Miten yksinkertaistaa moottorinohjauksen ja invertterien suunnittelua käyttämällä IGBT-moduuleita

Moottorien ja invertterien käyttö kasvaa jatkuvasti sellaisissa sovelluksissa kuten teollisuusautomaatio, robotiikka, sähköajoneuvot, aurinkoenergia, kodinkoneet ja sähkötyökalut. Tämän kasvun lisäksi vaaditaan parempaa hyötysuhdetta, alhaisempaa hintaa, pienempää kokoa sekä yleensäkin yksinkertaisempaa suunnittelua. Vaikka voisikin olla houkuttelevaa suunnitella räätälöityä moottori- ja invertteritehoelektroniikkaa käyttäen erillisiä IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) -transistoreja erityisvaatimusten mukaisesti, tämä voi osoittautua pitkällä aikavälillä kalliiksi sekä viivästyttää suunnitteluaikataulua.

Suunnittelijat voivat tämän sijaan käyttää käyttövalmiita IGBT-moduuleja, joissa samaan pakettiin on yhdistetty useita teholaitteita. Suunnittelijoiden on tällaisten moduulien ansiosta mahdollista kehittää kompakteja järjestelmiä, joissa on mahdollisimman vähän komponenttien välisiä kytkentöjä. Tämä yksinkertaistaa kokoonpanoa, lyhentää markkinoilletuontiakaa, laskee kustannuksia sekä parantaa yleistä suorituskykyä. Kun IGBT-moduulien kanssa käytetään sopivia IGBT-ohjaimia, niiden avulla voidaan kehittää hyötysuhteeltaan korkeita ja kustannustehokkaita moottorinohjaimia ja inverttereitä.

Tässä artikkelissa kuvataan lyhyesti sähkömoottoreita ja inverttereitä sekä niihin liittyviä ohjauspiirejä ja tehovaatimuksia. Tämän jälkeen artikkelissa arvioidaan IGBT-moduulien käytöstä saatavia etuja ja erilaisia moduulipakkausstandardeja. Tämän jälkeen siinä esitellään moottorinohjaimien ja invertterien suunnitteluvaihtoehtoja käyttäen IGBT-moduuleja ja ohjainmikropiirejä sellaisilta myyjiltä kuten NXP Semiconductors, Infineon Technologies, Texas Instruments, STMicroelectronics ja ON Semiconductor, sekä sitä miten niitä käytetään, arviointialustat mukaan lukien.

Moottorityypit ja hyötysuhdestandardit

IEC/EN 60034-30 jakaa moottorin hyötysuhteen 5 luokkaan IE1–IE5. NEMA (National Electrical Manufacturers Association) käyttää vastaavaa luokitusta ”Standardista hyötysuhteesta” ”Ultra-Premium-hyötysuhteeseen” (kuva 1). Elektronisten ohjaimien käyttö on välttämätöntä korkeampien hyötysuhdestandardien saavuttamiseksi. Elektronisia ohjaimia käyttävät AC-epätahtimoottorit voivat täyttää IE3- ja IE4-vaatimukset. IE5-hyötysuhdetasojen saavuttamiseen tarvitaan kalliimmat kestomagneettia käyttävät moottorit ja elektroniset ohjaimet.

Kuva 1: Moottorin hyötysuhdeluokat IEC/EN 60034-30 -standardin mukaan (IE1–IE5) ja vastaavat NEMA-luokitukset (standardihyötysuhteesta ultra-premium-hyötysuhteeseen). FOC-ohjaimia ja elektronisia ohjaimia käyttävät AC-epätahtimoottorit voivat täyttää IE3- ja IE4-vaatimukset. IE5-hyötysuhdetasojen saavuttamiseen tarvitaan kestomagneettia käyttävät moottorit. (Kuvan lähde: ECN)

Edullisten mikrokontrollerien (MCU) kehityksen ansiosta suunnittelijat voivat käyttää vektoriohjausta, jota kutsutaan myös nimellä kenttäsuuntautunut ohjaustekniikka (FOC). Tämä on taajuusmuuttajaa (VFD) käyttävä ohjausmenetelmä, jossa kolmivaiheisen AC-moottorin staattorivirtoja käytetään kahtena ortogonaalisena komponenttina, joita voidaan kuvata vektorilla. PI-säätimiä (Proportional-Integral) voidaan käyttää mitattujen virtakomponenttien pitämiseksi halutuissa arvoissaan. PI-virtaohjaimien lähtönä toimii staattorin referenssijännite ja taajuusmuuttajan pulssileveysmodulaatio määrittää transistorin kytkennän sen mukaisesti.

FOC kehitettiin alun perin suuritehoisiin järjestelmiin, mutta siitä on tullut yhä houkuttelevampi myös edullisemmissa sovelluksissa FOC-moottorin koon, edullisuuden ja alhaisen virrankulutuksen ansiosta. Koska edullisia korkeatehoisia mikrokontrollereita on saatavana yhä paremmin, vektorisäätö korvaa yhä useammin pienitehoisempia yhden muuttujan volttia-per-hertsi (V/f) -skalaariohjauksia.

Tällä hetkellä käytössä on kaksi erityyppistä kestomagneettimoottoria, harjattomat DC-moottorit (BLDC) ja synkroniset kestomagneettimoottorit (PMSM). Nämä molemmat ovat monipuolisia moottorimalleja ja ne vaativat tehoelektroniikkaa niiden ohjaukseen.

BLDC-moottorit ovat kestäviä, kustannustehokkaita ja niiden hyötysuhde on korkea. PMSM-moottoreilla on samat ominaisuudet kuin BLDC-moottoreilla, mutta ne ovat hiljaisempia ja niiden hyötysuhde on jonkin verran korkeampi. Molemman tyypin moottoreita käytetään yleisesti Hall-antureiden kanssa, mutta niitä voidaan käyttää myös ilman antureita. PMSM-moottoreita käytetään sovelluksissa, joissa vaaditaan korkeaa tehoa, kun BLDC-moottoreita taas käytetään hinnan ollessa kriittinen tekijä.

• BLDC-moottorit
  • Helpompi ohjata (6 askelta) ja vaatii vain DC-virran
  • Vääntömomentin aaltoilu kommutoinneissa
  • Edullisempi ja alhaisempi suorituskyky (PMSM-moottoriin verrattuna)
• PMSM-moottorit
  • Käytetään yleisesti integroidulla akselienkooderilla varustetuissa servo-ohjaimissa
  • Kompleksisempi ohjaus (tarvitsee 3-vaiheisen sinimuotoisen PWM:n)
  • Ei vääntömomentin aaltoilua kommutoinneissa
  • Korkeampi hyötysuhde, korkeampi vääntömomentti
  • Kalliimpi ja korkeampi suorituskyky (BLDC-moottoriin verrattuna)

Yleiskatsaus inverttereihin

Invertterin hyötysuhde ilmaisee kuinka suuri osa DC-tulotehosta muunnetaan AC-lähtötehoksi. Korkealaatuinen siniaaltoinvertteri tarjoaa 90–95 %:n hyötysuhteen. Modifioitua siniaaltoa käyttävät laadultaan alhaisemmat invertterit ovat yksinkertaisempia, edullisempia ja niiden hyötysuhde on alhaisempi, tyypillisesti 75–85 %. Korkeampaa taajuutta käyttävissä inverttereissä on tavallisesi korkeampi hyötysuhde kuin taajuudeltaan matalammissa inverttereissä. Invertterin hyötysuhde riippuu myös sen kuormituksesta (kuva 2). Kaikki invertterit vaativat tehoelektroniikkaohjaimia.

Fotosähköisten invertterien tapauksessa hyötysuhdeluokkia on kolmea eri tyyppiä:

• Huippuhyötysuhde ilmaisee invertterin suorituskyvyn optimaalisella lähtöteholla. Se näyttää kyseisen invertterin maksimipisteen ja sitä voidaan käyttää kriteerinä sen laadusta (kuva 2).
• Eurooppalainen hyötysuhde on painotettu numero, jossa otetaan huomioon se, kuinka usein invertteri toimii erilaisilla lähtötehoilla. Tämä on joskus huippuhyötysuhdetta hyödyllisempi tieto, koska se ilmaisee invertterin suorituskyvyn eri lähtötasoilla aurinkovuorokauden aikana.
• Myös CEC (California Energy Commission) -hyötysuhde on painotettu hyötysuhde, samankaltainen kuin eurooppalainen hyötysuhde, mutta siinä käytetään erilaisia painokertoimia.

Pääasiallinen ero eurooppalaisen ja CEC-hyötysuhteen välillä on se, että oletukset kunkin tehotason tärkeydestä kyseiselle invertterille perustuvat Keski-Euroopasta kerättyyn tai Kaliforniasta kerättyyn dataan.

Kuva 2: tyypillinen invertterin hyötysuhdekuvaaja, jossa näytetään huippuhyötysuhde. (Kuvan lähde: Penn State University)

IGBT-perusteet

IGBT-transistorin perustoiminto on sähkövirtojen kytkeminen mahdollisimman nopeasti ja mahdollisimman pienillä häviöillä. Kuten nimikin indikoi, IGBT on bipolaaritransistori, jossa käytetään eristettyä hilarakennetta; hila itse on periaatteessa MOSFET. Näin ollen IGBT yhdistää bipolaaritransistorin korkean virtakapasiteetin ja korkean estojännitteen MOSFET-transistorin kapasitiiviseen vähävirtaiseen ohjaukseen. Kuva 3 näyttää miten MOSFET-transistorin ja bipolaaritransistorin yhdistelmä muodostaa IGBT-transistorin.

Kuva 3: IGBT-transistorin käsitteellinen rakenne, jossa näkyy eristetyn hilan tarjoava MOSFET sekä teho-osuuden muodostava bipolaaritransistorirakenne. (Kuvan lähde: Infineon Technologies)

IGBT-transistorin perustoiminta on yksinkertaista: positiivinen jännite U_GE hilan (merkitty G kuvassa 3) ja emitterin (E) välillä avaa MOSFET-transistorin. Tällöin kollektoriin (C) kytketty jännite ohjaa kantavirran bipolaaritransistorin ja MOSFET-transistorin läpi; bipolaaritransistori aukeaa ja kuormavirta voi kulkea. Jännite U_GE ≤ 0 volttia sulkee MOSFET-transistorin, kantavirta katkeaa, ja myös bipolaaritransistori sulkeutuu.

Vaikka käsite on yksinkertainen, IGBT:n ohjauslaitteiston – hilaohjaimen – kehittäminen on kompleksinen tehtävä, koska oikeissa laitteissa ja piireissä on lukuisia suorituskykyyn vaikuttavia tekijöitä. Useimmiten tämä ei ole tarpeen. Puolijohdevalmistajat tarjoavat sopivia hilaohjaimia integroituina ratkaisuina ja useilla erilaisilla toiminoilla ja ominaisuuksilla. Tästä syystä on tärkeää sovittaa IGBT-moduulit sopiviin hilaohjaimiin.

IGBT-moduuleita on saatavana useissa erilaisissa koteloissa (kuva 4). Suurimmat koot on luokitettu 3300 voltille tai korkeammalle ja ne on tarkoitettu käytettäviksi megawattien asennuskohteissa, esimerkkeinä uusiutuvaa energiaa käyttävät järjestelmät, keskeytymätön virransyöttö sekä erittäin suuret moottorinohjaimet. Keskikokoiset moduulit on tyypillisesti luokiteltu jännitteille 600 – 1700 volttia ja ne on tarkoitettu sellaisiin sovelluksiin kuten sähköajoneuvot, teolliset moottoriohjaimet ja aurinkoinvertterit.

Kuva 4: IGBT-moduuleita on saatavana useissa erilaisissa koteloissa. Tyypillinen jänniteluokitus on 600 volttia – 3 300 volttia. (Kuvan lähde: Fuji Electric)

Pienimpiä laitteita kutsutaan integroiduiksi tehomoduuleiksi ja niiden jänniteluokitus on 600 volttia. Ne saattavat sisältää hilaohjaimet ja muut komponentit, joita tarvitaan moottorinohjaukseen pienemmissä teollisuusjärjestelmissä ja kuluttajille suunnatuissa kodinkoneissa. IGBT-transistorit ovat tehokkaampia ja ne käyttävät alhaisempia kytkentätaajuuksia kuin toisen tyyppiset tehokytkinkomponentit (kuva 5).

Kuva 5: Yleisten tehokytkinlaitteiden tehoalueet ja kytkentätaajuudet (Kuvan lähde: Infineon Technologies)

IGBT-moduulien arviointialustat sähköajoneuvojen inverttereitä varten

NXP Semiconductors tarjoaa korkeajännitesähköajoneuvojen inverttereiden suunnittelijoille FRDMGD3100HBIEVM- hilaohjaimen tehonhallinta-arviointialustan, jossa käytetään yrityksen MC33GD3100A3EK-puolisilta-hilaohjainmikropiiriä. Tämä arviointialusta on nimenomaisesti suunniteltu käytettäväksi Infineon-yrityksen FS820R08A6P2BBPSA1-IGBT-moduulin kanssa (kuva 6). Se on kokonaisratkaisu ja sisältää puolisillan hilaohjainmikropiirit, DC-linkkikondensaattorin sekä muunninkortin, jolla se voidaan kytkeä ohjaussignaalit tarjoavaan tietokoneeseen. Kohdesovelluksiin kuuluvat:

• Sähköajoneuvojen vetomoottorit ja DC/DC-korkeajännitemuuntimet
• Sähköajoneuvojen sisältämät laturit ja ulkoiset laturit
• Muut AC-korkeajännitemoottorien ohjaussovellukset

Kuva 6: NXP:n FRDMGD3100HBIEVM- hilaohjaimen tehonhallinta-arviointialusta kytkettynä Infineon-yrityksen FS820R08A6P2BBPSA1-IGBT-moduuliin näyttää MC33GD3100A3EK-piirin, puolisilta-hilaohjainmikropiirin ja DC-linkkikondensaattorin sijainnin sekä muunninkortin, jolla se voidaan kytkeä ohjaussignaalit tarjoavaan tietokoneeseen. (Kuvan lähde: NXP Semiconductors)

Ohjain 150 mm x 62 mm x 17 mm IGBT-moduuleja varten

Texas Instruments on kehittänyt moottorinohjaimien, aurinkoinvertterien, HEV- ja EV-laturien, tuuliturbiinien, siirtojärjestelmien ja keskeytymättömien virtalähdejärjestelmien suunnittelijoille ISO5852SDWEVM-017-kortin (kuva 7). Tämä on kompakti kahden kanavan erotettu hilaohjainkortti, joka tarjoaa ohjaimen, esijännitteet sekä tarvittavan suojauksen ja diagnostiikan tavalliselle (SiC) MOSFET-puolisilta-piikarbidi-transistoreille ja IGBT-piimoduuleille. Kortti käyttää standardia 150 mm × 62 mm × 17 mm:n koteloa. Tämä TI EVM perustuu ISO5852SDW-piiriin, joka on 5700 voltin (rms) vahvistettu erotusohjainmikropiiri SOIC-16DW-kotelossa 8,0 mm:n pintavälillä ja ilmavälillä. EVM sisältää SN6505B-pohjaiset erotetut DC/DC-muuntajaesijännitteet.

Kuva 7: Texas Instrumentsin ISO5852SDWEVM-017, kaksikanavainen erotettu hilaohjainkortti, joka on asennettu 150 mm × 62 mm:n IGBT-moduulin päälle. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Älykkäiden tehomoduulien arviointialustat

STMicroelectronics tarjoaa STEVAL-IHM028V2-laitteen, joka on 2000 watin 3-vaiheisen moottoriohjauksen arviointialusta (kuva 8), jossa käytetään älykästä STGIPS20C60-IGBT-tehomoduulia. Arviointialusta on DC/AC-invertteri, joka generoi aaltomuodon 3-vaihemoottorien ohjaamista varten, esimerkkinä epätahtimoottorit ja PMSM-moottorit, enintään 2000 watin ilmastointilaitteet (HVAC), kodinkoneet ja korkeatehoiset yksivaiheiset sähkötyökalut. Suunnittelijat voivat käyttää tätä EVB-alustaa FOC-ohjauksen toteuttamiseksi kolmivaiheisiin AC-moottoreihin.

Tämän EVM-moduulin pääosa on universaali ja täysin arvioitu ja koottu tuote, joka muodostuu 3-vaiheisesta invertterisillasta, joka perustuu jäähdytyslevyyn kiinnitettyyn SDIP 25L -koteloa käyttävään 600 voltin älykkääseen IGBT-tehomoduuliin. Älykäs tehomoduuli sisältää kaikki IGBT-tehokytkimet ja nolladiodit yhdessä korkeajännitehilaohjaimien kanssa. Näin korkea integrointitaso säästää tilaa piirilevyltä ja vähentää kokoonpanokustannuksia sekä parantaa luotettavuutta. Kortti on suunnittelu yhteensopivaksi yksivaiheisen verkkovirran kanssa ja se tarjoaa 90–285 volttia (AC). Sen tulo voi olla 125–400 volttia (DC).

Kuva 8: STMicroelectronicsin STEVAL-IHM028V2-tuotearviointialusta FOC-toiminnolla. Tätä korttia voidaan käyttää hyvin erilaisten sovellusten arviointiin, esimerkkinä ilmastointilaitteet (HVAC), kodinkoneet sekä korkeatehoiset yksivaiheiset sähkötyökalut. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

850 watin arviointialusta tukee useita moottorityyppejä

ON Semiconductor tarjoaa SECO-1KW-MCTRL-GEVB-arviointialustan, jonka avulla suunnittelijat pystyvät ohjaamaan erityyppisiä moottoreita (AC-epätahtimoottori, PMSM, BLDC) käyttäen erilaisia ohjausalgoritmeja, mukaan lukien FOC, joka on toteutettu mikrokontrollerilla ja joka voidaan yhdistää Arduino Due -liittimillä (kuva 9). Kortti on tarkoitettu käytettäväksi Arduino DUE -yhteensopivan liittimen kanssa tai jonkin muun vastaavan ohjainkortin ja mikrokontrollerin kanssa. Kortin tarkoitus on auttaa suunnittelijoita ottamaan ensiaskeleensa sellaisten sovellusten suunnittelussa, joissa käytetään integroituja tehomoduuleja ja tehokertoimen korjausta. Se on tarkoitettu teollisten pumppujen ja tuulettimien, teollisuusautomaatiojärjestelmien ja kuluttajalaitteiden suunnittelijoille.

Kuva 9: ON Semiconductorin SECO−1KW−MCTRL−GEVB-arviointialustan lohkokaavio (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Tämä arviointialusta perustuu NFAQ1060L36T-piiriin (kuva 10), joka on integroitu invertterin tehoaste ja joka sisältää korkeajänniteohjaimen, kuusi IGBT-transistoria sekä termistorin. Se pystyy ohjaamaan PMSM-, BLDC- ja AC-epätahtimoottoreita. IGBT-transistorit on konfiguroitu 3-vaiheiseksi sillaksi erillisillä emitteriliitoksilla alempiin jalkoihin. Tämä tarjoaa maksimaalisen joustavuuden ohjausalgoritmin valinnassa. Tehoasteessa on kattavat suojaustoiminnot, mukaan lukien ristiinjohtavuussuojaus, ulkoinen sammutus sekä alijännitteen lukitustoiminnot. Sisäisen komparaattorin ja ylivirtasuojauspiiriin kytketyn referenssin ansiosta suunnittelija voi asettaa haluamansa suojaustason.

Kuva 10: ON Semiconductorin integroidun tehomoduulin NFAQ1060L36T toimintalohkokaavio (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Yhteenveto integroidun NFAQ1060L36T-tehomoduulin ominaisuuksista:

• Kolmivaiheinen 10 ampeerin / 600 voltin IGBT-moduuli integroiduilla ohjaimilla
• Kompakti 29,6 mm x 18,2 mm:n DIL (Dual In Line) -kotelo
• Sisäänrakennettu alijännitesuojaus
• Ristiinjohtavuussuojaus
• ITRIP-tulo kaikkien IGBT-transistorien sulkemiseksi
• Integroidut bootstrap-diodit ja vastukset
• Termistori substraatin lämpötilan mittaukseen
• Sammutuspinni
• UL1557-sertifiointi

Yhteenveto

Räätälöidyn moottori- ja invertteritehoelektroniikan suunnittelu käyttäen erillisiä IGBT-transistoreja erityisvaatimusten mukaisesti voi osoittautua pitkällä aikavälillä kalliiksi sekä viivästyttää suunnitteluaikataulua. Suunnittelijat voivat tämän sijaan käyttää käyttövalmiita IGBT-moduuleja, joissa samaan pakettiin on yhdistetty useita teholaitteita. Suunnittelijoiden on tällaisten moduulien ansiosta mahdollista kehittää kompakteja järjestelmiä, joissa on mahdollisimman vähän komponenttien välisiä kytkentöjä. Tämä yksinkertaistaa kokoonpanoa, lyhentää markkinoilletuontiakaa, laskee kustannuksia sekä parantaa yleistä suorituskykyä.

Kuten artikkelissa osoitetaan, suunnittelijat voivat käyttää IGBT-moduuleja ja sopivia IGBT-ohjaimia kehittääkseen kustannustehokkaita ja kompakteja moottoriohjaimia ja inverttereitä, jotka täyttävät suorituskyky- ja hyötysuhdevaatimukset.

Suositeltavaa luettavaa

1. Toteuta moottorinohjaukset nopeasti käyttämällä ohjausmikropiiriä ja integroitua mikrokontrolleria
2. Käytä korkean virtaluokan IGBT-ohjaimia ja sisäänrakennettua suojausta luotettavaan teollisuusmoottoreiden ohjaukseen