Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №4

Современные решения компании Fairchild Semiconductor для управления электроприводом

Бирюков Евгений


Разработка современного электропривода с регулируемой частотой вращения неизбежно связана с удовлетворением ужесточающихся требований по энергопотреблению и массогабаритным показателям, наличию схемы встроенного контроля и, что не менее важно, общей стоимости конечного устройства. Целью данной статьи является рассмотрение Motion-SPM (Smart Power Module) модулей (рис. 1) компании Fairchild Semiconductor — одного из мировых лидеров по производству компактных, недорогих решений для управления мотором.

Введение

Рис. 1. Motion-SPM модули в miniDIP корпусе компании Fairchild Semiconductor
Рис. 1. Motion-SPM модули в miniDIP корпусе компании Fairchild Semiconductor

Серия высокоэффективных Motion-SPM инверторов компании Fairchild Semiconductor является альтернативой традиционным инверторам на базе дискретных компонентов. Элементы серии предназначены для применения в кондиционерах, водяных насосах, стиральных машинах, холодильных камерах и другой технике. Модуль объединяет в своем составе цепи управления и защиты от короткого замыкания (КЗ) и понижения напряжения. Наличие высоковольтных интегрированных схем (HVIC) существенным образом упрощает схемотехнику цепи управления электроприводом и уменьшает габариты конечного устройства.

Функциональная оснащенность модулей

На рис. 2 представлена структура и внешний вид модуля SPM27BA компании Fairchild Semiconductor. Силовые элементы и интегральные схемы расположены на медной выводной рамке, к которой прикреплена подложка — керамическая или DBC (Direct Bonded Copper — керамика с медными шинами, нанесенными диффузионным методом). Компоненты модуля герметизируются с помощью эпоксидного покрытия. В сравнении с аналогичными решениями, данная структура имеет в своем составе интегрированные силовые компоненты, за счет чего упрощается схема реализуемого инвертора. Кроме этого, существенным достоинством конструкции является ее высокая номинальная мощность (ток нагрузки может составлять от 3 А до 30 А) при небольших габаритах.

Рис. 2. Структура и внешний вид модуля SPM27BA
Рис. 2. Структура и внешний вид модуля SPM27BA

Микросхемы серии Motion-SPM могут находить самое широкое применение в промышленности и бытовой технике. Ниже перечислены отличительные особенности и интегрированные функции модулей серии SPM:

  • рабочее напряжение/ток—600 В/3–30 А;
  • интегрированные IGBT транзисторы и FRD диоды с малыми потерями;
  • надежные и протестированные IGBT и HVIC компоненты;
  • цепь защиты от КЗ и схема мягкого старта;
  • 3-фазный IGBT инвертор включает в свой состав:
    • High-Side цепь: схема защиты от пониженного напряжения (без выходного сигнала о неисправности);
    • Low-Side цепь: схема защиты от пониженного напряжения и КЗ с помощью внешнего шунтирующего резистора (с выходным сигналом о неисправности);
  • интерфейс, не требующий гальванической развязки, и заземленный источник питания, интегрированный в HVIC;
  • особенность внутренней схемотехники модуля позволяет обеспечивать безопасный режим работы при прямом подключении Motion-SPM к CPU или цифровым сигнальным процессорам (DSP) без внешней последовательной логики;
  • напряжение изоляции 2500 В (в течение 1 мин);
  • минимальные токи утечки благодаря керамической или композитной DBC подложке;
  • входной интерфейс 3.3 В, 5 В CMOS/LSTTL.

Улучшение технических характеристик серии SPM является в первую очередь результатом технологического усовершенствования силовых элементов 3-фазного инвертора (IGBT и FRD). Отличительной особенностью FRD диодов является низкое значение прямого падения напряжения и плавный характер переходных характеристик. Основными задачами при проектировании силовых компонентов являются уменьшение площади кристаллов и повышение их мощности. Модуль изготовлен по последней технологии компании Fairchild Semiconductor, позволяющей оптимизировать архитектуру IGBT и обеспечить прямоугольную область безопасной работы (Safe operating area) устройства. Благодаря оптимизации структуры существенным образом уменьшаются потери переключения и проводимости, что повышает энергетические показатели привода. Кроме этого, улучшаются переходные характеристики без существенных потерь в эффективности устройства управления.

Обеспечение стабильности характеристик

Рис. 3. Зависимость теплового сопротивления от номинального тока для серии SPM модулей компании Fairchild Semiconductor
Рис. 3. Зависимость теплового сопротивления от номинального тока для серии SPM модулей компании Fairchild Semiconductor

На рис. 3 представлена зависимость теплового сопротивления от тока нагрузки для линейки SPM модулей. Как видно из графика, наименьшим сопротивлением при большем токе обладают модули на базе подложки из композитного DBC материала. Разработчик вправе выбирать модуль в зависимости от требуемых технических характеристик для решения поставленной задачи. Основное внимание в данном случае необходимо уделять снижению габаритов и потерь мощности в модуле. В последние годы задачу снижения потерь пытаются решить за счет повышения частоты переключений, что приводит к росту EMI (электромагнитных помех), увеличению перенапряжений (выбросов напряжения) и повышению токов утечки. Решение этих проблем приводит к возрастанию конечной стоимости всего модуля управления и уменьшению срока его службы. В серии MSP модулей в miniDIP корпусе данная задача решается за счет регулирования скорости переключения (dv/dt) в районе значения 3 кВ/мкс благодаря особенностям схемы управления затвором. Новое поколение модулей компании Fairchild Semiconductor, благодаря минимальному значению напряжения насыщения IGBT и прямого падения напряжения на FRD диоде, а также оптимизации скорости переключения, является самым экономичным решением для управления электроприводом с минимальным потреблением. В декабре 2005 г. компания Fujitsu после проведения маркетинговых исследований выбрала SPM модуль FSBB20CH60 для производства компактных и надежных кондиционеров воздуха.

Таблица. Основные технические характеристики SPM модулей в miniDIP корпусе
Таблица. Основные технические характеристики SPM модулей в miniDIP корпусе

Встроенные в модуль драйверы управления «верхним» и «нижним» плечом (HVIC и LVIC) обладают необходимой минимальной функциональностью для обеспечения стабильной работы модуля и минимального потребления. В частности, HVIC имеет встроенную схему смещения уровней, что позволяет подключать цепи управления без оптронной или трансформаторной развязки, и схему UVLO (Under Voltage LockOut — защита от пониженного напряжения), которая прекращает работу IGBT при падении напряжения управления для исключения линейного режима работы. Кроме этого, драйвер затвора IGBT можно подключить к источнику питания 15 В, что освобождает разработчиков от необходимости иметь три изолированных источника напряжения.

Технические характеристики

Компания Fairchild Semiconductor добилась превосходных характеристик и высокой функциональности HVIC благодаря применению новой технологии обработки полупроводниковых пластин. Управляющая логика Motion-SPM модулей может иметь прямое сопряжение с DSP или микроконтроллером по шине 3,3 В. Небольшие значения токов обеспечивают хорошую помехозащищенность и стабильность работы модуля во всем температурном диапазоне. Вся серия микросхем в miniDIP корпусе удовлетворяет стандартам UL (Лаборатория по технике безопасности США). В таблице представлены основные технические характеристики линейки SPM модулей.

Рис. 4. Пример организации интерфейса для управления SPM модулем
Рис. 4. Пример организации интерфейса для управления SPM модулем

На рис. 4 показан пример организации интерфейса ввода-вывода между управляющим устройством и SPM модулем. Модуль имеет высокий входной логический уровень и встроенные согласующие резисторы, благодаря чему отпадает необходимость во внешнем нагрузочном резисторе. Производитель рекомендует использовать полосовые фильтры в линии подключения к Vfo для более надежной работы системы.

Рис. 5. SPM модуль FSB50250
Рис. 5. SPM модуль FSB50250

Для предоставления разработчикам большей свободы выбора компания Fairchild Semiconductor осенью 2005 г. выпустила серию модулей, способных работать от бытовой сети переменного тока. В отличие от SPM модулей на базе IGBT транзисторов данная линейка содержит шесть MOSFET (FRFET) транзисторов с низким временем восстановления и три полумостовых интегрированных высоковольтных ИС (HVIC) в Tiny-DIP корпусе (29×12 мм). Применение FSB50250 или FSB50450 (рис. 5) позволяет увеличить эффективность привода однофазного двигателя постоянного тока до 90%, уменьшить шумы и вибрации, а также повысить плотность мощности устройства. Интегрированные сервисные функции модулей позволяют упростить алгоритмы управления двигателя и тем самым улучшить другие характеристики (габариты, эффективность, надежность и др.) аппаратуры, использующей бытовую сеть переменного тока.

Выводы

Компания Fairchild Semiconductor традиционно является мировым лидером по производству микросхем и модулей, предназначенных для управления электроприводом. Благодаря огромному опыту и передовым технологиям, применяемым Fairchild Semiconductor при производстве Motion-SPM модулей, разработчики получают недорогое решение, отличающееся высокой степенью надежности и малым энергопотреблением.

Литература

  1. Руководство пользователя Motion-SPM в miniDIP корпусе AN-9035http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-9035.pdf#page=1
  2. Готтлиб И. М. Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы. М.: Постмаркет. 2002.
  3. http://www.fairchildsemi.com/offers/discrete/spm/index.html Информационный портал компании Fairchild Semiconductor по SPM модулям
  4. http://www.fairchildsemi.com/markets/ Информационный портал по применению продукции компании Fairchild Semiconductor
  5. Описание продукта FSB50250 http://www.fairchildsemi.com/pf/FS/FSB50250.html
  6. Описание продукта FSBB20CH60 http://www.fairchildsemi.com/pf/FS/FSBB20CH60.html

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке