Модули серии MOTION-SPM для управления двигателями

Интеллектуальное управление потребляемой мощ­ностью становится отличительным признаком все большего числа современных бытовых и промышленных электронных устройств. Сокращение расхода энергии приводит к уменьшению эксплуатационных затрат и на­грузки на окружающую среду. В статье описано, как при­менение технологии DBC в модулях серии Motion-SPM, предназначенных для управления электродвигателями, позволило увеличить выходную мощность модулей.

А. Мельниченко

Основными потребителями энергии в бытовых и промышленных изделиях, таких, например, как кон­диционеры, являются электродвигатели. Естествен­но, что в целях экономии потребители стремятся со­кратить количество расходуемой ими энергии, что также способствует уменьшению нагрузки на окружа­ющую среду. Поэтому все большее число устройств управления двигателями строится на основе инверто­ров.

Для удовлетворения потребностей рынка в высо­коэффективных SPM-модулях (Smart Power Module) компания Fairchild Semiconductor разработала ряд модулей под торговой маркой Motion-SPM . Две первых серии таких модулей в корпусах DIP (дли­ной 31 мм) и Mini-DIP (26.8 мм) уже имеются в прода-же. Эти модули используются изготовителями элект­ронной аппаратуры и спрос на них растет, что под­тверждает их высокие потребительские качества.

После того как появились первые модули этих се­рий следующим шагом явился выпуск новых с током нагрузки до 15 А в корпусах SIP (single in-line package). Эти специализированные модули успешно применя­ются в устройствах управления двигателями мощ­ностью до 1.5 кВт, для которых ранее использовались IGBT-транзисторы, что позволяет уменьшить габари­ты этих устройств и упростить технологию их серий­ного производства.

Рис. 1. Блок-схемы модулей в корпусе DIP (а) и Mini-DIP (б)

Устройство и характеристики модулей. На рис. 1 показана блок-схема модуля Motion-SPM. Модуль в корпусе DIP содержит три IGBT-транзистора, три IGBT-сенсора, шесть диодов, тривысоковольтных (HVIC) и одну низковольтную (LVIC) микросхе­мы, а также термистор. В корпу­се Mini-DIP расположены шесть IGBT-транзисторов, шесть дио­дов, три высоковольтные и одна низковольтная микросхемы. Тран­зисторы отличаются малыми по­терями на переключение, способ­ны выдерживать короткое замы­кание в цепи нагрузки, а также имеют плавную характеристику переключения, чем достигается малый уровень электромагнитных помех. IGBT-сенсоры имеют ли­нейную характеристику чувстви­тельности, что упрощает разра­ботку новых устройств.

Повышение надежности ра­боты модулей обеспечивается также встроенным датчиком тем­пературы, наличием схем блокировки при уменьшении питающего напряжения и за­щиты от короткого замыкания в цепи нагрузки. Пита­ние модулей осуществляется от одного источника напряжения, при этом применение развязывающих оптронов не требуется. Все эти меры позволили уменьшить занимаемую модулем площадь и его стои­мость. Модули имеют три дополнительных вывода, которые можно использовать для контроля величины выходных токов, подключив их к отрицательному по­люсу источника питания через внешние резисторы.

Модули Motion-SPM имеют компактный корпус, в котором смонтировано несколько кристаллов. Корпус обеспечивает хороший отвод тепла от кристаллов к внешнему теплоотводу. Монтаж на подложку кристал­лов с большой рассеиваемой мощностью выполнен с использованием технологии DBC (direct bonded cop­per – подложки с двусторонним медным покрытием).

Использование модулей SPM позволяет увеличить диапазон максимальных токов до 75 А при одновре­менном уменьшении флуктуаций тока, габаритных размеров и перекрестных помех. Используемые в них подложки из керамики или нитрида алюминия с тех­нологией DBC применяются уже в течение многих лет благодаря их высокой теплопроводности. Малое рас­стояние между выводной рамкой и теплоотводом так­же способствует уменьшению теплового сопротивле­ния корпуса. Однако выбор этого расстояния менее 2 мм нежелателен, так как при этом снижается надеж­ность модулей. Толщина корпуса модуля составляет 5.5 мм, его сечение показано на рис. 2.

Рис. 2. Структура модуля (корпус DIP)

Ширина изоляционного промежутка между сосед­ними выводами и между выводами и теплоотводом в модулях SPM составляет соответственно 3 и 4 мм, что удовлетворяет требованиям Международной Элект­ротехнической Комиссии (IEC), предъявляемым к ин­верторам.

Увеличение выходной мощности. Увеличение выходной мощности было достигнуто благодаря уменьшению теплового сопротивления между корпусом и кристаллом и сокращению потерь энергии в активных элементах.

В первых сериях модулей Motion-SPM использова­лись только керамические подложки, главным обра­зом из-за их невысокой стоимости. Впоследствии был разработан корпус, имеющий ряд неоспоримых преимуществ, как-то: отличную теплопроводность и изоляционные качества, а также оптимальную инте­грацию нескольких кристаллов. Это позволило увели­чить максимальный ток нагрузки модулей почти вдвое, а тепловое сопротивление между корпусом и кристаллом уменьшить почти наполовину. Причем увеличение максимального тока не повлияло на габа­ритные размеры модулей (рис. 3).

Рис. 3. Внешний вид модулей в корпусе DIP (а) и Mini-DIP (б)

Потери энергии в модулях обусловлены активными потерями на сопротивлениях открытых транзисторов и потерями на их переключение. Активные потери зави­сят от тока через транзисторы и их сопротивления на­сыщения, зависящего, в свою очередь, от температу­ры. Потери на переключение обусловлены динамичес­кими характеристиками транзисторов. Для вычисле­ния динамических потерь можно воспользоваться приведенными в расчетами, действительными при следующих (наиболее типичных) условиях: коэф­фициент ШИМ-модуляции MI = 0.8, cos^ = 0.9, напря­жение питания выходных транзисторов Vdc = 300 B, напряжение питания модуля Vcc = 15 B, температура кристалла Tj = 125 °C, форма выходного тока – сину­соидальная. Зависимость максимального выходного тока модулей в корпусах DIP (600 В, 75 А) и Mini-DIP (600 В, 30 А) от частоты при Vdc=300 B, Vcc = 15 B, Tj = 125 °C приведена на рис. 4.

Типовая схема включения модулей Motion-SPM приведена в руководстве по применению AN-9035 фирмы Fairchild (www.fairchild.com).

Напряжение 15 В используется для питания низко­вольтных IGBT-транзисторов и преобразователя, предназначенного для питания высоковольтных ин­тегральных схем. Низковольтные схемы служат для блокировки команд контроллера и выработки призна­ка аварии при отказе источника тока или снижении питающего напряжения ниже допустимого.

Рис. 4. Зависимость допустимого выходного тока от частоты для модулей в корпусе DIP (а) и Mini-DIP (б)

Аргументами в пользу перехода к высоковольтным схемам управления транзисторами являются упроще­ние и удешевление разработки, а также обеспечение эффективного управления ШИМ-сигналом. Такое ре­шение позволило отказаться от применения оптрон- ных развязок, обеспечить питание всех схем от одно­го источника и увеличить скорость управления. Для предотвращения эффекта “защелки”, который может вызвать отказ модуля, импеданс в схеме токовой пет­ли увеличен за счет последовательного подключения к выводу Vs дополнительной цепи, как показано на рис. 5. Эта цепь предотвращает протекание тока че­рез паразитные p-n-переходы транзисторов из-за действия помех с крутыми фронтами и большими от­рицательными выбросами.

Рис. 5. Схема управления выходным транзистором (HVIC – Высоковольтная интегральная схема, CONTROL – Управление, IMPEDANCE CELL – Цепь дополнительного импеданса)

Заключение. Высокая нагрузочная способность и компактные размеры модулей Motion-SPM, отличаю­щихся высокой степенью интеграции, явились резуль­татом применения технологии DBC, что позволило соз­дать изделие с максимальным выходным напряжением до 600 В и током нагрузки до 75 А для модулей в корпу­сах DIP и до 30 А – в корпусах Mini-DIP, что более чем вдвое превышает мощность изделий предыдущих мо­дификаций. Применение этих модулей позволит раз­работчикам повысить надежность устройств, упростить их конструкцию и монтаж, а также увеличить соотношение “(удельная выходная мощность)/затраты” при проектировании устройств управления двигателями.