Pełny układ mostkowy falownika w obudowie QFN

Rys. 1. Schemat blokowy układu PWD13F60

Rozwiązaniem wielu takich problemów jest oczywiście elektronizacja napędów, która pozwala pogodzić wiele sprzecznych wymagań technicznych i funkcjonalnych oraz umożliwia wykorzystanie silników o dużej trwałości, np. BDLC, które mają znakomite parametry eksploatacyjne, ale niestety wymagają złożonego układu sterowania.

Rozwiązania sterowników napędów są znane na rynku od wielu lat. Niemniej z każdym rokiem oferta podzespołów do tych zastosowań powiększa się o nowe, tańsze i bardziej zintegrowane rozwiązania. Elektroniczne napędy pojawiają się też w aplikacjach coraz mniejszej mocy, co pokazuje, że cena rozwiązania sprzętowego sterownika jest w tym obszarze bardzo ważna i każdy kolejny przełom, skok technologiczny oraz rozwiązanie bardziej zintegrowane jest ważne, bo obniża próg opłacalności.

W typowym rozwiązaniu sterownik silnika zawiera mikrokontroler, którego zadaniem jest tworzenie obwiedni sygnału sterującego, jedno- lub trójfazowego o zmiennej częstotliwości i regulowanym napięciu w oparciu o nastawy oraz sygnały sprzężenia zwrotnego pobierane z silnika. Do celów sterowania dostępnych jest kilka popularnych algorytmów wiążących częstotliwości i napięcia w powiązaniu z prądami płynącymi przez uzwojenia silnika i dzisiaj nie jest problemem stworzenie jednostki sterującej, bo oprogramowanie jest udostępniane przez wielu producentów mikrokontrolerów.

Drugą częścią silnika jest stopień mocy, który sygnały cyfrowe zamienia na przebiegi prądowe zasilające silnik. W tym obszarze także są wypracowane rozwiązania, które bazują na pełnomostkowym układzie tranzystorowym przełączającym wyprostowane napięcie sieci. Dla sterownika jednofazowego są to 4 MOSFET-y lub IGBT, w trójfazowym pracuje 6 takich tranzystorów. Do tego dochodzą diody usprawniające (też 4-6) oraz sterowniki bramek po jednym dla każdego elementu przełączającego.

Razem z prostownikiem, kondensatorem filtrującym, filtrem EMC, obwodami zabezpieczającymi przed stanami nieustalonymi cała konstrukcja elektronicznego napędu szybko się komplikuje i niestety też rośnie jej cena. I paradoksalnie mikrokontroler wcale nie jest jej najdroższym komponentem w tym zestawie, tylko właśnie tranzystory i sterowniki bramek. Nic dziwnego, że elementy te są scalane w jedną całość, najczęściej tranzystory w moduł i sterowniki bramek w jeden chip.

Nowe rozwiązanie firmy ST Microelectronics jest kolejnym krokiem, aby opisane problemy stały się jeszcze mniej znaczące, zwłaszcza w przypadku konstrukcji przeznaczonych do silników o niewielkiej mocy, gdzie koszt realizacji sprzętowej jest krytycznym parametrem aplikacyjnym.

W nowym układzie PWD13F60 typu SiP (System in Package) producent połączył w ramach jednego podzespołu praktycznie wszystkie elementy wymagane do budowy pełnomostkowego stopnia mocy, a więc sterowniki bramek, tranzystory wraz z diodami i zabezpieczenia. Kompletny falownik do silnika można już zatem zbudować z dwóch elementów (plus oczywiście prostownik i filtr EMC na wejściu sieci). Znakomicie upraszcza to konstrukcję, pozwala na dalszą miniaturyzację i obniża koszty realizacji.

Podobne rozwiązania na rynku już były, niemniej nigdy nie tak niewielkich rozmiarów. Zazwyczaj pełny mostek przypominał wielkością 40-pinową obudowę DIP, wymagał montażu na radiatorze i ręcznego lutowania końcówek. Układ ST ma tutaj sporą przewagę, bo jest zamykany w małej obudowie QFN o wymiarach 13×11 mm przeznaczonej do montażu SMT, a więc o około 60% mniej niż dotychczasowe rozwiązania. Użycie to nie tylko oszczędność miejsca na płytce, ale także mniej problemów z EMI.

Rys. 2. Zestaw ewaluacyjny - płytka 48×53 mm - na jej środku widoczny jest układ SiP

Poza falownikami do silników PWD-13F60 można wykorzystać do realizacji oświetlenia, w aplikacjach, gdzie wymagane są elektroniczne stateczniki oraz także w zasilaczach i konwerterach. Pozwalają na to wydajne tranzystory mocy N-MOSFET 600 V/8 A z R_DS(on) 320 mΩ oraz możliwość użycia układu w stopniu pełnomostkowym i jako oddzielne i niezależnie sterowane dwa półmostki.

Do chłodzenia wystarczy odpowiednio zaprojektowania płytka drukowana z polami miedzi działającymi jak radiator po obu stronach laminatu oraz z przelotkami umieszczonymi koło metalowych wkładek termicznych obudowy VFQFPN. Wysoka sprawność oznacza nie tylko brak ciężkiego radiatora, ale też konstrukcję bardziej zwartą elektrycznie, a więc mniej promieniującą zaburzenia. Chłodzenie w ten sposób pozwala na obciążanie mostka prądem do 2 A, a więc współpracę z silnikami o mocy do około 400 W.

Ważną częścią mostkowych stopni mocy jest sterownik bramek, który musi zapewniać szybkie przełączenie tranzystorów, wymagane do pracy z dużą częstotliwością i małymi stratami (pełne nasycenie). W mostku trzeba też zapewnić jednakowe czasy propagacji po to, aby nie dopuścić do przepływu prądu skrośnego. O ile z dolnymi tranzystorami nie jest to kłopotliwe, bo mają one źródła na poziomie masy, o tyle górne wymagają już "pływającego" drivera, którego poziom odniesienia stanowi wyjście mostka.

Rozwiązać trzeba też problem zasilania dla górnego drivera, gdyż aby całość działała prawidłowo, napięcie na bramce górnych tranzystorów w stanie załączenia musi przekraczać o kilkanaście woltów napięcie zasilania. Ten problem rozwiązuje się obwodem bootstrapu z diodą dołączoną do wyjścia mostka i kondensatorem, który tworzy pomocniczy zasilacz dla górnego drivera. W PWD13F60 zaimplementowano cztery drivery i diody bootstrapu zapewniające idealną symetrię sterowania kluczami.

Dodatkowy układ zabezpieczający blokuje sprzętowo możliwość otwarcia górnych i dolnych kluczy jednocześnie. Stan taki oznaczałby przepływ prądu skrośnego natychmiast niszczącego tranzystory mocy, dlatego algorytm sterujący podczas tworzenia obwiedni przebiegów oraz sterowniki bramek projektuje się tak, aby zapewnić minimalny czas przerwy (tzw. czas martwy) pomiędzy załączeniem górnego i dolnego tranzystora. Niemniej zawsze może się zdarzyć błąd w oprogramowaniu, nieprzewidziany reset lub zakłócenie działania na skutek EMI, stąd obecność dodatkowego obwodu ochronnego jest sporą zaletą.

Wejścia cyfrowe mają też histerezę i wbudowane rezystory podciągające do zasilania, co zabezpiecza przed powstaniem stanu nieustalonego w momencie włączenia zasilania, gdy np. wyjścia mikrokontrolera są w stanie wysokiej impedancji. Wówczas bezpiecznie jest mieć wszystkie tranzystory wyłączone.

Wejściowe obwody logiczne współpracujące z mikrokontrolerem akceptują napięcia logiki od 3,3 do 15 V, a sam układ drivera jest zasilany napięciem 6,5-19 V. Zabezpieczenia zbyt niskim i wysokim napięciem zasilania UVLO blokują pracę poniżej 6 V, gdyż mogłoby to skutkować niepełnym nasyceniem kluczy. Producent wycenia koszt PWD13F60 na 2,65 dol. przy partii 1000 sztuk.