Come semplificare i progetti di comando motori e inverter utilizzando i moduli IGBT

L'uso di motori e inverter continua a crescere in applicazioni come l'automazione industriale, la robotica, i veicoli elettrici, l'energia solare, gli elettrodomestici e gli utensili elettrici. A questa crescita si aggiunge la necessità di migliorare l'efficienza, ridurre i costi e l'ingombro e semplificare la progettazione. Anche se è allettante progettare l'elettronica di potenza personalizzata per motori e inverter utilizzando transistor bipolari a gate isolato (IGBT) discreti per soddisfare requisiti specifici, questo può essere costoso a lungo termine e prolungare i tempi di progettazione.

I progettisti possono invece utilizzare moduli IGBT pronti all'uso che combinano più dispositivi di alimentazione in un unico contenitore. Tali moduli supportano la necessità dei progettisti di sviluppare sistemi compatti con un minimo di interconnessioni, semplificando così l'assemblaggio, riducendo il time-to-market e i costi e migliorando le prestazioni complessive. Combinati con un driver IGBT appropriato, i moduli IGBT consentono lo sviluppo di driver per motori e inverter efficienti ed economici.

Questo articolo descrive brevemente i motori elettrici e gli inverter, i relativi circuiti di azionamento e i requisiti prestazionali. Esaminerà quindi i vantaggi dell'utilizzo dei moduli IGBT e dei vari standard di incapsulamento dei moduli prima di introdurre le opzioni di progettazione di azionamenti e inverter basati sui moduli IGBT e su CI di fornitori come NXP Semiconductors, Infineon Technologies, Texas Instruments, STMicroelectronics e ON Semiconductor, e come applicarli, compreso l'uso delle schede di valutazione.

Tipi di motori e standard di efficienza

La norma IEC/EN 60034-30 suddivide l'efficienza di un motore in 5 classi da IE1 a IE5. La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) ha una scala di valutazione corrispondente da "efficienza standard" a "ultra" (Figura 1). L'uso di azionamenti elettronici è necessario per soddisfare i massimi standard di efficienza. I motori a induzione c.a. con azionamenti elettronici possono soddisfare i requisiti IE3 e IE4. Per soddisfare i livelli di efficienza IE5 sono necessari motori a magneti permanenti e azionamenti elettronici più costosi.

Figura 1: Classi di efficienza dei motori secondo la norma IEC/EN 60034-30 (da IE1 a IE5) e corrispondenti valutazioni NEMA (da efficienza standard a ultra). I motori a induzione c.a. con FOC e azionamenti elettronici possono soddisfare i requisiti IE3 e IE4. I motori a magneti permanenti sono necessari per soddisfare i livelli di efficienza IE5. (Immagine per gentile concessione di ECN)

Lo sviluppo di microcontroller (MCU) a basso costo ha permesso ai progettisti di utilizzare il controllo vettoriale, chiamato anche controllo a orientamento di campo (FOC), un metodo di controllo a frequenza variabile (VFD) in cui le correnti dello statore di un motore trifase in c.a. sono identificate come due componenti ortogonali che possono essere visualizzate con un vettore. I controller proporzionali-integrali (PI) possono essere usati per mantenere i componenti di corrente misurati ai loro valori desiderati. La modulazione della larghezza di impulso del VFD definisce la commutazione dei transistor in funzione dei riferimenti di tensione dello statore che sono l'uscita dei regolatori di corrente PI.

Sviluppato originariamente per sistemi ad alte prestazioni, FOC sta diventando sempre più interessante anche per applicazioni a basso costo grazie alle dimensioni del motore FOC, al minor costo e al minor consumo energetico. Grazie alla crescente disponibilità di MCU ad alte prestazioni a basso costo, FOC sta sostituendo sempre più spesso un singolo controllo scalare variabile in volt per Hertz (V/f) dalle prestazioni inferiori.

Esistono due tipi principali di motori a magneti permanenti in uso oggi: i motori c.c. brushless (BLDC) e i motori sincroni a magneti permanenti (PMSM). Entrambi sono motori avanzati e richiedono elettronica di potenza per l'azionamento e il controllo.

I motori BLDC sono durevoli, efficienti ed economici. I motori PMSM hanno tutti gli attributi dei motori BLDC ma un rumore minore e un'efficienza leggermente superiore. Entrambi i tipi di motori sono comunemente utilizzati con i sensori Hall ma possono essere utilizzati anche senza sensore. I motori PMSM sono utilizzati in applicazioni che richiedono i più alti livelli di prestazioni, mentre i motori BLDC sono utilizzati in progetti più sensibili ai costi.

• Motori BLDC
  • Più facili da controllare (6 passi), richiedono solo correnti in c.c.
  • Ripple di coppia alle commutazioni
  • Minori costi e minori prestazioni (rispetto ai PMSM)
• Motori PMSM
  • Comunemente utilizzati nei servocomandi con encoder ad albero integrato
  • Controllo più complesso (necessita di PWM sinusoidale trifase)
  • Nessun ripple di coppia alla commutazione
  • Maggiore efficienza, maggiore coppia
  • Costo più elevato e prestazioni superiori (rispetto ai BLDC)

Panoramica degli inverter

L'efficienza di un inverter indica quanta potenza c.c. in ingresso viene convertita in potenza c.a. in uscita. Gli inverter a onda sinusoidale di alta qualità offrono un'efficienza del 90-95%. Gli inverter a onda sinusoidale modificati di qualità inferiore sono più semplici, meno costosi e meno efficienti (tipicamente del 75-85%). Gli inverter ad alta frequenza sono di solito più efficienti rispetto ai modelli a bassa frequenza. L'efficienza dell'inverter dipende anche dal carico dell'inverter (Figura 2). Tutti gli inverter richiedono azionamenti e controlli per l'elettronica di potenza.

Nel caso degli inverter fotovoltaici, esistono tre tipi di classi di efficienza:

• Il massimo rendimento indica le prestazioni dell'inverter alla potenza di uscita ottimale. Mostra il punto massimo per un particolare inverter e può essere utilizzato come criterio della sua qualità (Figura 2).
• L'efficienza europea è il numero ponderato che tiene conto della frequenza di funzionamento dell'inverter a diverse uscite di potenza. A volte è più utile del massimo rendimento, in quanto mostra come si comporta l'inverter a diversi livelli di potenza in una giornata solare.
• Anche l'efficienza CEC (California Energy Commission) è un valore ponderato, simile all'efficienza europea, ma utilizza diverse ipotesi sui fattori di ponderazione.

La differenza principale tra l'efficienza europea e quella CEC è che le ipotesi sull'importanza di ogni livello di potenza per un determinato inverter si basano sui dati per l'Europa centrale nel primo caso e per la California nel secondo.

Figura 2: Curva tipica dell'efficienza dell'inverter che mostra il punto di massimo rendimento. (Immagine per gentile concessione della Pennsylvania State University)

Principi base degli IGBT

La funzione di base di un IGBT è la commutazione più veloce possibile delle correnti elettriche con le minori perdite possibili. Come indica il nome, un IGBT è un transistor bipolare con una struttura a gate isolato; il gate stesso è fondamentalmente un MOSFET. Pertanto, l'IGBT combina i vantaggi delle elevate capacità di trasporto di corrente e delle alte tensioni di blocco di un transistor bipolare con il controllo capacitivo a bassa potenza di un MOSFET. La Figura 3 mostra come un MOSFET e un transistor bipolare combinati portano all'IGBT.

Figura 3: Struttura concettuale di un IGBT che mostra il MOSFET che costituisce la struttura del gate isolato e del transistor bipolare, ossia la sezione di gestione della potenza. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

Il funzionamento fondamentale di un IGBT è semplice: una tensione positiva U_GE dal gate (G, in Figura 3) all'emettitore (E) accende il MOSFET. Poi, la tensione collegata al collettore (C) può pilotare la corrente di base attraverso il transistor bipolare e il MOSFET; il transistor bipolare si accende e la corrente di carico può scorrere. Una tensione U_GE ≤0 V spegne il MOSFET, la corrente di base viene interrotta e si spegne anche il transistor bipolare.

Sebbene sia concettualmente semplice, lo sviluppo di hardware per il controllo di un IGBT - un gate driver - può essere complesso a causa delle numerose sfumature prestazionali nei dispositivi e nei circuiti reali. Il più delle volte non è necessario. I produttori di semiconduttori offrono soluzioni integrate nei gate driver, con un'ampia varietà di funzioni e capacità. Da qui l'importanza di abbinare i moduli IGBT con gli opportuni gate driver.

I moduli IGBT sono offerti in un'ampia varietà di contenitori (Figura 4). I formati più grandi hanno una tensione nominale di 3.300 V o superiore e sono progettati per l'uso in installazioni da megawatt come sistemi di energia rinnovabile, gruppi di continuità e comandi di motori di grandi dimensioni. I moduli di medie dimensioni sono tipicamente classificati da 600 a 1700 V per una varietà di applicazioni, tra cui veicoli elettrici, azionamenti di motori industriali e inverter solari.

Figura 4: I moduli IGBT sono offerti in un'ampia varietà di contenitori. I valori di tensione tipici vanno da 600 a 3.300 V. (Immagine per gentile concessione di Fuji Electric)

I dispositivi più piccoli sono detti moduli di potenza integrati e sono classificati a 600 V e possono includere gate driver integrati e altri componenti per comandi di motori in sistemi industriali più piccoli ed elettrodomestici. Gli IGBT funzionano a livelli di potenza più elevati e frequenze di commutazione più basse rispetto ad altri tipi di componenti di commutazione di potenza (Figura 5).

Figura 5: Intervallo di potenza rispetto alla frequenza di commutazione per i comuni dispositivi di commutazione di potenza (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

Scheda di valutazione modulo IGBT per inverter di trazione

Per i progettisti di inverter di trazione ad alta tensione, NXP Semiconductors offre la scheda di valutazione per la gestione della potenza del gate driver FRDMGD3100HBIEVM che fa uso del gate driver in CI a semiponte MC33GD3100A3EK. Questa scheda di valutazione è progettata specificamente per l'uso con il modulo IGBT FS820R08A6P2BBPSA1 di Infineon (Figura 6). Si tratta di una soluzione completa comprendente i gate driver in CI a semiponte, il condensatore DC-Link e la scheda di traslazione per il collegamento a un PC che fornisce i segnali di controllo. Le applicazioni tipiche comprendono:

• Motori di trazione per veicoli elettrici e convertitori c.c./c.c. ad alta tensione
• Caricabatterie a bordo di veicoli elettrici e caricabatterie esterni
• Altre applicazioni per il controllo di motori in c.a. ad alta tensione

Figura 6: Scheda di valutazione per la gestione di potenza del gate driver FRDMGD3100HBIEVM di NXP collegata al modulo IGBT FS820R08A6P2BBPSA1 di Infineon che mostra la posizione di MC33GD3100A3EK, i gate driver in CI a semiponte, il condensatore DC-Link e la scheda di traslazione per il collegamento a un PC che fornisce i segnali di controllo. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Driver per moduli IGBT 150 x 62 x 17 mm

Per i progettisti di comandi di motori, inverter solari, caricabatterie HEV ed EV, turbine eoliche, sistemi di trasporto e gruppi di continuità, Texas Instruments ha sviluppato la scheda ISO5852SDWEVM-017 (Figura 7). Si tratta di una scheda compatta per gate driver isolato a doppio canale, che fornisce l'azionamento, le tensioni di polarizzazione, la protezione e la diagnostica necessarie per i moduli MOSFET generici a semiponte in carburo di silicio (SiC) e i moduli IGBT al silicio alloggiati in contenitori standard di 150 × 62 × 17 mm. Questa EVM di TI si basa sul driver in CI con isolamento rinforzato a 5.700 V rms ISO5852SDW in un contenitore SOIC-16DW con distanza di isolamento superficiale e distanza minima in aria di 8,0 mm. L'EVM include alimentazioni di polarizzazione del trasformatore c.c./c.c. isolato basate su SN6505B.

Figura 7: Scheda del gate driver isolato a doppio canale ISO5852SDWEVM-017 di Texas Instruments, montata sulla parte superiore di un modulo IGBT di 150 × 62 mm. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Schede di valutazione per modulo di alimentazione intelligente

STMicroelectronics offre la scheda di valutazione per il controllo di motori trifase STEVAL-IHM028V2 da 2.000 W (Figura 8) con il moduli di alimentazione IGBT intelligente STGIPS20C60 IGBT. La scheda di valutazione è un inverter c.c./c.a. che genera una forma d'onda per il comando di motori trifase come i motori a induzione o i PMSM fino a 2000 W in impianti HVAC (condizionatori d'aria), elettrodomestici e utensili elettrici monofase di fascia alta. I progettisti possono utilizzare questo EVB per realizzare progetti FOC con motori c.a. trifase.

La sezione principale di questa EVM è un progetto universale, interamente valutato e popolato, costituito da un ponte inverter trifase basato sul modulo di alimentazione IGBT intelligente a 600 V in contenitore SDIP 25L montato su un dissipatore di calore. Il modulo di alimentazione intelligente integra tutti gli interruttori IGBT di potenza con diodi a ruota libera insieme ai gate driver ad alta tensione. Questo livello di integrazione consente di risparmiare spazio sulla PCB e sui costi di assemblaggio e contribuisce ad aumentare l'affidabilità. La scheda è progettata per la compatibilità con reti elettriche monofase, fornendo da 90 a 285 V c.a., ed è anche compatibile con ingressi da 125 fino a 400 V c.c.

Figura 8: Scheda di valutazione STEVAL-IHM028V2 con FOC di STMicroelectronics. Questa scheda può essere utilizzata per valutare una vasta gamma di applicazioni come impianti HVAC (condizionatori d'aria), elettrodomestici e utensili elettrici monofase di fascia alta. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

La scheda di valutazione da 850 W gestisce diversi tipi di motori

ON Semiconductor offre la scheda di valutazione SECO-1KW-MCTRL-GEVB che permette ai progettisti di controllare diversi tipi di motori (motore a induzione c.a., PMSM, BLDC) utilizzando vari algoritmi di controllo, tra cui FOC, implementati con un microcontroller collegabile tramite basette Arduino Due (Figura 9). La scheda è progettata per l'uso con Arduino DUE (basetta compatibile) o una scheda di controllo simile con un MCU. La scheda è stata introdotta per supportare gli sviluppatori nei primi passi della progettazione di applicazioni con moduli di alimentazione integrati e correzione del fattore di potenza. È destinato all'uso da parte dei progettisti di pompe e ventilatori industriali, sistemi di automazione industriale e apparecchi consumer.

Figura 9: Diagramma a blocchi della scheda di valutazione SECO-1KW-MCTRL-GEVB di ON Semiconductor (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Questa scheda di valutazione si basa su NFAQ1060L36T (Figura 10), uno stadio di potenza inverter integrato composto da un driver ad alta tensione, sei IGBT e un termistore, adatto per pilotare motori a induzione PMSM, BLDC e c.a. Gli IGBT sono configurati in un ponte trifase, con connessioni separate per l'emettitore per le tratte inferiori, offrendo la massima flessibilità nella scelta dell'algoritmo di controllo. Lo stadio di potenza dispone di una gamma completa di funzioni di protezione, quali protezione della conduzione incrociata, spegnimento esterno e blocco di sottotensione. Un comparatore interno e un riferimento collegato al circuito di protezione dalle sovracorrenti permette al progettista di impostare un livello di protezione personalizzato.

Figura 10: Diagramma a blocchi funzionali del modulo di alimentazione integrato NFAQ1060L36T di ON Semiconductor (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Principali caratteristiche del modulo di alimentazione integrato NFAQ1060L36T:

• Modulo IGBT trifase da 10 A/600 V con driver integrati
• Contenitore dual-in-line (DIL) compatto di 29,6 x 18,2 mm
• Protezione da sottotensione incorporata
• Protezione dalla conduzione incrociata
• Ingresso ITRIP per spegnere tutti gli IGBT
• Resistori e diodi bootstrap integrati
• Termistore per la misurazione della temperatura del substrato
• Pin di arresto
• Certificazione UL1557

Conclusione

Progettare elettronica di potenza personalizzata per motori e inverter utilizzando IGBT discreti per soddisfare requisiti specifici può essere costoso a lungo termine e prolungare i tempi di progettazione. I progettisti possono invece utilizzare moduli IGBT pronti all'uso che combinano più dispositivi di alimentazione in un unico contenitore. Tali moduli supportano la necessità dei progettisti di sviluppare sistemi compatti con un minimo di interconnessioni, semplificando così l'assemblaggio, riducendo il time-to-market e i costi e migliorando le prestazioni complessive.

Come mostrato, i progettisti possono utilizzare un modulo IGBT con un driver IGBT appropriato per sviluppare comandi di motori e inverter compatti ed economici che soddisfino gli standard di prestazioni ed efficienza.

Letture consigliate

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