Moduły IPM upraszczają budowę układów napędowych do silników

| Prezentacje firmowe

Na całym świecie wymienia się obecnie proste układy napędowe bazujące na silnikach pracujących ze stałą prędkością obrotową na napędy ze sterownikami elektronicznymi, które zapewniają zgodność z najnowszymi wymaganiami prawnymi w zakresie minimalnej sprawności energetycznej nakładane przez dyrektywę ErP i zapewniają wysokie walory użytkowe. Cały proces prowadzi do znacznego obniżenia mocy pobieranej przez układy napędowe, kosztów ich eksploatacji i tym samym ogranicza negatywny wpływ na środowisko naturalne. Badania przeprowadzone przez firmę Siemens wykazały, że wymiana wszystkich silników w napędach przemysłowych na wersje energooszczędne mogłaby przynieść 43 TWh oszczędności energii zużywanej rocznie na terenie Unii Europejskiej.

Moduły IPM upraszczają budowę układów napędowych do silników

Rys. 1. Schemat blokowy typowego falownika zasilanego z sieci jednofazowej

Sercem takich układów napędowych jest zawsze inwerter, a więc przekształtnik napięcia sieciowego 230 V 50 Hz jednofazowego lub trójfazowego 400 V w napięcie trójfazowe o zmiennej częstotliwości i wartości. Inwerter może zostać wykonany z elementów dyskretnych, co wymaga użycia około 20 komponentów.

Niemniej duże inwestycje producentów półprzewodników w zakresie elementów dużej mocy doprowadziły do pojawienia się na rynku modułów IPM (Intelligent Power Modules), które w jednej obudowie zawierają prawie całe rozwiązanie układowe takiego komponentu.

IPM-y są małe (wielkości układów hybrydowych) i mają dużą wydajność (moc i sprawność), co zostało zapewnione kosztem większej ich ceny w porównaniu do rozwiązania opartego na elementach dyskretnych i mniejszej elastyczności. Niemniej wady te, wraz z poszerzającą się ofertą rynkową tych produktów, coraz bardziej tracą na znaczeniu.

Sprawność energetyczna coraz istotniejsza

Unia Europejska podejmuje wiele inicjatyw w kierunku minimalizacji zużycia energii elektrycznej, które są częścią długofalowej strategii 20/20 zakładającej redukcję emisji CO2 o 20% do 2020 roku. Dla silników elektrycznych o mocy 0,75-375 kW są stosowane cztery stopnie określające ich sprawność: IE1-4 (większy stopień = większa sprawność).

Od 2011 roku wszystkie silniki muszą spełniać wymagania IE2, a od 2015 roku jednostki 7,5-375 kW podpadają pod wymagania IE3. Od 2017 roku IE3 będzie obowiązywać także dla silników z zakresu 0,75-7,5 kW. W wielu sytuacjach najprostszym sposobem zapewnienia zgodności napędu z tymi wymaganiami jest wymiana na jednostkę sterowaną za pomocą falownika.

IPM od wewnątrz

Rys. 2. Przykładowe komponenty falownika integrowane wewnątrz IPM-a

W najpopularniejszym zakresie mocy 2-20 kW napędy zasilane są z sieci trójfazowej, mniejsze moce zwykle korzystają z sieci energetycznej jednofazowej. W tym przypadku moduł IPM integruje w sobie wiele elementów rozwiązania dyskretnego, jak pokazano na rysunku 2.

Jest to 6 tranzystorów IGBT lub MOSFET, 6 diod usprawniających, sterowniki bramek oraz pomocnicze elementy takie jak termistor, diody układu zasilania bootstrapem i podobne. Niektóre moduły mają wbudowany rezystor pomiarowy zapewniający kontrolę prądu płynącego przez poszczególne gałęzie mostka, spotyka się także komparatory i pojemności realizujące kondycjonowanie sygnału pomiarowego z tych rezystorów.

Umieszczenie prawie wszystkiego w jednej obudowie niewątpliwie zmniejsza wymiary sterownika o około 50% w porównaniu do elementów dyskretnych, poprawia też niezawodność. Użycie IPM-a jest też prostsze, bo większość połączeń zrealizowano wewnątrz jego obudowy. Zwarta konstrukcja jest też lepsza od strony EMC, ma mniejsze reaktancje pasożytnicze i tym samym pracuje bardziej stabilnie.

Szczególnie korzystnie wypada tutaj integracja drivera blisko bramki tranzystora mocy, gdyż znacznie zmniejsza to emisję zaburzeń EM. Dla konstruktora moduł IPM jest łatwiejszy w implementacji i szybciej za jego pomocą można przygotować projekt. Ogranicza on ryzyko projektowe, gdyż konstrukcja IPM-a została wcześniej dokładnie przebadania przez producenta i wiadomo, co się można po niej spodziewać. Można też liczyć na wsparcie techniczne producenta i dystrybutora oraz na oprogramowanie, które pomoże w implementacji.

Mimo tych ważnych czynników przewagi nadal wielu konstruktorów woli rozwiązania dyskretne, bo usiłuje obniżyć koszty do minimum przez zapewnienie maksymalnego dopasowania układu do wymagań aplikacyjnych. Takie działania widać głównie w zakresie wersji przeznaczonych do współpracy z silnikami o dużej mocy, bo tam oferta rynkowa IMS-ów nie jest jeszcze tak szeroka, aby zaspokoić większość wymagań konstruktorów.

Dla aplikacji o mniejszej mocy widać, że rozwiązania IMS-owe zyskują przewagę po stronie technicznej i problemem, jaki pozostaje jeszcze nierozwiązany, są wyższe koszty. Specjaliści wskazują jednak, że gdy dokładnie policzy się wszystkie koszty rozwiązania dyskretnego i modułowego, różnica staje się nieznacząca.

Rys. 3. Przykładowe obudowy modułów IPM

Często nie uwzględnia się bowiem kosztów montażu, wykonania płytki, kosztów inżynierskich i projektowych związanych z przygotowaniem projektu, kosztów obsługi posprzedażnej i serwisu, które są dla IMS-ów mniejsze. To samo dotyczy badań w zakresie EMC, certyfikatów UL i innych atestów, które dla IMS-ów można uzyskać łatwiej i taniej.

Producenci tacy jak STMicroelectronics, Fairchild i ON Semiconductor zaangażowali się silnie w tematykę IPM i co chwilę wprowadzają na rynek nowe produkty tego typu. Niemniej dostępne na rynku wersje można ogólnie podzielić na kilka kategorii:

  • wykonane na podłożach IMS (Insulated Metal Substrate) - a więc laminacie z rdzeniem aluminiowym. Oferują one dobre parametry cieplne i są bardzo niezawodne.
  • wykonane na podłożu miedzianym DBC (Direct Bonded Copper). Mają najlepsze parametry cieplne i są dostępne dla największych mocy wyjściowych (rys. 3).
  • zintegrowane w plastikowej obudowie - najtańsze i o najsłabszych parametrach cieplnych, przeznaczone do jednostek najmniejszej mocy.

Ponadto, moduły IPM różnią się obudowami, ale też zakresem mocy obsługiwanych jednostek napędowych, budową wewnętrzną i stopniem integracji oraz parametrami (termicznymi, sprawnością, napięciem wejściowym i podobnymi).

Martin Schiel
Strategic Technical
Sales Manager,
Future Power Solutions

www.futureelectronics.com

Zobacz również