Inteligentne sterowniki silników małej mocy

Rys. 1. Moduły nano 2 wchodzą w skład dużej rodziny SLLIMM przeznaczonej do obsługi silników o najmniejszej mocy

Nowe układy kierowane są w obszar aplikacyjny, w którym wykorzystuje się obecnie autotransformatory lub regulację fazową z wykorzystaniem triaków. O ile sterowanie prędkością obrotową silników bezszczotkowych dla jednostek dużej i średniej mocy jest realizowane elektronicznie poprzez falowniki, o tyle dla tych najmniejszych, używanych np. w wentylatorach, ekonomia rozwiązania wymusza do tej pory użycie triaków.

To się zaczyna zmieniać, bo nowoczesne moduły zawierające w jednym układzie kompletny stopień mocy pozwalają zrealizować regulator jedynie trochę drożej niż z triakiem, ale za to o znacznie lepszej funkcjonalności. Pojedynczy moduł, taki jak SLLIMM, zastępuje około 30 elementów dyskretnych, co przekłada się na cenę i zajętość miejsca na PCB. Dodatkowo zwarta zintegrowania konstrukcja ma lepsze parametry od strony EMC i niższe wartości pasożytniczych impedancji.

Nowa rodzina SLLIMM nano 2 (Small Low-Loss Intelligent Molded Module) obejmuje układy o małej mocy oraz o dwóch typach dostępnych obudów pozwalających sterować silnikami z wykorzystaniem częstotliwości nośnej dla układów PWM do 20 kHz i do 200 watów. Moduły zawierają trzy drivery wysokonapięciowego półmostkowego stopnia mocy wykonanego za pomocą dwóch tranzystorów IGBT oraz sześć ultraszybkich diod usprawniających.

Całość uzupełniają układy logiczne ułatwiające połączenie sterownika z mikrokontrolerem i obwody zabezpieczająco-kontrolne, przez co cały sterownik ma bardzo małe wymiary i może być integrowany w bezpośrednim sąsiedztwie silnika.

Warto zauważyć, że moduł ma wbudowany przesuwnik poziomu napięcia pozwalający na sterowanie górnymi tranzystorami mostka, a więc tymi, które przyłączone są bezpośrednio do potencjału 310 V (wyprostowane napięcie sieci) bez użycia transformatorów i optoizolatorów separujących. Dzięki temu szybkość działania jest duża, bo przesuwanie poziomu nie wiąże się z opóźnieniem prowadzącym do niestabilności i podwzbudzeń przy pracy w pętli sprzężenia zwrotnego, jak np. w metodzie optycznej.

Konstrukcja

Rys. 2. Schemat blokowy modułu SLLIMM

Użyte tranzystory IGBT o maksymalnym prądzie przewodzenia 3 lub 5 A i napięciu przebicia 600 V w zależności od wersji zostały zoptymalizowane pod kątem pracy z maksymalną sprawnością oraz przy minimalnych generowanych zaburzeniach EMI.

Bazują na połączeniach ceramiczno-miedzianych (Direct Bonded Copper) w montażu struktury do obudowy, co zapewnia o 20% niższą rezystancję termiczną w porównaniu do montażu na aluminium i mają one bardzo małe napięcie nasycenia, wynoszące tylko 1,65 V (przy 5 A), co producent osiągnął za pomocą zaawansowanego procesu technologicznego TFS (Trench Field Stop - ze żłobionym kanałem rowkowym).

Dopuszczalna temperatura pracy sięga aż 150°, a umieszczony wewnątrz termistor NTC, razem z komparatorem oraz wzmacniaczem operacyjnym, pozwala zabezpieczyć układ przed zniszczeniem na skutek długotrwałego przeciążenia termicznego oraz prądowego, działając niezależnie od mikrokontrolera.

Jest to bardzo istotne z punktu widzenia długoterminowej niezawodności, bo jednym z ważniejszych problemów konstruktora jest zapewnienie odporności układu zasilającego silnik na trwałe zatrzymanie wirnika na skutek zatarcia układu napędzanego.

Rys. 3. Wersje o maksymalnym prądzie wyjściowym 3 A wykorzystują tanie proste obudowy plastikowe, wersje z tranzystorami 5 A mają obudowę z wkładką miedzianą poprawiającą odprowadzanie ciepła

Moduły SLLIMM nano 2 mają oddzielne końcówki emiterowe dla wszystkich trzech par tranzystorów przełączających, co pozwala na dowolną realizację układu kontroli komutowanego prądu: wspólnie dla trzech faz zasilających silnik lub też dla każdej fazy osobno oddzielnym rezystorem pomiarowym. Co jest niezwykle istotne, struktura scalona jest oddzielona galwanicznie od stopnia mocy (dzięki montażowi DBC), dzięki czemu potencjał radiatora jest neutralny.

Izolacja wytrzymuje 1500 Vrms, co pozwala na wykorzystanie obudowy metalowej urządzenia jako radiatora bez konieczności stosowania dodatkowej izolacji. Dodatkowo układy z rodziny SLLIMM nano 2 są zamykane w płaskich obudowach 26-pinowych N2DIP-26L pozwalających na łatwy montaż elementu rozpraszającego ciepło.

Miedziana ramka montażowa zawierająca strukturę scaloną przedzieloną warstwą ceramiki zapewniającej izolację elektryczną od radiatora jest zaprasowywana z tworzywem obudowy w całość, co zapewnia dobre właściwości cieplne i izolację elektryczną. Seria nano 2 zawiera 6 modułów (STGIPQxx), niemniej producent zapowiada kolejne.

Rozbudowane zabezpieczenia

Fot. 4. STEVAL-IPM05F to przykładowy zestaw projektowy demonstrujący możliwości kryjące się w modułach z rodziny SLLIMM w zakresie obsługi silników małej mocy

Moduły SLLIMM nano 2 pozwalają na realizację efektywnie działającego zabezpieczenia nadprądowego za pomocą wewnętrznego komparatora oraz sprawdzają, czy napięcie zasilające część logiczną mieści się w zakresie pozwalającym na bezpieczne działanie (rekomendowany zakres to 13,5-18 V). Moduł sygnalizuje swój stan do mikrokontrolera za pomocą końcówki SD, co pozwala obsługiwać stany alarmowe, zachowując nadzór.

Komparator ma podłączone jedno wejście do napięcia odniesienia, druga końcówka może zostać połączona z rezystorem pomiarowym kontrolującym prąd przewodzony przez tranzystory. Czas propagacji sygnału wynosi tylko 300 ns, co pozwala uczynić mechanizm zabezpieczenia bardzo szybko reagujący na chwilowe przeciążenie. Wyzwolenie komparatora powoduje natychmiastowe przejście w stan wyłączenia driverów i dezaktywację kluczy. Duża szybkość działania minimalizuje możliwość uszkodzenia tranzystorów.

Logiczne układy wejściowe współpracujące z portami mikrokontrolera mają wejścia z histerezą 1 V (Schmitta), co zapewnia dużą odporność na szumy i zakłócenia. Pozwalają na bezpośrednią współpracę z mikrokontrolerami zasilanymi napięciem 3,3 V. Wejścia są podciągnięte wewnętrznie do masy.

Robert Magdziak