Модули IRAM — интегрированное решение для управления трехфазными двигателями от компании International Rectifier

Применение регулируемого электропривода взамен нерегулируемого обеспечивает значительную экономию ресурсов (вода, электроэнергия), высокую точность стабилизации заданных параметров (температура, давление, расход), увеличивает надежность и срок службы техники, позволяет создавать высокоскоростные приводы с большой удельной мощностью. Поэтому доля регулируемых электроприводов в общем объеме применения приводов малой мощности (до 5 л. с.) для промышленной и бытовой техники постоянно увеличивается [1]. Компания IR предлагает широкий спектр решений для построения управляющей и силовой частей инверторов приводов переменного тока. Они могут использоваться как совместно с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, так и с синхронными машинами с возбуждением от постоянных магнитов. Особый интерес вызывают интегрированные решения в виде модулей, содержащих в своем составе интеллектуальный драйвер транзисторов и выходной трехфазный транзисторный мост. Данные модули обеспечивают для разработчиков и изготовителей приводов ряд дополнительных преимуществ в сравнении с применением решений на дискретных компонентах [2]:

• меньшие значения индуктивностей монтажа, что снижает уровень выбросов напряжения на силовых ключах, уменьшает мощность коммутационных потерь и позволяет работать с более высокой частотой ШИМ;
• упрощение проектирования и монтажа силовых цепей инвертора (фактически требуется установить силовой модуль на радиатор, подключить пять или семь выводов модуля к электродвигателю и шине питания постоянного тока, а также подать логические сигналы управления от микроконтроллера);
• интегрированный в модуль драйвер требует всего шесть логических сигналов для управления силовыми транзисторами инвертора, причем по уровням сигнала он совместим как с TTL, так и с КМОП-логикой, в том числе питающейся от 3,3 В;
• задержки распространения управляющих сигналов от логических входов до силовых транзисторов во всех шести каналах хорошо согласованы между собой, что предотвращает появление сколько-нибудь заметной постоянной составляющей в выходных напряжениях инвертора и, соответственно, в магнитном потоке электродвигателя;
• интегрированные в драйвер защита от протекания сквозных токов в стойках инвертора и схема формирования принудительной паузы при переключении силовых транзисторов предотвращают возможность тяжелых аварий;
• интегрированный в модуль термистор позволяет контролировать температуру основания корпуса и, таким образом, защищать силовые транзисторы от перегрева;
• в модуле предусмотрены возможности удобной организации защиты от токовых перегрузок, причем быстродействие защиты согласовано по параметрам со стойкостью силовых транзисторов к короткому замыканию в нагрузке.

Все эти преимущества обеспечивали уже первые модели силовых модулей серии IRAM, выпущенные International Rectifier более 10 лет тому назад. Небольшие размеры модулей, хорошая электрическая изоляция корпуса от теплоотвода (испытательное напряжение 2000 В (эфф). в течение 1 мин.) при неплохой теплопроводности с металлического основания модуля на внешний радиатор, низкий уровень создаваемых помех, стабильное качество и невысокая цена обусловили их популярность. Детальные обзоры многих моделей из линейки IRAM уже публиковались на страницах отечественных журналов [1, 3–5]. International Rectifier продолжает совершенствовать интеллектуальные модули и выпускать новые модели. Они комплектуются силовыми транзисторами с улучшенными характеристиками, обновлена применяемая ИМС драйвера, совершенствуется схема включения модулей.

Современные представления инженеров International Rectifier о том, каким должен быть инвертор электропривода переменного тока средней мощности (доли-единицы киловатт), отражает модуль IRAM136-1561A, выпущенный в 2013 г. Внутренняя схема модуля показана на рис. 1.

Рис. 1. Электрическая схема модуля IRAM136􏰀1561A

Помимо кристаллов IGBT (Q1–Q6), антипараллельных диодов (D1–D6) и ИМС драйвера, в модуль интегрированы бутстрепные конденсаторы (С1–С3) емкостью 47 нФ, быстровосстанавливающиеся бутстрепные диоды (D7–D9) вместе с токоограничивающим резистором R9 сопротивлением 22 Ом, резисторы в цепях затворов IGBT (R1–R6), конденсатор питания драйвера С4, RC-цепь формирования послеаварийной паузы (R7, C5), конденсатор С6 для фильтрации помех на линии ITRIP и термистор R8 с отрицательным ТКС для контроля температуры алюминиевого основания модуля. Трехфазный мост с выходами типа «открытый эмиттер» предусматривает использование внешних по отношению к модулю датчиков тока в силовых цепях. Как и все модули серии, модель IRAM136-1561А выполнена в однорядном корпусе SIP. Корпус имеет 29 выводов с шагом 1/20 дюйма, восемь из которых удалены для увеличения расстояния (по воздуху и по поверхности модуля) между цепями с большой разностью потенциалов. Назначение выводов модуля и их символьные обозначения приведены в таблице 1.

На рис. 2 показана типовая схема включения модуля в составе трехфазного электропривода. Обращает на себя внимание тот факт, что для построения законченного решения при использовании силового модуля IRAM требуется минимальное количество дополнительных внешних компонентов, что значительно облегчает задачу проектировщикам и изготовителям электропривода.

Рис. 2. Типовая схема включения модуля IRAM136􏰀1561A

В линейке IRAM широко представлены как модели с интегрированным в модуль низкоиндуктивным прецизионным шунтом (датчиком тока), так и модели, предусматривающие применение внешних датчиков тока (отдельных на каждую из трех фаз либо одного общего). В зависимости от требований к качеству управления электроприводом и точности работы защиты по току пользователь может гибко выбирать наиболее подходящий для него вариант.

Большинство модулей имеет по две модификации корпуса, отличающиеся формовкой выводов (прямые выводы или отогнутые под прямым углом) и, соответственно, способом установки модуля на печатную плату и сопряжения его с радиатором. Вариант с вертикальной установкой радиатора и использованием естественной конвекции для охлаждения показан на рис. 3а. Он характерен, например, для электроприводов стиральных машин. Принудительное охлаждение типично для сплит-систем и систем кондиционирования воздуха, конструкция которых предусматривает установку радиатора параллельно печатной плате (рис. 3б).

Рис. 3. Монтаж модуля IRAM: а) с прямыми выводами; б) с выводами, отогнутыми под прямым углом

Использование теплопроводящего компаунда между корпусом модуля и подошвой радиатора и правильный выбор усилия затяжки винтов, прикручивающих модуль к радиатору (рекомендуется момент в диапазоне 0,5–1 Нм), позволяет обеспечить достаточно малую и стабильную величину переходного теплового сопротивления между алюминиевым основанием модуля и подошвой радиатора (не более 3 К/Вт для любого из шести силовых транзисторов инвертора [2]). Документация на модули IRAM, разработанные в последние годы, содержит исчерпывающую информацию для простого и правильного выбора параметров радиатора, обеспечивающего надежную работу модуля при заданных токовой нагрузке с учетом напряжения питания, частоты ШИМ, частоты, формируемой инвертором синусоиды фазного тока, фазового сдвига между выходным напряжением и током, глубины модуляции и наибольшей расчетной температуры окружающей среды.

В таблице 2 приведены основные характеристики модулей IRAM. Большое разнообразие моделей в серии, помимо возможности выбора наиболее подходящего по мощности (нагрузочной способности) модуля, позволяет пользователю оптимизировать свой проект по габаритам, стоимости, удобству сопряжения с управляющим МК и другим специфическим требованиям.

Примечания: 1 — в модуль дополнительно интегрирован однофазный выпрямительный мост для питания от сети переменного тока; 2 — имеется единственное исполнение корпуса (только с прямыми выводами); 3 — имеется единственное исполнение корпуса (только с отогнутыми под прямым углом выводами); 4 — последовательно с терморезистором включен добавочный постоянный резистор; 5 — форсированное выключение IGBT; 6 — имеется возможность перестройки (программирования) порога срабатывания защиты по току и продолжительности послеаварийной паузы внешними резисторами; 7 — встроенный в модуль позистор корректирует порог срабатывания защиты по току, снижая его при повышении температуры; 8 — основание корпуса не изолировано и соединено с минусом питания.

В начале 2013 г. International Rectifier представила новую серию модулей mIPM — IRSM836 для построения сверхминиатюрных электроприводов переменного тока мощностью до нескольких сотен ватт. Модули выполнены по трехфазной мостовой топологии и размещены в корпусах PQFN размером 12×12×1 мм для поверхностного монтажа на печатную плату, которая используется и в качестве теплоотвода. Нагрузочная способность модулей в значительной мере определяется суммарной толщиной слоев меди на плате и температурой окружающей среды. Инвертор реализован с использованием высоковольтных полевых транзисторов Trench-FREDFET с улучшенным быстродействием встроенных в них диодов. Основные характеристики модулей серии IRSM836 представлены в таблице 3.

Примечание:* — данные приведены для частоты ШИМ 16 кГц, температуры окружающей среды +25 °С и температуры корпуса +95 °С

Заключение

Интеллектуальные силовые модули IRAM компании International Rectifier позволяют создать высокоэффективные системы электропривода для промышленных применений мощностью до нескольких киловатт при использовании минимального набора внешних компонентов. Электродвигатели средней мощности (до 400 Вт) могут управляться с помощью новейших модулей серии mIPM, что позволяет значительно уменьшить массо-габаритные характеристики решения и делает модули mIPM отличным решением для применения в бытовой технике.