Современная элементная база для привода двигателей фирмы International Rectifier

Компания International Rectifier (Эль-Сегундо, Калифорния, США) была основана в 1947 г. Эриком Лидовым (Eric Lidow), родившимся в 1913 г. в Вильнюсе. Он руководил фирмой более 60 лет, после чего в 2008 г. пост президента и генерального директора IR занял Олег Хайкин (Oleg Khaykin) [1, 2]. С приходом нового руководства существенно изменилась стратегия IR и номенклатура выпускаемых изделий. Компания имеет более 20 представительств в Северной Америке, Европе и Азии, восточноевропейское подразделение (Eastern Zone) базируется в Москве и обслуживает 12 стран бывшего СССР [3].

В предлагаемой статье рассмотрены номенклатура и особенности некоторых продуктов категории Motion Control из каталога фирмы 2011 г. В данную категорию входят: цифровые микросхемы управления двигателями (Digital Control); интегральные силовые модули (IPM); драйверы затворов IGBT (Gate Driver ICs); IGBT; контроллеры выходного тока драйверов двигателей (Current Sensing ICs). Дискретные полевые транзисторы MOSFET, HEXFET и другие типы полевых транзисторов в рассматриваемую категорию фирмой не включены и требуют отдельного рассмотрения [4].

Продукты Motion Control обеспечивают эффективную реализацию частотно-регулируемого привода синхронных двигателей переменного тока различных типов, например PMSM — синхронные двигатели с постоянными магнитами, обеспечивающие эффективность на 15% большую, чем асинхронные машины. Компания также предлагает комплексную платформу iMOTION, позволяющую в короткие сроки разрабатывать эффективные системы частотно-регулируемого привода двигателей для самых различных приложений. На базе платформы iMOTION фирма разработала ряд наборов разработчика (Design KIT) для отработки систем привода двигателей. Внешний вид платы набора IRMCS3043 показан на рис. 1 [5].

Рис. 1. Внешний вид платы набора разработчика IRMCS3043

Модули IR

В разделе IPM каталога представлены 13 типов модулей (ряд приборов имеют по два-три исполнения), в состав каждого из которых входят трехфазный инверторный модуль IGBT и схема управления затворами (за исключением трех приборов, выполненных на полевых транзисторах). Перечислим основные особенности модулей:

• высокая эффективность встроенных IGBT;
• использование изолированной металлической подложки для уменьшения ЭМИ;
• выходные мощности до 2 кВт;
• максимальная рабочая частота модулей (частота следования ШИМ-импульсов) — 20 кГц;
• инструменты веб-дизайна на сайте компании;
• замена более 20 дискретных элементов эквивалентных схем привода;
• повышенная надежность по сравнению со схемами на дискретных элементах;
• изолированный корпус.

Области применения микросхем (рекомендации IR): промышленные приводы; вентиляторы и компрессоры; кондиционеры, стиральные машины. Классификационные параметры микросхем, приведенные в таблице 1, обеспечиваются при температуре корпусов модулей +25 °С.

Структура модуля IRAM136-0461G приведена на рис. 2. В прибор встроены сетевой выпрямитель и датчик выходного тока (резистор обратной связи R10). Структуры модулей IRAM136-3063B, IRAMS06UP60B, IRAMS10UP60B, IRAMX16UP60B, IRAMY20UP60B отличаются в основном отсутствием сетевого выпрямителя. Структуры модулей IRAMS06UP60A, IRAMS10UP60A, IRAMX16UP60A отличаются отсутствием сетевого выпрямителя и резистора R10, в приборе IRAMX20UP60A выводы эмиттеров транзисторов нижних плеч инверторов соединены с отдельными выводами прибора. Назначения выводов различных приборов (нумерация) не совпадают.

Рис. 2. Структура модуля IRAM136-0461G

В состав приборов входят: диоды выпрямительного моста D10–D13; IGBT инверторов Q1–Q6, антипараллельные диоды D1–D6; резистор обратной связи (датчик выходного тока) R10; бутстрепные диоды D7–D9, бутстрепный резистор R9; ограничительные цепочки R1/D14–R6/D19; терморезистор и интегральный драйвер затворов инверторов.

Инверторы модуля IRAM136-3023B выполнены на усовершенствованных полевых транзисторах MOSFET с низким сопротивлением Rds (ON) по технологии, обеспечивающей минимальные выбросы при переключении (Super Rugged Technology). Структура прибора приведена на рис. 3. Микросхемы IR3101/3103 содержат только по одному полумосту, выполненному на полевых транзисторах FredFET (HEXFET со встроенными сверхбыстродействующими антипараллельными диодами), структура микросхем приведена на рис. 4. Рассмотрим особенности некоторых приборов более подробно.

Рис. 3. Структура модуля IRAM136-3023B

Рис. 4. Структура микросхем IR3101, IR3103

IRAMS10UP60B

Это гибридный модуль со встроенным датчиком тока (Shunt Resistor), его внешний вид показан на рис. 5. Прибор разработан и оптимизирован для использования в качестве драйвера двигателей переменного тока различных типов. Модуль выполнен по технологии Plug’N’Drive в изолированном компактном корпусе размерами 62×22,3×5 мм. Встроенный датчик тока инверторов позволяет упростить цепи обратной связи и схемы контроля выходного тока драйвера, что обеспечивает прецизионную и безопасную работу электропривода. Прибор оснащен схемами температурной защиты, защиты от перегрузки по току и от пониженного напряжения. Для организации питания верхних плеч инверторов используются бутстрепные диоды, это позволяет использовать однополярный источник питания, что упрощает и удешевляет электропривод. Другие особенности модуля:

• малое V_CE(ON), NPT (Non Punch Through IGBT, технология с планарным затвором);
• малая разность задержек распространения во всех каналах инверторов;
• триггеры Шмитта на входах управления;
• схемы для предотвращения перекрестной проводимости;
• малое значение di/dt драйверов затворов для уменьшения чувствительности к шумам;
• привод двигателей мощностью 0,4–0,75 кВт;
• прочность изоляции 2000 В/1 мин. и CTI более 600 В;
• сертификация безопасности по стандартам UL (Underwriters Laboratory Inc).

Рис. 5. Внешний вид модуля IRAMS10UP60B

Структура модуля практически идентична схеме, приведенной на рис. 2 (сетевой выпрямитель отсутствует, назначения части выводов различны). Вариант схемы включения прибора приведен на рис. 6, в конкретных реализациях следует иметь в виду следующее:

• Конденсаторы в цепях питания следует располагать как можно ближе к выводам модуля; печатные проводники, соединяющие конденсаторы с выводами, не должны иметь изгибов, это способствует снижению ЭМИ.
• Для обеспечения хорошей фильтрации ВЧ керамические конденсаторы между выводами Vcc–Vss и Vb1/2/3–Vs1/2/3 должны быть очень хорошего качества и должны монтироваться очень близко к выводам модуля, рекомендуемая емкость 0,1 мкФ.
• Емкость бутстрепных конденсаторов зависит от используемой частоты ШИМ-сигналов управления, такая зависимость определяется величиной допустимой мощности рассеяния на внутреннем бутстрепном резисторе в цепи Vcc (R9 на рис. 2). На рис. 7 приведена зависимость требуемой емкости бутстрепных конденсаторов от частоты ШИМ-сигналов, а также соответствующий фрагмент схемы прибора.
  

  Рис. 6. Схема включения модуля IRAMS10UP60B

  

  Рис. 7. Зависимость емкости бутстрепных конденсаторов от частоты ШИМ-импульсов

  Приведем назначения выводов модуля:
  – 1, 4, 7 (Vb3, Vb2, Vb1) — выводы для подключения бутстрепных конденсаторов;
  – 2, 5, 8 (Vs3, Vs2, Vs1) — фазные выходы инверторов (W, V, U);
  – 10, 12 (V⁺, V^—) — напряжение питания инверторов;
  – 13 (Vth) — вывод внутреннего терморезистора;
  – 14 (Vcc) — напряжение питания драйвера +15 В;
  – 15, 16, 17 (HIN1, HIN2, HIN3) — логические входы драйвера для управления верхними плечами инверторов;
  – 18, 19, 20 (LIN1, LIN2, LIN3) — логические входы драйвера для управления нижними плечами инверторов;
  – 21 (Fault/Enable) — выход схем защиты (сигнал тревоги);
  – 22 (ITRIP) — выход сигнала датчика тока (ОС).

В листах данных конкретных модулей приводится несколько десятков различных параметров. Для разработчиков электроприводов могут представлять интерес следующие:

• максимальное напряжение на выходе выпрямителя питания (цепь V⁺) — 450 В;
• максимальный выходной ток при температуре корпуса +100 °С — 5 А (RMS);
• диапазон рабочих температур кристаллов IGBT и антипараллельных диодов — –40…+150 °С;
• пиковая мощность на внутреннем бутстрепном резисторе (R = 2 Ом) — 80 Вт;
• прямое напряжение на антипараллельных диодах — 1,8 В (при I_с = 5 А, V_cc = 15 В);
• порог срабатывания схемы защиты по току — 13,1–16,4 А;
• время восстановления обратного сопротивления антипараллельных диодов — 70 нс;
• задержки распространения включения/выключения — 590/700 нс;
• тепловые сопротивления: IGBT — 4,2 °С/Вт, антипараллельные диоды — 5,5 °С/Вт.

Общие динамические потери мощности модулей зависят от частоты ШИМ-импульсов и выходного тока (рис. 8). Зависимости сняты при  V⁺ = 400 В, температуре кристаллов +150 °С, глубине модуляции 0,8, факторе мощности 0,6.

Рис. 8. Зависимость общих потерь мощности модуля IRAMS10UP60B от выходного тока

IRAM136-0461G

Данный модуль обеспечивает привод двигателей мощностью 0,1–0,3 кВт при сетевом напряжении до 253 В. Его отличительной чертой является наличие встроенного сетевого выпрямителя (рис. 2). Параметры диодов выпрямителя:

• прямое напряжение — 0,9 В (при I_пр = 4 А и температуре кристаллов +150 °С);
• максимальное обратное напряжение — 600 В.

IRAM136-3063B

Модуль обеспечивает привод двигателей мощностью до 3,3 кВт при сетевом напряжении 85–253 В. Приведем некоторые его параметры:

• максимальный выходной ток при температуре корпуса +100 °С — 15 А;
• диапазон рабочих температур корпуса — –20…+100 °С;
• время восстановления обратного сопротивления антипараллельных диодов — 140 нс;
• время задержки распространения включения/выключения — 600/700 нс;
• тепловые сопротивления: IGBT — 1,5 °С/Вт, диоды — 2,5 °С/Вт.

Микросхемы управления двигателями

В разделе цифровых микросхем управления двигателями представлено 6 приборов, каждый из которых имеет несколько исполнений:

• IRMCF311, IRMCK311, IRMCF312, IRMCK312 рассчитаны на работу в приводах двух двигателей и корректоре коэффициента мощности (ККМ) преимущественно в кондиционерах;
• IRMCF343, IRMCK343 предназначены для применения в электроприводе одного двигателя и ККМ компрессоров;
• IRMCF341, IRMCK341 предназначены для работы в приводе одного двигателя в стиральных машинах;
• IRMCF171, IRMCK171, IRMCF371, IRMCK371 — приборы для применения в приводе одного двигателя в вентиляторах и насосах.

В микросхемах используется современный алгоритм пространственно-векторного управления (ПВУ) без датчиков оборотов двигателя и положения роторов, что позволяет эффективно применять частотно-регулируемые электроприводы (ЧРП) во многих отраслях промышленности. Основные преимущества ЧРП с ПВУ: экономия электроэнергии до 20–60%; быстрый срок окупаемости (3–12 мес.); многократное снижение пусковых токов двигателей; экономия воды (для насосов) до 15%; исключение гидравлических ударов в системе; минимизация затрат на обслуживание; продление срока службы оборудования; снижение вероятности возникновения аварийных ситуаций; возможность точной настройки режима технологической системы; повышение производительности и безопасности.

IRMCF343

Кратко рассмотрим особенности и возможности микросхем IRMCF343 (используется в наборе разработчика IRMCS3043, рис. 1). Микросхема разработана в первую очередь для применения в электроприводах двигателей различных электроприборов. В состав микросхемы входят Motion Control Engine (MCE) — бессенсорный контроллер драйверов двигателей (двигатель без датчиков положения ротора) и 8-разрядный микропроцессор (8051), а также ОЗУ. МСЕ реализует такие алгоритмы, как пропорциональное интегрирование (Proportional plus Integral), вращение вектора тока (Vector rotator), определение угла поворота (Angle estimator), умножение/деление (Multiply/Divide), пространственно-векторная ШИМ (SVPWM), использование одного датчика тока (Single Shunt IFB). Основные особенности IRMCF343:

• управление корректорами фактора мощности;
• поддержка двигателей с внутренними и внешними магнитами;
• встроенная схема для обеспечения работы с одним датчиком тока;
• трех-/двухфазная пространственно-векторная ШИМ (Space Vector PWM);
• три аналоговых выхода (ШИМ);
• программируемый JTAG-порт для эмуляции и отладки;
• последовательный интерфейс связи (UART);
• интерфейсы I²C/SPI;
• сторожевой таймер с независимыми аналоговыми часами;
• три таймера/счетчика общего назначения;
• два специальных таймера (periodic, capture);
• 1,8-В/3,3-В КМОП-технология.

Упрощенная схема электропривода, реализованного на основе набора разработчика IRMCS3043, приведена на рис. 9. В качестве силового блока в наборе применен модуль IRAMX16UP60A-2 (табл. 1), установленный с обратной стороны платы (рис. 1) и закрепленный на теплоотводе. В качестве регулятора фактора мощности применен IGBT IRGP4063D (набор обеспечивает Р_вых = 1700 Вт/230 В).

Рис. 9. Схема электропривода на базе набора разработчика IRMCS3043

Микросхемы драйверов затворов

В разделе микросхем драйверов затворов каталога фирмы представлено более 120 типов микросхем различных исполнений. Их использование позволяет реализовать очень простые и недорогие схемные решения электроприводов в приложениях мощностью до 12 кВт с внешними IGBT на напряжение 600 и 1200 В. В сравнении с решениями на базе оптопар или трансформаторов электроприводы на базе микросхем драйверов затворов содержат на 30% меньше дискретных компонентов и занимают на 50% меньшую площадь печатных плат. Электроприводы с микросхемами драйверов затворов обеспечивают очень быструю регулировку скорости двигателей, малую мощность рассеяния и высокую эффективность. Входы драйверов, как правило, 3,3-В КМОП/ТТЛ-совместимые, выходные токи до 2 А. К другим достоинствам относятся широкий диапазон регулировки скорости и момента двигателей, а также малое время защитной паузы (Dead time), позволяющее использовать частоты переключения инверторов до 100 кГц [6].

Выпускаются микросхемы различных конфигураций (полумосты, полные мосты, трехфазные схемы и др.), классификационные параметры микросхем трехфазных драйверов затворов фирмы приведены в таблице 2. Рассмотрим более подробно особенности микросхем разработки 2008–2010 гг.

IRS2334SP/M

Данная микросхема кроме основного назначения может быть использована в качестве трехканального инвертора общего применения и для непосредственного привода вентиляторов небольшой мощности. Упрощенная структурная схема прибора приведена на рис. 10, типовая схема электропривода на базе рассматриваемой микросхемы и внешних IGBT приведена на рис. 11. Особенности IRS2334SP/M:

• использование бутстрепного питания верхних плеч инверторов;
• устойчивость к отрицательным выбросам напряжения (эффективно при высокой скорости нарастания напряжения импульсов dV/dt);
• схема формирования защитной паузы (Dead time protection);
• схема для предотвращения перекрестной проводимости;
• схема защиты от пониженного напряжения (Under-voltage lockout);
• совместимость с 3,3-В КМОП/LSTTL-логикой;
• входной фильтр с улучшенными характеристиками;
• малая разность задержек распространения сигналов в обоих плечах инверторов;
• низкая скорость di/dt драйверов затворов для снижения чувствительности к шумам (Low di/dt gate driver).

Рис. 10. Структура микросхемы IRS2334

Рис. 11. Схема электропривода на базе микросхемы IRS2334

Рассматриваемая микросхема содержит по три независимых канала для верхнего и нижнего плеча. Выходные буферные каскады всех каналов IRS2334SP/M обеспечивают большие импульсные токи, их схемотехника позволяет минимизировать перекрестную проводимость. Небольшая разница задержек распространения в каналах верхнего и нижнего плеча облегчает использование микросхемы на высоких частотах переключения. Микросхема может быть использована в качестве драйвера как мощных IGBT, так и полевых транзисторов. По эксплуатационным характеристикам устройство удовлетворяет требованиям различных промышленных стандартов (JEDEC industrial qualification). Основные параметры IRS2334SP/M:

• максимальная мощность рассеяния — 1,14 Вт (корпус SOIC20) и 3,363 Вт (корпус MLPQ28);
• тепловое сопротивление — 65,8 °С/Вт (SOIC20) и 22,3°С/Вт (MLPQ28);
• температура окружающей среды — –40…+125 °С, максимальная температура кристаллов — +150 °С;
• задержка включения/выключения — 530 нс;
• постоянная времени входного фильтра — 350 нс;
• защитная пауза — 290 нс.

IRS2336D, IRS23364D

Основным отличием данных микросхем от вышерассмотренных является наличие интегрированной схемы бутстрепного питания верхних плеч инверторов. Структура микросхем приведена на рис. 12. Особенности микросхем (отличия от IRS2334):

• схема защиты от перегрузки по току и от перегрева;
• входы включения/выключения и контрольный выход схем защиты (Fault reporting);
• регулируемый таймер разблокировки схем защиты (Adjustable fault clear timing);
• раздельные корпусные выводы для силовых и логических схем.

Рис. 12. Структура микросхем IRS2336D, IRS23364D

Различия между IRS2336D и IRS23364D: разные пороги срабатывания схем защиты от низкого напряжения — 8,9/8,2 В и 11,1/10,9 В соответственно; разные параметры сигналов управления микросхем (HIN, LIN); выходные напряжения 10–20 В и 11,5–20 В соответственно.

Транзисторы IR

В разделе IGBT каталога компании представлено более двадцати типов приборов в различных исполнениях (V_ce = 600 В для всех приборов). Транзисторы можно использовать как внешние элементы схем электропривода, так и в интегрированных модулях, например в сочетании с драйверами затворов, рассмотренными выше. В большинстве типов транзисторов интегрированы антипараллельные диоды (типа Ultrafast Soft Recovery Diode). В рекомендованный список приборов включены транзисторы типа Depletion-stop trench IGBT Co-Pack (для интегрированных модулей), NPT IGBT (Co-Pack), NPT IGBT (для дискретных схем). Основные параметры большинства транзисторов раздела IGBT при температуре кристаллов +25 °С приведены в таблице 3. Диапазон рабочих температур кристаллов –55…+150 °С или –55…+175 °С (Trench IGBT), автомобильные исполнения транзисторов (AUIRGS30B60K и др.) удовлетворяют требованиям стандартов Automotive (per AEC-Q101), MSL1 (per IPC/JEDEC J-STD-020).

Заключение

В заключение остановимся на вопросах выбора элементной базы для конкретных электроприводов и сравнении параметров различных приборов IR между собой и с параметрами приборов других производителей. Данные, приводимые в технической документации производителей полупроводниковых приборов, необходимо рассматривать с учетом методов и условий их измерения [7]. Приведем условия измерений параметров некоторых из рассмотренных приборов.

IRAMS10UP60B

• I_c — максимальный ток коллектора (RMS). Измеряется при синусоидальной модуляции, напряжении V⁺ = 400 В, температуре кристаллов +150 °С, частоте переключения 20 кГц, глубине ШИМ = 0,8, факторе мощности 0,6 (такие же условия измерения этого параметра использованы для всех приборов, приведенных в таблице 1).
• V_CE(ON) — напряжение насыщения IGBT. Измеряется при I_c = 5 А, V_cc = 15 В, температуре кристаллов T_j = +25 °С. При T_j = +150 °C напряжение насыщения увеличивается до 2 В, в таблице 1 приведены типовые значения параметров. Максимальные V_CE(ON) = 2/2,4 В при T_j = +25/+150°С.
• Е_tot — энергия переключения. В таблице 1 приведены значения общей динамической энергии переключения IGBT и антипараллельных диодов Е_tot (Total Switching Loss) при V⁺ = 400 В, I_c = 5 А, V_cc = 15 В, L = 2 мГн, T_j = +25 °С. При увеличении температуры кристаллов до +150 °С типовое Е_tot увеличивается до 435 мкДж (максимальные значения Е_tot = 335/525 мкДж).
• Q_g — заряд затвора. Измеряется при I_c = 15 А,
  V⁺ = 400 В, Vge = 15 В, максимальное значение Q_g = 44 нК.

IRAM136-0461G

• V_CE(ON) измеряется при I_c = 2 А, V_cc = 15 В, T_j = +25 °C. При увеличении температуры кристаллов до +150 °С типовое напряжение насыщения увеличивается до 2,4 В (U_{нас макс} = 1,95/2,8 В).
• Е_tot измеряется при I_c = 2 А, V_cc = 15 В, V⁺ = 400 В, L = 1 мГн, T_j = +25 °C. При увеличении температуры кристаллов до +150 °С типовая энергия динамических потерь увеличивается до 290 мкДж (Е_{tot макс} = 260/455 мкДж).
• Q_g измеряется при I_c = 2 А, V⁺ = 400 В,
  U_ge = 15 В (Q_g макс = 1,3 нК).

IRAM136-3063B

• V_CE(ON) измеряется при I_c = 15 А, V_cc = 15 В, T_j = +25 °C (при T_j = +150 °C U_нас = 2,1 В).
• Е_tot измеряется при I_c = 15 А, V⁺ = 400 В, V_cc = 15 B, L = 2 мГн, T_j = +25 °C
  (при T_j = +150 °С Е_tot = 1230 мкДж), Е_{tot макс} = 1170/1730 мкДж.
• Q_g измеряется при I_c = 20 А, V⁺ = 400 В, U_ge = 15 В.

IRGP4063D

• V_CE(ON) измеряется при I_c = 48 А, U_ge = 15 В, T_j = +25 °С.
• Е_tot измеряется при I_c = 48 А, V_cc = 400 B, U_ge = 15 В, R_g = 10 Ом, L = 200 мкГн, L_s = 150 нГн, T_j = +25 °C.
• Q_g измеряется при I_c = 48 А, U_ge = 15 В, V_cc = 400 B.

Видно, что значения параметров, приведенных в технической документации, характеризуются многими условиями измерения, поэтому сравнение и выбор приборов для конкретных электроприводов следует проводить при одинаковых условиях и параметрах схем измерения.