Vereenvoudiging van het ontwerp van de motordrive en de omvormer met behulp van IGBT-modules

Het gebruik van motors en omvormers blijft groeien in toepassingen zoals industriële automatisering, robotica, elektrische voertuigen, zonne-energie, witgoed en elektrisch gereedschap. Samen met deze groei is de noodzaak om de efficiëntie te verbeteren, de kosten te verlagen, de voetafdruk te verkleinen en het totale ontwerp te vereenvoudigen. Terwijl het verleidelijk is om aangepaste motor en inverter vermogenselektronica te ontwerpen met behulp van discrete geïsoleerde poort bipolaire transistors (IGBT's) om aan specifieke eisen te voldoen, kan dit kostbaar zijn op de lange termijn en vertragingsschema's voor het ontwerp.

In plaats daarvan kunnen ontwerpers gebruik maken van kant-en-klare IGBT-modules die meerdere voedingsapparaten in één pakket combineren. Dergelijke modules ondersteunen de behoefte van ontwerpers om compacte systemen te ontwikkelen met een minimum aan koppelingen, waardoor de assemblage wordt vereenvoudigd, de time-to-market en de kosten worden gereduceerd en de algemene prestaties worden verbeterd. In combinatie met een geschikte IGBT-driver maken IGBT-modules de ontwikkeling van efficiënte en kosteneffectieve motoraandrijvingen en -omvormers mogelijk.

Dit artikel beschrijft in het kort de elektromotors en -omvormers en de bijbehorende drivecircuits en prestatie-eisen. Het zal dan de voordelen van het gebruik van IGBT-modules en diverse verpakkingsnormen voor modules bekijken voordat het motordrive en omvormerontwerpopties op basis van IGBT-modules en driver-IC's van leveranciers zoals NXP Semiconductors, Infineon Technologies, Texas Instruments, STMicroelectronics en ON Semiconductor introduceert, en hoe deze toe te passen, met inbegrip van het gebruik van evaluatieborden.

Motortypen en efficiëntienormen

IEC/EN 60034-30 verdeelt het motorrendement in 5 klassen IE1 tot IE5. De National Electrical Manufacturers Association (NEMA) heeft een overeenkomstige beoordelingsschaal van 'standaardrendement' tot 'ultra-premium' rendement (Afbeelding 1). Het gebruik van elektronische drivers is noodzakelijk om aan de hogere efficiëntienormen te voldoen. AC-inductiemotors met elektronische aandrijvingen kunnen voldoen aan de IE3- en IE4-eisen. Er zijn duurdere permanente magnetische motors en elektronische drives nodig om aan de IE5-efficiëntieniveaus te voldoen.

Afbeelding 1: Motor rendementsklassen volgens IEC/EN 60034-30 (IE1 tot IE5) en overeenkomstige NEMA-ratings (standaardrendement tot ultra-premium rendement). AC-inductiemotors met FOC en elektronische drives kunnen voldoen aan de IE3- en IE4-eisen. Permanente magnetische motors zijn nodig om aan de IE5-efficiëntieniveaus te voldoen. (Bron afbeelding: ECN)

De ontwikkeling van goedkope microcontrollers (MCU's) heeft ontwerpers in staat gesteld om gebruik te maken van vectorregeling, ook wel veldgerichte regeling (FOC) genoemd, een regelmethode met variabele frequentie (VFD) waarbij de statorstromen van een draaistroommotor worden geïdentificeerd als twee orthogonale componenten die met een vector kunnen worden gevisualiseerd. Proportioneel-integrale (PI) regelaars kunnen worden gebruikt om de gemeten stroomcomponenten op de gewenste waarde te houden. De pulsbreedtemodulatie van de VFD definieert de transistorschakeling volgens de statorspanningsreferenties die de uitgang van de PI-stroomregelaars vormen.

Oorspronkelijk ontwikkeld voor hoogwaardige systemen, wordt FOC ook steeds aantrekkelijker voor goedkopere toepassingen door de grootte van de motor, de lagere kosten en het lagere stroomverbruik van FOC. Als gevolg van de toenemende beschikbaarheid van goedkope, hoogwaardige MCU's, verdringt FOC steeds vaker de minder goed presterende single-variable scalar volts-per-Hertz (V/f) controle.

Er zijn twee primaire typen permanente magneetmotors in gebruik, borstelloze DC (BLDC) en permanente magneetsynchroonmotors (PMSM). Beide geavanceerde motorontwerpen vereisen vermogenselektronica voor de drive en besturing.

BLDC-motors zijn duurzaam, efficiënt en kosteneffectief. PMSM-motors hebben de kenmerken van BLDC-motors met een lager geluidsniveau en een iets hoger rendement. Beide soorten motors worden vaak gebruikt in combinatie met Hall-sensors, maar kunnen ook worden gebruikt in sensorloze ontwerpen. PMSM-motors worden gebruikt in toepassingen die het hoogste prestatieniveau vereisen, terwijl BLDC-motors worden gebruikt in meer kostengevoelige ontwerpen.

• BLDC-motors
  • Gemakkelijker te regelen (6 stappen) en alleen benodigde DC-stromen
  • Koppelrimpel bij commutaties
  • Lagere kosten en lagere prestaties (in vergelijking met PMSM)
• PMSM-motors
  • Vaak gebruikt in servodrivesmet een geïntegreerde as-encoder
  • Meer complexe controle (heeft 3-fasen sinusoïde PWM nodig)
  • Geen koppelrimpel bij commutatie
  • Hoger rendement, hoger koppel
  • Hogere kosten en hogere prestaties (in vergelijking met BLDC)

Inverteroverzicht

Het rendement van een omvormer geeft aan hoeveel DC-ingangsvermogen wordt omgezet in AC-vermogen op de uitgang. Hoogwaardige sinusomvormers leveren 90-95% rendement. Aangepaste sinusomvormers van lagere kwaliteit zijn eenvoudiger, minder duur en minder efficiënt, meestal 75-85%. Hoogfrequente omvormers zijn meestal efficiënter dan laagfrequente ontwerpen. Het rendement van de omvormer is ook afhankelijk van de belasting van de omvormer (Afbeelding 2). Voor alle omvormers zijn vermogenselektronische drives en besturingen nodig.

In het geval van fotovoltaïsche omvormers zijn er drie soorten rendementsranglijsten:

• Het piekrendement geeft de prestaties van de omvormer aan bij het optimale vermogen. Het geeft het maximale punt aan voor een bepaalde omvormer en kan worden gebruikt als criterium voor de kwaliteit ervan (Afbeelding 2).
• De Europese efficiëntie is het gewogen getal dat rekening houdt met hoe vaak de omvormer op verschillende uitgangen zal werken. Het is soms nuttiger dan het piekrendement, omdat het laat zien hoe de omvormer presteert op verschillende vermogensniveaus tijdens een zonnedag.
• De efficiëntie van de California Energy Commission (CEC) is ook een gewogen efficiëntie, vergelijkbaar met de Europese efficiëntie, maar gebruikt verschillende veronderstellingen over de wegingsfactoren.

Het belangrijkste verschil tussen de Europese en CEC-rendementen is dat de veronderstellingen over het belang van elk vermogensniveau voor een bepaalde omvormer gebaseerd zijn op de gegevens voor Centraal-Europa in het eerste geval, en Californië in het tweede.

Afbeelding 2: Typische omvormerrendementscurve die het piekrendement weergeeft. (Bron afbeelding: Penn State University)

IGBT-basiskennis

De basisfunctie van een IGBT is het zo snel mogelijk schakelen van elektrische stromen met de laagst mogelijke verliezen. Zoals de naam al aangeeft, is een IGBT een bipolaire transistor met een geïsoleerde poortstructuur; de poort zelf is in principe een MOSFET. Daarom combineert de IGBT de voordelen van hoge stroombelastbaarheid en hoge blokkeerspanningen van een bipolaire transistor met de capacitieve, lage vermogensregeling van een MOSFET. Figuur 3 toont hoe een MOSFET en een bipolaire transistor samen leiden tot de IGBT.

Afbeelding 3: Conceptuele structuur van een IGBT met de MOSFET die de geïsoleerde poort vormt en de bipolaire transistorstructuur die het vermogensdeel vormt. (Bron afbeelding: Infineon Technologies)

De fundamentele werking van een IGBT is eenvoudig: Een positieve spanning U_GE van gate (G, in Afbeelding 3) naar emitter (E) zet de MOSFET aan. Dan kan de spanning die is aangesloten op de collector (C) de basisstroom door de bipolaire transistor en de MOSFET sturen; de bipolaire transistor gaat aan en de belastingsstroom kan stromen. Een spanning U_GE ≤ 0 volt schakelt de MOSFET uit, de basisstroom wordt onderbroken en de bipolaire transistor wordt ook uitgeschakeld.

Hoewel het concept eenvoudig is, kan de ontwikkeling van hardware voor de besturing van een IGBT - een gatedriver - een complexe taak zijn vanwege de vele prestatie-nuances in echte apparaten en circuits. Meestal is dat niet nodig. Halfgeleiderfabrikanten bieden geschikte poortdrivers met een grote verscheidenheid aan functies en mogelijkheden als geïntegreerde oplossingen. Vandaar het belang van het matchen van IGBT-modules met passende gate drivers.

IGBT-modules worden in een groot aantal pakketten aangeboden (Afbeelding 4). De grootste maten zijn geschikt voor 3.300 volt of hoger en zijn ontworpen voor gebruik in megawatt-installaties zoals hernieuwbare energiesystemen, ononderbroken voedingen en zeer grote motordrives. Middelgrote modules zijn doorgaans geschikt voor 600 tot 1700 volt voor verschillende toepassingen, waaronder elektrische voertuigen, industriële motordrives en omvormers voor zonne-energie.

Afbeelding 4: IGBT-modules worden in een groot aantal pakketten aangeboden. Typische spanningswaarden variëren van 600 volt tot 3.300 volt. (Bron afbeelding: Fuji Electric)

De kleinste apparaten worden geïntegreerde vermogensmodules genoemd en zijn geschikt voor 600 volt en kunnen ingebouwde poortdrivers en andere componenten voor motordrives in kleinere industriële systemen en witgoed voor consumenten bevatten. IGBT's werken met hogere vermogensniveaus en lagere schakelfrequenties in vergelijking met andere typen vermogensschakelcomponenten (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Vermogensbereik versus schakelfrequentie voor gangbare vermogensschakelapparatuur (Bron afbeelding: Infineon Technologies)

IGBT-module-evaluatiebord voor tractieomvormers

Voor ontwerpers van hoogspanningstractieomvormers biedt NXP Semiconductors het FRDMGD3100HBIEVM gatedriver power management evaluatiebord met behulp van de MC33GD3100A3EK halfbrug gate driver IC. Dit evaluatiebord is speciaal ontworpen voor gebruik met de FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT-module van Infineon (afbeelding 6). Het is een complete oplossing en omvat halfbrug driver IC's, de DC link condensator, en het vertaalbord voor aansluiting op een PC die de besturingssignalen levert. Doelstellingen zijn onder andere:

• Tractiemotors voor elektrische voertuigen en hoogspanningsgelijkstroom- en gelijkstroomomvormers
• Elektrische onboard laders van voertuigen en externe laders
• Andere toepassingen voor hoogspanningsdraaistroommotorbesturing

Figuur 6: NXP's FRDMGD3100HBIEVM gate driver power management evaluatiebord dat is bevestigd aan de FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT-module van Infineon met de positie van de MC33GD3100A3EK, de halfbrug driver IC's, de DC-linkcondensator en het vertaalbord voor aansluiting op een PC die de besturingssignalen levert. (Bron afbeelding: NXP Semiconductors)

Stuurprogramma voor 150 mm x 62 mm x 17 mm IGBT-modules

Voor ontwerpers van motordrives, omvormers voor zonne-energie, HEV- en EV-laders, windturbines, transport en ononderbroken stroomvoorzieningssystemen heeft Texas Instruments de ISO5852SDWEVM-017 ontwikkeld (Afbeelding 7). Het is een compacte, tweekanaals geïsoleerde poortbestuurdersplaat die de aandrijving, biasspanningen, bescherming en diagnostiek biedt die nodig is voor generieke halfbrug siliciumcarbide (SiC) MOSFET en silicium IGBT-modules die zijn ondergebracht in standaardpakketten van 150 mm × 62 mm × 17 mm. Deze TI EVM is gebaseerd op het ISO5852SDW 5.700 volt rms versterkte isolatie driver IC in een SOIC-16DW pakket met 8,0 mm kruip en speling. De EVM bevat op SN6505B gebaseerde geïsoleerde DC/DC-transformator bevoorrading.

Afbeelding 7: ISO5852SDWEVM-017 dual-channel geïsoleerde poortdriverboard van Texas Instruments, gemonteerd op een IGBT-module van 150 mm × 62 mm. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Intelligente vermogensmodule evaluatieborden

STMicroelectronics biedt het STEVAL-IHM028V2 2.000 Watt 3-fase motorbesturing evaluatiebord (Afbeelding 8) met de STGIPS20C60 IGBT intelligente vermogensmodule. Het evaluatiebord is een DC/AC-omvormer die een golfvorm genereert voor het aansturen van draaistroommotors zoals inductiemotoren of PMSM-motoren tot 2000 watt in HVAC (airconditioners), witgoed en high-end eenfasig elektrisch gereedschap. Ontwerpers kunnen deze EVB gebruiken om FOC-ontwerpen met draaistroommotoren uit te voeren.

Het hoofdgedeelte van deze EVM is een universeel, volledig geëvalueerd en bevolkt ontwerp dat bestaat uit een 3-fase omvormerbrug op basis van de 600 volt IGBT intelligente vermogensmodule in het SDIP 25L pakket gemonteerd op een koellichaam. De intelligente powermodule integreert alle IGBT-vermogensschakelaars met vrijloopdiodes samen met hoogspanningspoortdrivers. Dit niveau van integratie bespaart PCB-ruimte en assemblagekosten en draagt bij aan een grotere betrouwbaarheid. De printplaat is ontworpen om compatibel te zijn met eenfasige netvoeding, met een voeding van 90 tot 285 volt AC, en is ook compatibel met ingangen van 125 tot 400 volt DC.

Afbeelding 8: STMicroelectronics STEVAL-IHM028V2-productevaluatiebord met FOC. Dit bord kan worden gebruikt om een breed scala aan toepassingen te evalueren, zoals HVAC (airconditioners), witgoed en high-end eenfasig elektrisch gereedschap. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

850 watt evaluatiebord behandelt meerdere motortypes

ON Semiconductor biedt het SECO-1KW-MCTRL-GEVB-evaluatiebord die ontwerpers in staat stelt om verschillende soorten motoren (AC inductiemotor, PMSM, BLDC) te besturen met behulp van verschillende regelalgoritmen, waaronder FOC, geïmplementeerd met een microcontroller die kan worden aangesloten via Arduino Due-headers (Afbeelding 9). De printplaat is ontworpen voor gebruik met de Arduino DUE (compatibele header) of een vergelijkbare controllerboard met een MCU. Het bord werd geïntroduceerd om ontwikkelaars te ondersteunen bij hun eerste stappen in het ontwerpen van applicaties met geïntegreerde powermodules en powerfactorcorrectie. Het is bedoeld voor gebruik door ontwerpers van industriële pompen en ventilatoren, industriële automatiseringssystemen en consumentenapparatuur.

Afbeelding 9: ON Semiconductor SECO-1KW-MCTRL-GEVB evaluatiebord blokdiagram (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

Dit evaluatiebord is gebaseerd op de NFAQ1060L36T (Afbeelding 10), een geïntegreerde omvormerstap bestaande uit een hoogspanningsdriver, zes IGBT's en een thermistor, geschikt voor het aansturen van PMSM-, BLDC- en AC-inductiemotoren. De IGBT's zijn geconfigureerd in een 3-fasen brug met aparte emitteraansluitingen op de onderbenen voor maximale flexibiliteit in de keuze van het besturingsalgoritme. De vermogenstrap heeft een volledig scala aan beveiligingsfuncties, waaronder bescherming tegen cross-conduction, externe uitschakeling en onderspanningsvergrendeling. Een interne comparator en een referentie die is aangesloten op het overstroombeveiligingscircuit stelt de ontwerper in staat om het beschermingsniveau in te stellen.

Afbeelding 10: Functioneel blokschema van de NFAQ1060L36T vermogensgeïntegreerde module van ON Semiconductor (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

NFAQ1060L36T vermogen geïntegreerde module samenvatting van functies:

• Driefasige 10 ampère/600 volt IGBT-module met geïntegreerde stuurprogramma's
• Compacte 29,6 mm x 18,2 mm tweevoudig in lijn pakket
• Ingebouwde onderspanningsbeveiliging
• Dwarsgeleidingsbescherming
• ITRIP ingang om alle IGBT's af te sluiten
• Geïntegreerde bootstrap diodes en weerstanden
• Thermistor voor de meting van de substraattemperatuur
• Uitschakelpin
• UL1557-certificering

Conclusie

Het ontwerpen van aangepaste motor- en invertervermogenselektronica met behulp van discrete IGBT's om aan specifieke eisen te voldoen, kan op de lange termijn duur zijn en de ontwerpschema's vertragen. In plaats daarvan kunnen ontwerpers gebruik maken van kant-en-klare IGBT-modules die meerdere voedingsapparaten in één pakket combineren. Dergelijke modules ondersteunen de behoefte van ontwerpers om compacte systemen te ontwikkelen met een minimum aan koppelingen, waardoor de assemblage wordt vereenvoudigd, de time-to-market en de kosten worden gereduceerd en de algemene prestaties worden verbeterd.

Zoals aangetoond kunnen ontwerpers een IGBT-module met een geschikte IGBT-driver gebruiken om kosteneffectieve en compacte motordrives en -omvormers te ontwikkelen die voldoen aan de prestatie- en efficiëntienormen.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Snelle implementatie van motorbesturingsontwerpen met behulp van een drive-IC met geïntegreerde microcontroller
2. Gebruik IGBT-drivers met hoge stroomsterkte met ingebouwde bescherming voor betrouwbare industriële motorbesturing