Igbt a conduzione inversa per il condizionamento d’aria

MOSFET & IGBT –

Le più recenti tecnologie dei semiconduttori di potenza garantiscono agli inverter utilizzati negli impianti dell’aria condizionata un elevato rendimento a costi ridotti.

La domanda di energia nel mondo è in forte aumento, e gran parte di questa proviene dagli impianti di condizionamento d'aria che per assicurare la necessaria efficienza devono essere realizzati utilizzando moderni semiconduttori di potenza. Infineon offre un ampio portafoglio di chip per il risparmio energetico per l'intera catena dei dispositivi di elettronica di potenza per sistemi di condizionamento d'aria. Per permettere agli ingegneri un rapido accesso all’utilizzo dei dispositivi, la società ha sviluppato un reference design che controlla il compressore e il ventilatore con una Bom minima per realizzare un controllo efficace e potente per il sistema di condizionamento d'aria. Il reference design è suddiviso in una sezione inverter e una sezione di controllo realizzate su due diversi circuiti stampati. Questo permette all'utente di scambiare diversi controller e adottare le soluzioni di controllo esistenti. Il reference design utilizza i controlli standard del settore con una soluzione single-shunt per abbassare il consumo di energia e aumentare le funzionalità di comfort. Nei sistemi di condizionamento d'aria l'utilizzo di macchine a induzione è abbastanza comune, ma di solito funzionano con una velocità costante. In questo caso sono impiegati inefficienti sistemi di switching meccanico dalla semplice implementazione. L'impiego di macchine sincrone con magneti permanenti assieme a diverse architetture del compressore ha permesso non solo una riduzione delle dimensioni del sistema, ma anche una maggiore silenziosità e un aumento di efficienza.

Semiconduttori innovativi
per i sistemi di condizionamento dell'aria

Una tendenza recente è l'utilizzo di dispositivi elettronici di potenza sotto forma di prodotti discreti progettati per applicazioni specifiche. Negli ultimi anni sempre più moduli sono stati installati nei motori inverter per condizionatori grazie al design semplificato per la procedura e alla facilità di produzione. A causa di una strategia di approvvigionamento da più fonti e alla flessibilità nella scelta delle diverse sezioni dei semiconduttori, la tendenza ora sta andando nella direzione opposta consentendo una riduzione dei costi grazie all’utilizzo di dispositivi discreti. Microcontrollori, driver e semiconduttori di potenza possono essere organizzati nella configurazione desiderata. Oltre alla selezione dei dispositivi migliori, particolare attenzione deve essere prestata al design termico e alla fattibilità su scala industriale dei circuiti stampati. Per aiutare i clienti in questo processo è stato rilasciato l’Inverter Kit Aria Condizionata, per guidare gli ingegneri alla realizzazione di un sistema ottimizzato nel prezzo e nelle prestazioni. Si può controllare con una sola scheda Pcb un compressore fino a 1,2 kW e un ventilatore (200 W). Il sistema può funzionare con tensione di rete a 110 e 230 V e offre la possibilità di utilizzare diverse schede a microcontrollore esterne a seconda delle specifiche esigenze: un controllore a 8 bit (XC-878) che può gestire il Pfc (Power Factor Correction) e un singolo motore, oppure un più sofisticato controllore a 16 bit (XE-164) in grado di gestire due motori e il Pfc. In un inverter per aria condizionata si utilizza una configurazione a ponte trifase che utilizza 6 Igbt e 6 diodi di ricircolo: l’Igbt è il componente preferito perché permette alta densità di potenza (piccoli chip, piccoli package e quindi basso costo), ha basse perdite di conduzione e un buon comportamento in commutazione del diodo anti-parallelo. La più recente tecnologia Igbt Trenchstop sostituisce ormai quelle convenzionali (non-punch-through e punch-through) in tutte le classi di potenza e diverse frequenze di commutazione e garantisce eccellenti prestazioni in termini di perdite complessive di potenza, comportamento Emc e rapporto fra costo ed efficienza. Di solito gli Igbt utilizzati nei sistemi a inverter impiegano un diodo freewheeling che è integrato in una soluzione duo-pack con due chip in un unico package. La nuova tecnologia RC-drive di Infineon integra questo diodo monoliticamente nella stessa struttura Igbt. L'integrazione monolitica consente una riduzione del silicio fino al 40% rispetto alla comune soluzione duo-chip. Ciò permette l'utilizzo di package più piccoli per la stessa classe di corrente. Un tipico TO-220 o un D ²-Pak possono essere sostituiti dai più piccoli I-Pak o D-Pak. Arrivando a un minore ingombro sul circuito stampato si ha un conseguente risparmio di spazio e di costi. Il reference design utilizza dispositivi da 15 A per il compressore e da 4 A per le ventole, entrambi montati con componenti Smd. Di solito si utilizzano frequenze di commutazione tra 5 kHz e 16 kHz per questi stadi degli inverter, visto che salire con la frequenza di commutazione comporta sempre un sacrificio in termini di prestazioni a causa delle perdite switching. Per il compressore si usano 5 kHz e per la ventola 16 kHz; la frequenza di commutazione degli Igbt, programmabile dal microcontrollore, deve essere ottimizzata in base a diverse esigenze: una frequenza più alta permetterebbe una riduzione dei filtri di uscita e quindi un vantaggio in costo, però comporterebbe al tempo stesso il rischio di entrare nella regione di rumore udibile, fattore importante per un uso domestico, e un aumento della dissipazione di potenza. La tecnologia di RC-drive offre perdite di conduzione molto bassa e anche le perdite di commutazione sono limitate, con un comportamento di accensione e spegnimento molto morbido per abbassare l'Emc. La più recente generazione HighSpeed 3 porta la tecnologia Igbt nel mondo della commutazione ad alta velocità dei sistemi Pfc. La sostituzione, competitiva in termini economici, di Mosfet planari con l'Igbt consente un ulteriore risparmio sui costi e rende più facile la decisione di utilizzare un Pfc attivo nel sistema. In combinazione con i più recenti diodi SiC in tecnologia ThinQ! Si può ottenere un'efficienza di circa il 97% con sistemi convenzionali boost Pfc a 67 kHz. Se si preferisce l’uso di frequenze di commutazione più basse, ad esempio 40 kHz, la scelta giusta sono i diodi standard. Questi diodi di potenza basati su emettitore controllato sviluppati da Infineon permettono di ridurre il costo per i dispositivi di potenza, a fronte di un aumento delle dimensioni dei componenti passivi. La funzione Pfc sulla scheda è realizzata in due modi: un IC Pfc si trova direttamente sulla scheda ed è in grado di fornire rapidamente le funzionalità necessaria; in alternativa la funzione Pfc può essere fornita dal microcontrollore collocato sulla scheda esterna.

Algoritmi di controllo ottimizzati
Per un determinato controllo open loop delle macchine sincrone la commutazione trapezoidale o a blocchi con l'utilizzo di elementi di hall o di rilevamento back Emf provoca rumore sopratutto alle velocità più basse e limita ulteriormente la velocità massima. Il controllo di tipo Foc (Field oriented control) garantisce un’alta efficienza generale del sistema dovuta a correnti sinusoidali con ridotta ondulazione di coppia su una vasta gamma di velocità. Per un avvio rapido un tool-chain completo è compreso nel kit di valutazione. Il Foc è implementato per entrambi gli inverter utilizzando un ciclo loop di feedback basato su single-shunt.

Concetti di termica
per impianti di condizionamento dell'aria

La rimozione della perdita di dissipazione dei semiconduttori di potenza è una questione chiave nella progettazione dei sistemi. Se si utilizza la tecnologia Tht (through-hole), l'eliminazione della perdita di dissipazione può essere realizzata in modo relativamente semplice. Per il profilo Tht si utilizzano dissipatori, che sono isolati dall'Igbt da un film conduttore di calore e che sono tagliati sui componenti. Il trasferimento di calore con questa tecnologia è molto efficiente, ma i costi di produzione sono molto elevati. Un'alternativa ai componenti Tht è l'uso di dispositivi Smd, che sono generalmente facili da integrare nel processo di produzione e non richiedono un intervento manuale. I semiconduttori di potenza possono essere messi in contatto con il dissipatore di calore attraverso vari metodi. Soluzioni pulite per il contatto sono costituite da materiali Ims (Insulated metal substrates), per i quali si utilizza l'alluminio come materiale di interfacciamento termico, che offre una conducibilità termica significativamente migliore rispetto al materiale standard FR4. Nel settore degli elettrodomestici “bianchi”, questi materiali non sono molto comuni a causa dei costi elevati. Per una buona dissipazione di calore dei package Smd Infineon raccomanda l'utilizzo di Pcb FR4 a due strati con Via (Vertical Interconnect Access) termici. Un buon accoppiamento termico della struttura Igbt al dissipatore di calore si ottiene quando si utilizzano Via con 200 micron di diametro. Questi condotti risulteranno quasi completamente chiusi durante il processo di fabbricazione del circuito tramite elettrolisi del rame, permettendo quindi un’ottima conduzione del calore attraverso il Pcb, e offrono una buona alternativa a incisioni in rame puro. I Via possono essere distribuiti su tutta la superficie Igbt perché il materiale di saldatura non è più estratto dal package Smd. Sono anche possibili condizioni per la produzione di Via di grandi dimensioni; Infineon raccomanda una serie di Via al di fuori del leadframe. Il composto isolante del Pcb per il dissipatore di calore è possibile per una vasta gamma di pellicole autoadesive per la conduzione del calore.

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