כיצד לפשט את תכני דוחפי מנועים ומהפכים באמצעות מודולי IGBT

השימוש במנועים ובמהפכים ממשיך לגדול על פני יישומים כגון אוטומציה תעשייתית, רובוטיקה, רכבים חשמליים, אנרגיה סולארית, מכשירי חשמל ביתיים וכלי עבודה חשמליים. לצד גידול זה יש צורך בשיפור הנצילות, הורדת העלויות, הקטנת חתימת-השטח ופישוט התכן הכולל. למרות שזה מפתה לתכנן אלקטרוניקה להספק ומנועים ומהפכים בהתאמה-מיוחדת באמצעות טרנזיסטורים ביפולריים עם שער מבודד (IGBT) בדידים כך שיתאימו לדרישות ספציפיות, זה יכול להיות יקר בטווח הארוך ולעכב את לוחות הזמנים של התכנון.

במקום זאת, המתכננים יכולים להשתמש במודולי IGBT מן-המדף המשלבים מספר התקני הספק בתוך מארז אחד. מודולים כאלה תומכים בצורך של המתכננים לפתח מערכות קומפקטיות עם מינימום של חיברורים, ובכך מפשטים את ההרכבה, מקצרים את זמן היציאה לשוק, מקטינים את העלות ומשפרים את הביצועים הכוללים. בשילוב עם דוחפי IGBT מתאימים, מודולי IGBT מאפשרים פיתוח דוחפי מנועים ומהפכים יעילים עם יחס עלות-תועלת מיטבי.

מאמר זה מתאר בקצרה מנועים חשמליים ומהפכים ואת מעגלי הדחיפה ודרישות הביצועים הקשורים. לאחר מכן המאמר יבחן את היתרונות של שימוש במודולי IGBT ותקני מארזי מודולים שונים לפני הצגת אפשרויות דוחפי תכני מנועים ומהפכים המבוססים על מודולי IGBT ועל מעגלים-משולבים (IC) של דוחפים,מספקים כמו NXP Semiconductors‏, Infineon Technologies‏, Texas Instruments‏, STMicroelectronics‏ ו- ON Semiconductor‏, וכיצד ליישם אותם, כולל השימוש בלוחות הערכה.

סוגי המנועים ותקני הנצילות

תקן IEC/EN 60034-30‏ מחלק את נצילות המנועים ל- 5 קטגוריות, IE1‏ עד IE5‏. לאיגוד National Electrical Manufacturers Association‏ (NEMA‏) יש סולם דירוגים תואם, מנצילות 'סטנדרטית' ועד נצילות 'אולטרה-פרימיום' (איור 1‏). השימוש בדוחפים אלקטרוניים הוא הכרחי כדי לעמוד בתקני הנצילות הגבוהים יותר. מנועי אינדוקציה AC‏ עם דוחפים אלקטרוניים יכולים לעמוד בדרישות IE3‏ ו- IE4‏. מנועים יקרים יותר עם מגנט קבוע ודוחפים אלקטרוניים נחוצים כדי לעמוד ברמות הנצילות IE5‏.

איור 1‏: קטגוריות נצילות מנועים בהתאם לתקן IEC/EN 60034-30‏ (IE1‏ עד IE5‏) ודירוגי NEMA התואמים (נצילות סטנדרטית עד נצילות אולטרה-פרימיום). מנועי אינדוקציה AC עם FOC ודוחפים אלקטרוניים יכולים לעמוד בדרישות IE3 ו- IE4. מנועים עם מגנט קבוע נחוצים כדי לעמוד ברמות הנצילות IE5‏. (מקור התמונה: ECN‏)

הפיתוח של מיקרו-בקרים (MCU) בעלות נמוכה אפשר למתכננים להשתמש בבקרה וקטורית, הנקראת גם בקרה מוכוונת-שדה (FOC), שיטת בקרה של דוחף בתדר-משתנה (VFD) בה זרמי הסטטור של מנוע AC‏ תלת-פאזי מזוהים כשני רכיבים אורתוגונליים שניתן לראות כוקטורים. בקרי אינטגרל-פרופורציונלי (PI) יכולים לשמש כדי לשמור על רכיבי הזרם הנמדד בערכים הרצויים שלהם. אפנון רוחב-הפולס של ה- VFD מגדיר את מיתוג הטרנזיסטורים בהתאם לייחוסי מתח הסטטור שהם היציאות של בקרי הזרם PI‏.

פותח במקור עבור מערכות עם ביצועים עיליים, ה- FOC הופך ליותר ויותר אטרקטיבי עבור יישומים בעלות נמוכה יותר כמו גם הודות לגודל המנוע של ה- FOC, העלות הנמוכה יותר וצריכת ההספק הנמוכה יותר. בשל הזמינות ההולכת וגדלה של מיקרו-בקרים עם ביצועים עיליים בעלות נמוכה, ה- FOC מחליף יותר ויותר את בקרת וולט-להרץ (V/f‏) הסקאלרית עם משתנה יחיד וביצועים נחותים יותר.

ישנם שני סוגים עיקריים של מנועים עם מגנט קבוע הנמצאים בשימוש כיום, DC ללא-מברשות (BLDC) ומנועים סינכרוניים עם מגנט קבוע (PMSM‏). שני תכני מנועים מתקדמים אלו דורשים אלקטרוניקה להספק עבור דחיפה ובקרה.

מנועי BLDC הם עמידים, יעילים ועם יחס עלות-תועלת מיטבי. למנועי PMSM יש מאפיינים של מנועי BLDC עם רעש נמוך יותר ונצילות גבוהה יותר. שני סוגי המנועים משמשים בדרך כלל עם חיישני Hall אך ניתן להשתמש בהם גם בתכנים ללא-חיישנים. מנועי PMSM משמשים ביישומים הדורשים את רמות הביצועים הגבוהות ביותר, בעוד שמנועי BLDC משמשים בתכנים שהם יותר רגישים לעלות.

• מנועי BLDC
  • קלים יותר לבקרה (6 צעדים) ודורשים רק זרמי DC‏
  • אדוות מומנט בקומוטציה
  • עלות נמוכה יותר וביצועים נחותים יותר (בהשוואה ל- PMSM)
• מנועי PMSM
  • משמשים בדרך כלל בדוחפי סרוו עם אנקודר צירי משולב
  • בקרה מורכבת יותר (נחוץ PWM סינוסואידלי תלת-פאזי)
  • ללא אדוות מומנט בקומוטציה
  • נצילות גבוהה יותר, מומנט גבוה יותר
  • עלות גבוהה יותר וביצועים עיליים יותר (בהשוואה ל- BLDC)

סקירה כללית של מהפכים

הנצילות של מהפך מציינת כמה הספק כניסה DC מומר להספק AC‏ ביציאה. מהפכי גל סינוסי באיכות גבוהה מספקים נצילות של 95%‏-90. מהפכי גל סינוסי מותאם באיכות נמוכה יותר הם פשוטים יותר, יקרים פחות ועם נצילות נמוכה יותר, בדרך כלל 75-85%. מהפכי תדר-גבוה הם בדרך כלל עם נצילות גבוהה יותר לעומת תכנים בתדר נמוך. נצילות המהפך תלויה גם בעומס המהפך (איור 2). כל המהפכים דורשים דוחפים ופקדים אלקטרוניים.

במקרה של מהפכים פוטו-וולטאיים, ישנם שלושה סוגים של דירוגי נצילות:

• נצילות שיא מציינת את ביצועי המהפך ביציאת ההספק האופטימלית. היא מציגה את נקודת המקסימום עבור מהפך מסוים ויכולה לשמש כקריטריון לאיכותו (איור 2).
• הנצילות האירופית היא המספר המשוקלל בהתחשב בתדר הפעולה של המהפך ביציאות הספק שונות. לעיתים היא שימושית יותר מאשר נצילות השיא שכן היא מציגה את ביצועי המהפך ברמות יציאה שונות במהלך יום שמש.
• גם נצילות California Energy Commission‏ (CEC) היא נצילות משוקללת, בדומה לנצילות האירופית, אך היא משתמשת בהנחות שונות על גורמי השקלול.

ההבדל העיקרי בין הנצילות האירופית ל- CEC הוא שההנחות לגבי החשיבות של כל רמת הספק עבור מהפך מסוים מבוססות על הנתונים עבור מרכז אירופה במקרה הקודם, ועל אלו של קליפורניה במקרה האחרון.

איור 2‏: עקומת נצילות מהפך טיפוסית המציגה את הנקודה של נצילות השיא. (מקור התמונה: Penn State University‏)

יסודות ה- IGBT

הפונקציה הבסיסית של IGBT היא ההחלפה המהירה ביותר של זרמים חשמליים עם ההפסדים הנמוכים ביותר האפשריים. כפי שהשם מציין, IGBT הוא טרנזיסטור ביפולרי עם מבנה שער מבודד, כאשר השער עצמו הוא ביסודו MOSFET. לפיכך ה- IGBT משלב את היתרונות של יכולות נשיאת זרם גבוה ומתחים חוסמים גבוהים של טרנזיסטור ביפולרי עם הבקרה הקיבולית בהספק נמוך של ה- MOSFET‏. איור 3 מתאר איך MOSFET וטרנזיסטור ביפולרי משולבים מובילים ל- IGBT.

איור 3: מבנה עקרוני של IGBT המציג את ה- MOSFET היוצר את השער המבודד ואת מבנה הטרנזיסטור הביפולרי המהווה את מקטע הטיפול בהספק. (מקור התמונה: Infineon Technologies)

הפעולה הבסיסית של IGBT היא פשוטה: מתח חיובי _GE‏U‏ מהשער (G, באיור 3) לפולט (Emitter‏) (E) מפעיל את ה- MOSFET. לאחר מכן, המתח המחובר לקולט (Collector‏) (C) יכול לדחוף את זרם הבסיס דרך הטרנזיסטור הביפולרי וה- MOSFET; הטרנזיסטור הביפולרי מופעל וזרם העומס יכול לזרום. מתח _GE‏U‏ ≤ 0 וולט מכבה את ה- MOSFET, זרם הבסיס מתנתק והטרנזיסטור הבי-פולרי נכבה גם כן.

על אף שהעיקרון הוא פשוט, פיתוח חומרה לבקרת ה- IGBT - דוחף שער - יכול להיות משימה מורכבת בשל מספר ניואנסי ביצועים בהתקנים ובמעגלים הממשיים. במרבית המקרים זה לא הכרחי. יצרני מוליכים-למחצה מציעים דוחפי שער מתאימים עם מגוון רחב של פונקציות ויכולות כפתרונות משולבים. מכאן חשיבות ההתאמה של מודולי IGBT לדוחפי שער מתאימים.

מודולי IGBT מוצעים במגוון רחב של מארזים (איור 4). הגדלים הגדולים ביותר מדורגים עבור 3,300 וולט ומעלה ומיועדים לשימוש במתקני מגה-וואט כמו מערכות אנרגיה מתחדשת, ספקי-כוח אל-פסק (UPS‏) ודוחפי מנוע גדולים ביותר. מודולים בגודל בינוני מדורגים בדרך כלל בין 600 ל- 1700 וולט עבור מגוון של יישומים, כולל רכבים חשמליים, דוחפי מנועים תעשייתיים ומהפכים סולאריים.

איור 4‏: מודולי IGBT מוצעים במגוון רחב של מארזים. דירוגי מתח טיפוסיים הם מ- 600 וולט עד 3,300 וולט. (מקור התמונה: Fuji Electric‏)

ההתקנים הקטנים ביותר נקראים מודולי הספק משולבים והם מדורגים ל- 600 וולט ויכולים לכלול דוחפי שער מובנים ורכיבים אחרים עבור דוחפי מנועים במערכות תעשייתיות קטנות יותר ובמוצרים ביתיים לצרכנים. רכיבי IGBT פועלים ברמות הספק גבוהות יותר ובתדרי מיתוג נמוכים יותר בהשוואה לסוגים אחרים של רכיבי מיתוג הספק (איור 5).

איור 5‏: תחום ההספקים לעומת תדרי המיתוג עבור התקני מיתוג הספק נפוצים (מקור התמונה: Infineon Technologies)

לוח הערכה למודולי IGBT עבור מהפכי הינע

עבור מתכנני מהפכי הינע במתח גבוה, חברת NXP Semiconductors מציעה את לוח הערכת ניהול הספקת-הכוח של דוחף השער FRDMGD3100HBIEVM באמצעות מעגל-משולב (IC‏) של דוחף שער חצי-גשר IC33GD3100A3EK‏. לוח הערכה זה תוכנן במיוחד לשימוש עם מודול IGBT‏ FS820R08A6P2BBPSA1 מבית Infineon (איור 6). זהו פתרון שלם הכולל מעגלים-משולבים (IC) של דוחפי שער חצי-גשר, קבל DC Link ולוח מתרגם עבור חיבור למחשב אישי המספק את אותות הבקרה. יישומי היעד כוללים:

• מנועי הינע וממירי DC/DC למתח גבוה עבור רכבים חשמליים
• מטענים על-הרכב וחיצוניים עבור רכבים חשמליים
• יישומי בקרת מנועי AC‏ במתח גבוה אחרים

איור 6‏: תרשים של לוח ההערכה לניהול הספקת-כוח ודוחף שער FRDMGD3100HBIEVM‏ מבית NXP מחובר למודול IGBT‏ FS820R08A6P2BBPSA1‏ מבית Infineon המציג את ה- MC33GD3100A3EK‏, מעגלים-משולבים (IC) של דוחפי שער חצי-גשר, קבל DC Link ולוח המתרגם עבור החיבור למחשב אישי המספק את אותות הבקרה. (מקור התמונה: NXP Semiconductors)

הדוחף עבור מודולי IGBT‏ של 17 מ"מ x‏ 62 מ"מ x‏ 150 מ"מ

עבור מתכנני דוחפי מנועים, מהפכים סולאריים, מטעני EV ו- HEV‏, טורבינות רוח, תחבורה ומערכות ספקי-כוח אל-פסק (UPS‏), חברת Texas Instruments פיתחה את ה- ISO5852SDWEVM-017‏ (איור 7‏). זהו לוח דוחפי שער מבודד קומפקטי עם שני ערוצים המספק דחיפה, ממתחים הגנה ודיאגנוסטיקה הנחוצים עבור מודולי MOSFET‏ סיליקון קרביד (SiC) חצי-גשר ומודולי IGBT סיליקון הנתונים במארז סטנדרטי של 150 מ"מ × 62 מ"מ × 17 מ"מ. לוח EVM‏ זה מבית TI מבוסס על המעגל-המשולב (IC‏) של דוחף עם בידוד מחוזק ISO5852SDW‏ 5,700 וולט RMS‏ במארז SOIC-16DW‏ עם Creepage‏ ו- Clearance‏ של 8.0 מ"מ. ה- EVM כולל ספקי-כוח ממתח שנאי DC/DC מבודדים מבוססי-SN6505B‏.

איור 7‏: לוח דוחף שער מבודד עם שני ערוצים ISO5852SDWEVM-017‏ מבית Texas Instruments המורכב על גבי מודול IGBT‏ של 150 מ"מ ×‏ 62 מ"מ. (מקור התמונה: Texas Instruments)

לוחות הערכה עבור מודולי הספקת-כוח חכמים

חברת STMicroelectronics מציעה את לוח ההערכה לבקרת מנועים תלת-פאזיים 2,000 וואט STEVAL-IHM028V2‏ (איור 8) הכולל את מודול הספקת-הכוח החכם IGBT‏ STGIPS20C60‏. לוח ההערכה הוא ממיר DC/AC המייצר צורות גל עבור דחיפת מנועים תלת פאזיים כגון מנועי אינדוקציה או מנועי PMSM עד 2000 וואט ב- HVAC (מזגנים), מכשירי חשמל ביתיים וכלי עבודה חשמליים חד-פאזיים מתקדמים. המתכננים יכולים להשתמש בלוח EVB זה כדי ליישם תכני FOC עם מנועי AC‏ תלת-פאזיים.

החלק העיקרי של EVM זה הוא תכן אוניברסלי מוערך ומאוכלס במלואו הכולל גשר מהפך תלת-פאזי המבוסס על מודול הספקת-כוח חכם IGBT‏ 600 וולט במארז SDIP 25L‏ המורכב על צלעות הקירור. מודול הספקת-הכוח החכם משלב את כל מתגי IGBT להספק עם דיודות Freewheeling ביחד עם דוחפי שער למתח גבוה. רמת אינטגרציה זו חוסכת מקום בלוח ה- PCB ועלויות הרכבה ותורמת לאמינות משופרת. הלוח מתוכנן להיות תואם למתח רשת חד-פאזי, המספק בין 90 ל- 285 וולט AC, וגם תואם לכניסות של 125 עד 400 וולט DC.

איור 8‏: לוח הערכה למוצר STEVAL-IHM028V2‏ מבית STMicroelectronics עם FOC‏. לוח זה יכול לשמש להערכת מגוון רחב של יישומים כגון HVAC (מזגנים), מכשירי חשמל ביתיים וכלי עבודה חשמליים חד-פאזיים מהרמה-העליונה. (מקור התמונה: STMicroelectronics)

לוח ההערכה 850 וואט מטפל במספר סוגי מנועים

חברת ON Semiconductor מציעה את לוח ההערכה SECO-1KW-MCTRL-GEVB‏ המאפשר למתכננים לבקר את סוגים שונים של מנועים (מנוע אינדוקציה AC‏, PMSM, BLDC) באמצעות אלגוריתמי בקרה שונים, כולל FOC, הממומשים באמצעות מיקרו-בקר שניתן לחבר פסי-פינים Arduino Due‏ (איור 9‏). הלוח מתוכנן לשימוש עם Arduino DUE (פס-פינים תואם) או עם לוח בקר דומה עם מיקרו-בקר. הלוח הושק כדי לתמוך במפתחים במהלך הצעדים הראשונים שלהם בתכנון יישומים עם מודולי הספק משולבים ותיקון גורם הספק. הוא מיועד לשימוש על ידי מתכנני משאבות ומאווררים תעשייתיים, מערכות אוטומציה תעשייתיות ומכשירי חשמל לצרכנים.

איור 9‏: דיאגרמת בלוקים של לוח ההערכה SECO−1KW−MCTRL−GEVB‏ מבית ON Semiconductor‏ (מקור התמונה: ON Semiconductor‏)

לוח הערכה זה מבוסס על ה- NFAQ1060L36T‏ (איור 10), דרגת הספק מהפך משולב הכולל דוחף מתח גבוה, שישה רכיבי IGBT ותרמיסטור, והוא מתאים עבור דחיפת מנועי אינדוקציה AC‏, PMSM ו- BLDC. רכיבי ה- IGBT מוגדרים כגשר תלת-פאזי עם חיבורי פולט (Emitter) נפרדים לרגליים התחתונות עבור גמישות מקסימלית בבחירת אלגוריתם הבקרה. לדרגת ההספק יש מגוון שלם של פונקציות הגנה כולל הגנת הולכה-צולבת, כיבוי חיצוני ונעילת תת-מתח. משוון פנימי וייחוס המחוברים למעגל הגנת זרם-יתר מאפשרים למתכננים להגדיר את רמת ההגנה שלו.

איור 10‏: דיאגרמת בלוקים פונקציונליים של מודול ההספק המשולב NFAQ1060L36T מבית ON Semiconductor‏ (מקור התמונה: ON Semiconductor‏)

של סיכום המאפיינים של מודול ההספק המשולב NFAQ1060L36T:

• מודול IGBT‏ תלת-פאזי 10 אמפר/600 וולט עם דוחפים משולבים
• מארז DIP קומפקטי של 29.6 מ"מ x‏ 18.2 מ"מ
• הגנת תת-מתח מובנית
• הגנת הולכה צולבת
• כניסת ITRIP‏ כדי לכבות את כל רכיבי ה- IGBT
• דיודות ונגדי Bootstrap משולבים
• תרמיסטור עבור מדידת טמפרטורת המצע
• פין כיבוי
• הרשאת UL1557‏

סיכום

תכנון אלקטרוניקה להספק ומנועים ומהפכים בהתאמה-מיוחדת באמצעות רכיבי IGBT בדידים כך שיתאימו לדרישות ספציפיות יכול להיות יקר בטווח הארוך ולעכב את לוחות הזמנים של התכנון. במקום זאת, המתכננים יכולים להשתמש במודולי IGBT מן-המדף המשלבים מספר התקני הספק בתוך מארז אחד. מודולים כאלה תומכים בצורך של המתכננים לפתח מערכות קומפקטיות עם מינימום של חיברורים, ובכך מפשטים את ההרכבה, מקצרים את זמן היציאה לשוק, מקטינים את העלות ומשפרים את הביצועים הכוללים.

כפי שהוצג, המתכננים יכולים להשתמש במודולי IGBT עם דוחף IGBT מתאים כדי לפתח דוחפי מנועים ומהפכים קומפקטיים ועם יחס עלות-תועלת מיטבי העומדים בתקני ביצועים ויעילות.

המלצות לקריאה נוספת

1. מימוש מהיר של תכני בקרת מנועים באמצעות מעגל-משולב (IC) של דוחף עם מיקרו-בקר משולב
2. השימוש בדוחפי IGBT בזרם גבוה עם הגנה מובנית לבקרת מנועים תעשייתיים אמינה