI-regulatorer) kan användas för att hålla de uppmätta strömkomponenterna vid sina önskade värden. VFD:s pulsbreddsmodulering definierar transistorswitchningen enligt statorspänningsreferenserna som utgör utgången från PI-strömstyrningarna.

FOC utvecklades ursprungligen för högprestandasystem men det blir nu alltmer attraktivt i billigare tillämpningar på grund av dess motorstorlek, lägre kostnader och lägre strömförbrukning. På grund av den större tillgängligheten av billiga microcontrollers med höga prestanda, ersätter FOC alltmer enklare envariabla skalära volt/Hertz-styrningar (V/Hz).

Det finns två primära typer av permanentmagnetmotorer som används idag, borstlösa likströmsmotorer (BLDC) och synkronmotorer med permanentmagnet (PMSM). Båda dessa avancerade motorstyrningar kräver effektelektronik för drivning och styrning.

BLDC-motorer är hållbara, effektiva och kostnadseffektiva. PMSM-motorer har attributen hos BLDC-motorer, med lägre brus och något högre verkningsgrad. Båda typerna av motorer används vanligtvis med Hall-sensorer men kan också användas i sensorlösa konstruktioner. PMSM-motorer används inom områden där de högsta prestandanivåerna krävs, medan BLDC-motorer används i mer kostnadskänsliga konstruktioner.

• BLDC-motorer
  • Lättare att styra (6 steg) och endast DC-strömmar behövs
  • Momentrippel vid kommuteringar
  • Lägre kostnad och lägre prestanda (jämfört med PMSM)
• PMSM-motorer
  • Används vanligtvis i servodrivningar med en integrerad axelencoder
  • Mer komplex styrning (behöver 3-fas sinusformad PWM)
  • Inget momentrippel vid kommuteringar
  • Högre verkningsgrad, högre vridmoment
  • Högre kostnad och högre prestanda (jämfört med BLDC)

Översikt växelriktare

Verkningsgraden hos en växelriktare anger hur mycket av ingående likström som omvandlas till växelström på utgången. Sinusvågsväxelriktare av hög kvalitet uppnår 90-95 % verkningsgrad. Växelriktare av lägre kvalitet med modifierad sinusvåg är enklare, billigare och mindre effektiva, vanligtvis 75-85 %. Högfrekventa växelriktare är vanligtvis effektivare än lågfrekventa. Växelriktarens verkningsgrad, eller effektivitet, beror också på lasten på den (figur 2). Alla växelriktare kräver kraftelektronik och elektroniska styrningar.

När det gäller solcellsväxelriktare finns det tre typer av effektivitetsklassningar:

• Toppeffektivitet indikerar växelriktarens prestanda vid optimal effekt. Den visar maxpunkten för en viss växelriktare och kan användas som ett kriterium för dess kvalitet (figur 2).
• Europeisk effektivitet är den viktade siffran relativt hur ofta växelriktaren ska aktiveras vid olika effektutmatningar. Ibland är detta mer användbart än toppeffektiviteten, eftersom det visar hur växelriktaren fungerar vid olika utgångsnivåer under en solig dag.
• Effektivitet California Energy Commission (CEC) är också en vägd effektivitet, som liknar den europeiska effektiviteten, men den använder andra antaganden om viktningsfaktorer.

Den största skillnaden mellan den europeiska och CEC-effektiviteten är att antagandena om vikten av varje effektnivå för en viss växelriktare baseras på data för Centraleuropa i det första fallet och Kalifornien i det senare.

Figur 2: Typisk effektivitetskurva för en växelriktare som visar toppeffektivitetspunkten. (Bildkälla: Penn State University)

Grundfakta om IGBT:ar

Grundfunktionen för en IGBT är den snabbast möjliga omkopplingen av elektriska strömmar med lägsta möjliga förluster. Som namnet antyder är en IGBT en bipolär transistor med en isolerad gatestruktur; styret (gaten) är i sig i grunden en MOSFET. Därför kombinerar IGBT fördelarna med hög strömbärande kapacitet och höga spänningar hos en bipolär transistor med den kapacitiva, strömsnåla styrningen hos en MOSFET. Figur 3 visar hur en MOSFET och en bipolär transistor tillsammans leder till IGBT:n.

Figur 3: Konceptstruktur för en IGBT som visar MOSFET:en som utgör den isolerade gaten och den bipolära transistorstrukturen som utgör effekthanteringssektionen. (Bildkälla: Infineon Technologies)

Den grundläggande funktionen för en IGBT är enkel: En positiv spänning U_GE från styret (G, i figur 3) till emittern (E) slår på MOSFET:en. Därefter kan spänningen som är ansluten till kollektorn (C) driva basströmmen genom den bipolära transistorn och MOSFET:en; den bipolära transistorn slås på och lastströmmen kan strömma. En spänning U_GE ≤ 0 volt stänger av MOSFET:en, basströmmen avbryts och den bipolära transistorn stängs också av.

Även om det är enkelt till sitt koncept, är utveckling av hårdvara för att styra en IGBT - en gate-drivkrets - en komplex uppgift till följd av de många prestandanyanserna i verkliga produkter och kretsar. För det mesta är det inte nödvändigt. Halvledartillverkare erbjuder lämpliga gatedrivkretsar med en mängd olika funktioner och förmågor i form av integrerade lösningar. Därav vikten av att matcha IGBT-moduler med lämpliga gatedrivkretsar.

IGBT-moduler finns i en mängd olika kapslingar (figur 4). De största storlekarna är klassade för 3 300 volt eller högre och är avsedda för användning i megawatt-installationer som system för förnybar energi, avbrottsfri strömförsörjning och mycket stora motordrivningar. Medelstora moduler är vanligtvis klassade från 600 till 1700 volt inom en mängd olika områden, inklusive elfordon, industriella motordrivningar och solpanelväxelriktare.

Figur 4: IGBT-moduler erbjuds i ett brett utbud av kapslingar. Typiska spänningsvärden varierar från 600 volt till 3300 volt. (Bildkälla: Fuji Electric)

De minsta enheterna kallas integrerade effektmoduler och är klassade för 600 volt och kan inkludera inbyggda gatedrivkretsar och andra komponenter för motordrivningar i mindre industriella system och konsumentvitvaror. IGBT:er drivs med högre effektnivåer och vid lägre switchningsfrekvenser jämfört med andra typer av switchande komponenter (figur 5).

Figur 5: Effektomfång kontra switchningsfrekvens för vanliga switchande anordningar (Bildkälla: Infineon Technologies)

IGBT-modulutvärderingskort för växelriktare för framdrivning

För konstruktörer av växelriktare för framdrivning erbjuder NXP Semiconductors FRDMGD3100HBIEVM-utvärderingskortet för gatedrivkretsar för energihantering, med hjälp av den integrerade gatedrivkretsen MC33GD3100A3EK med halvbrygga. Detta utvärderingskort är speciellt utformat för användning med IGBT-modulen FS820R08A6P2BBPSA1 från Infineon (figur 6). Det är en komplett lösning och inkluderar integrerade halvbrygga-drivkretsar, DC-länkkondensator och adapterkortet för anslutning till en PC som tillhandahåller styrsignalerna. Tillämpningarna kan omfatta:

• Drivmotorer för elfordon och DC/DC-omvandlare för högspänning
• Inbyggda laddare på elfordon och externa laddare
• Andra AC-motorstyrningstillämpningar för högspänning

Figur 6: NXP:s utvärderingskort FRDMGD3100HBIEVM för gatedrivkretsar för effekthantering anslutet till IGBT-modulen FS820R08A6P2BBPSA1 från Infineon som visar positionen för MC33GD3100A3EK, integrerade halvbrygga-drivkretsar, DC-länkkondensator och adapterkort för anslutning till en PC som tillhandahåller styrsignalerna. (Bildkälla: NXP Semiconductors)

Drivkrets för 150 x 62 x 17 mm IGBT-moduler

För konstruktörer av motordrivkretsar, solomvandlare, hybrid- och elbilsladdare, vindkraftverk, transport och avbrottsfri strömförsörjningssystem har Texas Instruments utvecklat ISO5852SDWEVM-017 (figur 7). Det är en kompakt, dubbelkanalig isolerad gatedrivkrets som tillhandahåller drivspänning och förspänning, samt skydd och diagnosfunktioner som behövs för generiska SiC-MOSFET- och kisel-IGBT-moduler med halvbrygga, som är kapslade i standardformatet 150 × 62 × 17 mm. Denna utvärderingsmodul från TI är baserad på drivkretsen ISO5852SDW för 5700 Vrms med förstärkt isolering i en SOIC-16DW-kapsling med 8,0 mm krypavstånd och fritt utrymme. Utvärderingsmodulen inkluderar SN6505B-baserade isolerade DC/DC-matningar för transformatorförspänning.

Figur 7: Texas Instruments dubbelkanaliga isolerade gatedrivkretskort ISO5852SDWEVM-017 monterat ovanpå en 150 × 62 mm stor IGBT-modul. (Bildkälla: Texas Instruments)

Intelligent utvärderingskort för effektmoduler

STMicroelectronics 3-fasiga motorstyrningskort STEVAL-IHM028V2 för 2000 W (figur 8) med den intelligenta IGBT-effektmodulen STGIPS20C60. Utvärderingskortet är en DC/AC-växelriktare som genererar en vågform för att driva 3-fasmotorer, som induktionsmotorer eller PMSM-motorer upp till 2000 watt i klimatanläggningar, vitvaror och avancerade handelverktyg för enfas. Konstruktörer kan använda denna utvärderingsmodul för att implementera FOC-konstruktioner med 3-fasmotorer (AC).

Huvudsektionen av denna utvärderingsmodul är en universell, komplett utvärderad och färdigmonterad konstruktion bestående av en 3-fas växelriktarbrygga som bygger på den intelligenta IGBT-effektmodulen för 600 volt, i en SDIP 25L-kapsling monterad på en kylkropp. Den intelligenta effektmodulen kombinerar alla IGBT-switchar med skyddande flybackdioder tillsammans med gatedrivkretsar för högspänning. Denna integrationsnivå sparar utrymme på kretskortet och monteringskostnader, och bidrar även till högre tillförlitlighet. Kortet är konstruerat för att vara kompatibelt med enfasnät som matar från 90 till 285 VAC och är också kompatibelt med ingångar på 125 - 400 VDC.

Figur 8: STMicroelectronics produktutvärderingskort STEVAL-IHM028V2 med FOC. Detta kort kan användas för att utvärdera ett brett spektrum av tillämpningar, såsom klimatanläggningar, vitvaror och avancerade elverktyg för enfas. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Ett utvärderingskort på 850 watt som hanterar flera motortyper

ON Semiconductor erbjuder utvärderingskortet SECO-1KW-MCTRL-GEVB som gör det möjligt för konstruktörer att styra olika typer av motorer (AC-induktionsmotorer, PMSM, BLDC) med hjälp av olika styralgoritmer, inklusive FOC, vilka kan implementeras med en microkontroller som kan anslutas via Arduino Due-stiftlister (figur 9). Kortet är utformat för att användas med Arduino DUE (kompatibel stiftlist) eller ett liknande styrkort med en microcontroller. Kortet introducerades för att stödja utvecklare under deras första steg med att konstruera tillämpningar med integrerade effektmoduler och effektfaktorkorrigering. Det är avsett att användas av konstruktörer av industriella pumpar och fläktar, industriella automatiseringssystem och konsumentelektronik.

Figur 9: blockdiagram för ON Semiconductors utvärderingskort SECO−1KW−MCTRL−GEVB (Bildkälla: ON Semiconductor)

Detta utvärderingskort är baserat påNFAQ1060L36T (figur 10), ett integrerat växelriktarsteg bestående av en högspänningsdrivkrets, 6 st IGBT:er och en termistor, som är lämpligt för att driva PMSM-, BLDC- och AC-induktionsmotorer. IGBT:erna är konfigurerade i en 3-fasbrygga med separata emitteranslutningar till de nedre benen för maximal flexibilitet i valet av styralgoritm. Effektsteget har en komplett räcka av skyddsfunktioner inklusive korsledningsskydd, extern avstängning och spärrfunktioner för underspänning. En intern komparator och referens ansluten till överströmskyddskretsen gör det möjligt för konstruktören att ställa in önskad skyddsnivå.

Figur 10: Funktionellt blockschema för den integrerade effektmodulen NFAQ1060L36T från ON Semiconductor (Bildkälla: ON Semiconductor)

Sammanfattning av funktioner för den integrerade effektmodulen NFAQ1060L36T:

• 3-fas, 10 ampere, 600 volt IGBT-modul med integrerade drivkretsar
• Kompakt kapsling in-line på 29,6 x 18,2 mm
• Inbyggt underspänningsskydd
• Korsledningsskydd
• ITRIP-ingång för att stänga av alla IGBT-enheter
• Integrerade bootstrap-dioder och -motstånd
• Termistor för mätning av substrattemperatur
• Shut down-pinne
• UL1557-certifiering

Slutsats

Att utveckla egen elektronik för motorer och växelriktare med diskreta IGBT:er för att uppfylla särskilda krav kan bli dyrt på lång sikt och försena konstruktionsarbetet. Utvecklare kan istället använda IGBT-moduler av standardtyp som kombinerar flera effektkomponenter i en och samma kapsling. Sådana moduler stöder konstruktörernas behov av att utveckla kompakta system med ett minimum av hopkopplingar, vilket därigenom förenklar montering, minskar tiden till marknad och kostnaderna och förbättrar helhetsprestandan.

Som visat kan konstruktörer använda en IGBT-modul med en lämplig IGBT-drivkrets för att utveckla kostnadseffektiva och kompakta motordrivningar och växelriktare som uppfyller kraven på prestanda och verkningsgrad.

Rekommenderad läsning

1. Implementera motorstyrningskonstruktioner enkelt med en drivkrets med integrerad microcontroller
2. Använd IGBT-drivkretsar för hög ström med inbyggt skydd för tillförlitlig industriell motorstyrning