Seria CIPOS™ Mini IM523 este o nouă familie de module de putere inteligente (IPM − Intelligent Power Module) disponibilă într-o capsulă ‘dual in-line’, complet izolată. Aceasta încorporează a doua generație de dispozitive IGBT, cu conducție inversă, care permit creșterea densității de curent și a eficienței sistemului. Modulele IM523 integrează un driver de poartă SOI (Silicon-on-insulator) cu funcție “bootstrap” și un sistem de monitorizare a temperaturii, care transmite semnale în format analogic către controler. În consecință, nevoia de componente externe scade considerabil. Datorită acestor caracteristici, produsele din noua familie IPM se potrivesc perfect pentru sistemele invertoare din aparatele electrocasnice, cum ar fi frigiderele și mașinile de spălat.
Introducere
Majoritatea echipamentelor electrocasnice folosesc motoare pentru a funcționa – de exemplu, pentru a roti tamburul unei mașini de spălat sau pentru a comprima aerul sau gazul într-un frigider. În trecut, motoarele erau, pur și simplu, pornite sau oprite, sau lăsate să funcționeze toată ziua. În consecință, acestea consumau o cantitate enormă de energie și produceau zgomot. O metodă eficace și eficientă privind consumul de energie constă în controlul acestor motoare prin invertoare.
Stilul de viață actual, care se manifestă în majoritatea regiunilor lumii, a creat o cerere imensă de energie. Aparatele de uz casnic, cum ar fi aparatele de aer condiționat și frigiderele, contribuie la creșterea emisiilor de CO2. În ultimii ani, producătorii de aparate electrocasnice au demonstrat că pierderile de energie pot fi reduse semnificativ prin controlul puterii care alimentează motorul. De asemenea, nu este obligatoriu ca motoarele să funcționeze tot timpul la turație maximă. Motoarele din electrocasnicele moderne sunt controlate (prin invertoare) de dispozitive semiconductoare. Acest fapt permite ca motoarele să fie mai silențioase, mai eficiente din punct de vedere energetic și de dimensiuni mai mici.
Invertoarele presupun soluții semiconductoare adecvate. O abordare consacrată este utilizarea IPM-urilor. Integrarea semiconductorilor de putere și a circuitelor de comandă într-un singur modul ajută proiectanții de sisteme să obțină o mai bună fiabilitate a echipamentelor. Astfel, se simplifică asamblarea în producție și se reduce timpul și efortul depus pentru proiectarea hardware. Totuși, o asemenea integrare într-un pachet compact face ca disiparea căldurii să fie mai dificilă. Prin urmare, este esențial să se utilizeze un semiconductor foarte eficient pentru a reduce pierderile de energie în interiorul dispozitivului.
Modulele CIPOS Mini IM523 IPM sporesc fiabilitatea și performanța în aplicațiile de comandă a motoarelor de putere mică și medie
Noul dispozitiv CIPOS Mini IM523 dezvoltat de Infineon a fost proiectat pentru a controla motoarele trifazate în:
- Variatoare de viteză de putere mică și medie pentru aparate electrocasnice
- HVAC (încălzire, ventilație și aer condiționat)
- Ventilatoare și variatoare industriale de până la 1,4 kW
Figura 1: Seria CIPOS Mini IM523 (dimensiuni: 36 mm × 21 mm). (© Infineon Technologies)
Aceste dispozitive IPM de înaltă eficiență se bazează pe cea mai recentă tehnologie IGBT RC-D2 (reverse conducting drive2) de 600V de la Infineon și sunt disponibile cu emitor deschis (open emitter) într-o capsulă DIP 36×21. IM523 suportă diverse clase de curent, de la 6A la 17A, pentru asigurarea unei compatibilități optime cu sistemele finale.
Tehnologia RC-D2 de 600 V reduce foarte mult raportul preț – performanță în cazul echipamentelor electrocasnice. Este optimizată pentru aplicații de control cu consum redus de putere, având pierderi de conducție reduse și cele mai mici pierderi prin comutație. Capsula sa este special adaptată pentru aplicațiile de putere care necesită conducție termică și izolare electrică foarte bune. Produsele din seria IM523 garantează cele mai mici pierderi prin comutație din clasa lor și o eficiență energetică excelentă, în special pentru aplicații cu frecvență înaltă de comutație. Capsula și aliajul de turnare oferă, de asemenea, o robustețe îmbunătățită la umiditate.
IPM-urile CIPOS Mini IM523 sunt echipate cu un circuit bootstrap pentru a simplifica configurația PCB-ului. Datorită capsulei sale de nivel industrial, adaptarea proiectelor bazate pe modelele Mini IPM de tip “pin to 2-pin” existente pot fi realizate ușor și rapid, fără reproiectarea PCB-ului, reducând astfel timpul de introducere pe piață.
Figura 2: Diagrama bloc a seriei IM523. (© Infineon Technologies)
În interiorul IPM IM523
Figura 2 prezintă circuitul echivalent intern al IPM IM523. Acesta este format din șase IGBT-uri RC-D2, un circuit integrat cu 6 canale pentru comanda porților IGBT-urilor și un termistor pentru monitorizarea temperaturii. Toate acestea sunt amplasate pe PCB-ul intern al modulului. Pentru a detecta curentul de sarcină al invertorului, modulele oferă o configurație ‘open emitter’ cu trei terminale emitor grupate pe partea inferioară (low side).
Circuitul integrat de comandă a porților se bazează pe cea mai recentă tehnologie SOI (Silicon on insulator) de la Infineon. Driverul de poartă SOI asigură o izolație electrică funcțională și a fost proiectat pentru a optimiza performanța de comutare a dispozitivelor IGBT RC-D2. De asemenea, acesta oferă funcționalități avansate, cum ar fi interblocare, blocare la subtensiune, protecție la supracurent, protecție împotriva condițiilor repetitive de scurtcircuit și filtrare internă pentru o imunitate sporită la zgomot. Dioda de pornire (bootstrap diode) reduce mult costul total al sistemului (BOM) prin eliminarea nevoii unui circuit de alimentare secundar dedicat switch-urilor de pe partea superioară (high-side).
Elementul care face ca acest IPM să se distingă cu adevărat este tehnologia RC-D2 de 600V. În esență, tehnologia de conducție inversă integrează funcțiile unui IGBT și ale unei diode de întoarcere (freewheeling diode) într-un singur cip. Această integrare reduce atât dimensiunea efectivă a cipului, cât și costurile de asamblare. În comparație cu generațiile anterioare ale tehnologiei de conducție inversă, RC-D2 prezintă robustețe și controlabilitate di/dt mai bune în vederea reducerii zgomotului electromagnetic. Particularitatea sa rezidă din faptul că este optimizată în special pentru aplicațiile de comandă care necesită comutație la frecvențe înalte, cum ar fi mașinile de spălat, frigiderele și ventilatoarele. Aceasta poate contribui la reducerea pierderilor de comutație și la o densitate de putere mai mare, ceea ce are ca rezultat final reducerea costurilor sistemului.
Datorită caracteristicii sale Qrr scăzute, IGBT-ul RC-D2 are pierderi de comutație cu 50% mai mici comparativ cu generația anterioară de IGBT-uri cu conducție inversă. Totuși, îmbunătățirea performanțelor nu poate fi obținută fără a ține cont de robustețe. O defecțiune a sistemului în timpul unei operări poate duce la un scurtcircuit. Prin urmare, este esențial ca un modul IPM să fie suficient de robust pentru a preveni astfel de evenimente.
Grație domeniului lor excelent de operare în condiții de siguranță la scurtcircuit (SCSOA – Short Circuit Safe Operating Area), dispozitivele bazate pe tehnologia RC-D2 pot preveni astfel de situații. Totodată, cu tehnologia RC-D2, nivelurile de vârf ale curentului de scurtcircuit sunt, de obicei, mai mici cu aproximativ 20% față de cele ale generațiilor anterioare, menținând un timp de rezistență la scurtcircuit similar. De exemplu, dacă durata unui scurtcircuit este mai mică de 6 μs, dispozitivul se poate opri în condiții de siguranță în cazul unui curent de scurtcircuit (nerepetitiv) de aproximativ 60Avârf, la o tensiune de alimentare de 16,5V.
Figura 3: Rezultatele simulării pierderilor de putere în următoarele condiții: tensiune DC link = 310V, tensiune de alimentare a modulului de putere = 15V, frecvență de comutare = 15 kHz, temperatură ambiantă = 30°C, rezistență termică a radiatorului = 3,2 ℃/W, factor de putere = 0,8, indice de modulatie = 0,8. (© Infineon Technologies)
Evaluarea performanțelor
Datorită caracteristicilor lor electrice și termice fără precedent, produsele IM523 deschid calea pentru a trece la următorul nivel de performanță al sistemului. La o frecvență de comutare de 15 kHz, aceste IPM-uri înregistrează pierderi de putere cu 25% mai mici pentru un curent de ieșire al invertorului de 4A.
Performanța termică a IM523 a fost evaluată într-un sistem de invertor trifazat. Acesta a fost comparat cu modulele care utilizează tehnologia RC-IGBT din generația anterioară și cu IGBT-uri și diode convenționale. Pentru a evalua performanțele termice ale acestor soluții, s-a măsurat temperatura corespunzătoare fiecărei capsule în condiții reale de funcționare. Rezultatele testelor sunt prezentate în figura 4.
Dispozitivele IM523 IPM bazate pe tehnologia RC-D2 își depășesc competitorii în ceea ce privește performanța termică. IPM-ul cu tehnologia RC-IGBT din generația anterioară a avut o temperatură a carcasei cu 5℃ mai mare pentru un curent de ieșire de 4,3A.
Figura 4: Temperatura capsulei. (© Infineon Technologies)
Datorită performanțelor sale de comutare mai bune, IPM-ul IM523 a obținut o temperatură a capsule cu 2℃ mai mică decât IPM-ul care utilizează cipuri IGBT și diode separate, în aceleași condiții.
Concluzie
Noua familie de module de putere inteligente CIPOS Mini IM523 este o soluție optimizată pentru aplicațiile de comandă a motoarelor cu viteză variabilă. Acesta oferă o eficiență îmbunătățită într-o capsulă ‘dual in-line’ turnată prin transfer, compactă și testată. Datorită caracteristicilor switch-urilor RC-D2 și a funcțiilor avansate ale driverelor sale de poartă SOI, aceste produse oferă combinația perfectă de performanță și robustețe într-o soluție IPM.
Autori:
Taesung Kwon, Principal Engineer of R&D și
Laurent Beaurenaut, Senior Principal Engineer of Technical Marketing
