Potenza integrata

APERTURA SEMIKRON_Pressephoto_SEMiX-PF_2015-09-28

Per distinguersi nel mercato per convertitori di frequenza, oggi ci vuole molto di più che dei “semplici” moduli semiconduttori di potenza ad alta affidabilità: la chiave di tutto è l'innovazione. Semikron offre la famiglia di prodotti MiniSkiiP per inverter compatti fino a 90 kW. Attualmente, lo standard per le applicazioni con potenze medio-alte si basa su package da 17 mm, una soluzione che garantisce un compatto allineamento dei terminali Ca e Cc nonché una connessione diretta del driver. Per quanto riguarda i nuovi progetti di inverter, le principali limitazioni in termini di costi, dimensioni e prestazioni derivano dalla complessità d'integrazione degli indispensabili sensori aggiuntivi. Il problema è stato risolto grazie all'introduzione dei nuovi moduli Semikron da 17 mm di altezza, dotati di resistenze di shunt integrate. Il modulo SEMiX 3 Press-Fit Shunt, combinato con un driver Plug and Play, offre tutti i vantaggi della versione standard ed evita la presenza di qualsiasi collegamento esterno per la misura e il monitoraggio della corrente, contribuendo a ridurre i costi e a migliorare l'affidabilità.


Bassa potenza
La gamma di potenza fino a 90 kW è dominata dalla famiglia MiniSKiiP. La soluzione MiniSkiiP, che prevede un modulo di alimentazione basato su piastra, rappresenta uno dei prodotti Semikron di maggior successo, con più di 30 milioni di unità attualmente installate. Nella gamma di potenza da 1,5 fino a 90 kW, MiniSKiiP costituisce ormai uno standard industriale, soprattutto per quanto riguarda gli azionamenti compatti. MiniSkiiP è basato su una tecnologia a molle che offre un montaggio semplice e rapido: per collegare contemporaneamente il modulo, il circuito stampato e il dissipatore di calore, è sufficiente una sola vite. Il montaggio e il rimontaggio dei moduli di potenza MiniSkiiP non richiedono attrezzature aggiuntive, garantendo un beneficio determinante rispetto alle soluzioni a saldare o in tecnologia Press-Fit. L’approccio MiniSKiiP permette anche di utilizzare in produzione lo stesso processo di assemblaggio per tutto l’intervallo di potenze che va 1,5 KW fino a 90 KW.

Media e alta potenza
La gamma di media e alta potenza è dominata dai prodotti SEMITRANS e SEMiX, da utilizzare in combinazione con i moduli a ponte raddrizzatore SEMIPACK. La piastra di base utilizzata per questi tre moduli fornisce una migliore stabilità meccanica e migliora la dispersione di calore nel dissipatore. La piastra di base aiuta anche a compensare i sovraccarichi a breve termine. Grazie alla robustezza meccanica e al design a bassa induttanza, Semitrans continua a rappresentare lo standard di riferimento nei moduli di potenza con larghezze da 34 e da 62 mm. I moduli Semitrans sono offerti in versione half bridge, chopper e single switch da 600 a 1700 V, secondo una gamma di correnti da 50 a 900 A. Coerentemente alla piattaforma Semitrans, sono disponibili anche moduli di tiristori e diodi Semipack. Grazie a dei moduli con uguale altezza, la soluzione Semipack consente un'integrazione economicamente efficiente a livello di sistema dei ponti raddrizzatori, semplificando di conseguenza la realizzazione di configurazioni busbar. Semipack è disponibile secondo sei diverse dimensioni, in configurazioni a raddrizzatore controllato, semi controllato o non controllato, così come a diodo singolo o a tiristore singolo. Nelle classi di tensione da 200 a 2200 V, con correnti nominali fino a 1200 A, la famiglia Semipack garantisce la massima flessibilità e consente di realizzare circuiti raddrizzatori e caricatori del circuito intermedio per varie applicazioni. La famiglia Semix con altezza di modulo di 17 mm è disponibile in versione Igbt a mezzo ponte e chopper in classi di tensione da 600 V a 1700 V e con correnti nominali dell’Igbt fino a 600 A, così come in versione 6 Pack fino a 450 A. I morsetti ausiliari sono in generale basati su una tecnologia a molla. Per la versione 6 Pack vengono utilizzati terminali a saldare, con correnti nominali superiori a 225 A. In combinazione ai moduli raddrizzatori Semix con corrente nominale fino a 500 A, è possibile definire un pacchetto ideale in termini di altezza e prestazioni complessive. Negli ultimi anni, l'approvvigionamento multiplo ha assunto una crescente importanza, soprattutto per garantire la costante disponibilità dell'alimentazione. In linea con questa tendenza, Semikron ha introdotto la famiglia press-fit Semix 3, completamente compatibile con lo standard industriale. Semix 3 Press Fit è una variante speciale della famiglia Semix a mezzo ponte, ed è disponibile i versioni a 1200 e 1700 V con correnti nominali da 300 a 600 A. Semix 3 Press fit differisce da altri moduli Semix proprio per la presenza di pin press-fit sulla connessione ausiliaria. Grazie alle resistenze shunt opzionali, inserite nel percorso della corrente alternata, i moduli Semix 3 Press Fit offrono un livello d’integrazione supplementare che li distingue dagli altri prodotti sul mercato. Negli inverter utilizzati negli azionamenti industriali ciò assicura un vantaggio importante.

Convertitori di frequenza
Oggi, i convertitori di frequenza possono essere considerati dei prodotti commodity. Tutti gli inverter di frequenza soddisfano dei requisiti minimi comuni, sono facilmente sostituibili e raggiungono standard di qualità simili. La differenziazione potrebbe riguardare soprattutto le dotazioni destinate ad esigenze applicative specifiche. Altri elementi importanti, inoltre, sono il costo del modulo e il tempo di sviluppo complessivo. Considerando la distinta dei componenti di un convertitore di frequenza nell'intervallo da 75 kW fino a 160 kW, i sensori di corrente, il cavo di collegamento e la relativa alimentazione rappresentano una porzione importante dei costi complessivi associati ai materiali. A parte i costi dei componenti reali, che è fortemente dipendente dalla gamma di corrente e dalla larghezza di banda del segnale, un fattore di costo ulteriore è lo spazio richiesto per l'installazione. L’ingombro infatti contribuisce a condizionare i costi di assemblaggio e il tempo di processo. Utilizzando moduli di potenza con sensori di corrente integrati in alternativa ai componenti separati esterni, il design dell'inverter può essere reso più compatto. I sensori di corrente sono collegati tramite contatti press-fit aggiuntivi. Ciò significa che i sensori vengono collegati automaticamente durante l’assemblaggio della scheda driver. Il resistore shunt integrato offre il vantaggio aggiuntivo di garantire una bassa dipendenza dalla temperatura e un'elevata linearità. A causa delle dimensioni contenute della resistenza, lo spazio richiesto per integrare i resistori nel modulo di potenza è piuttosto ridotto. Quindi, il modulo di alimentazione rimane completamente compatibile con il press-fit Semix 3 standard, indipendentemente dal fatto che il resistore shunt sia incluso o meno. Nei confronti delle sovracorrenti, le resistenze di shunt offrono un comportamento più efficace rispetto ad altre soluzioni, garantendo un tasso di guasto decisamente ridotto.

Nuove sfide
Al di là dei vantaggi menzionati, legati all'integrazione del sensore di corrente, occorre affrontare le seguenti sfide in quanto le resistenze shunt non presentano alcun isolamento galvanico tra la tensione del circuito intermedio e il corrispondente pin press fit. Ciò significa che la tensione deve essere isolata e digitalizzata già prima che il controllore possa elaborare il segnale. Il driver SKYPER 12 Press-Fit di Semikron rappresenta un'estensione della famiglia Skyper appositamente progettata per colmare questa lacuna. Questo driver plug-and-play basato su Asic offre un controllo sicuro e ottimizzato all'interno della zona di sicurezza operativa e un isolamento rinforzato per i segnali di shunt, per la tensione del circuito intermedio e per il sensore di temperatura integrato. Combinando la tensione di alimentazione richiesta e le funzioni aggiuntive di gestione del segnale/errore in due Asic digitali, il numero di componenti individuali del driver può essere ridotto di circa il 30%, garantendo un aumento del tempo di vita, a seconda del profilo di carico, che può toccare il 20%. In questi Asic digitali, non vengono utilizzati componenti di filtraggio analogico. Questo ha un effetto positivo sul tempo di propagazione assoluto del segnale. Inoltre, il ritardo tra i diversi segnali scende a meno di 30 ns. Per il collegamento al sistema di controllo di livello superiore viene utilizzata un'interfaccia seriale Uar che rende il segnale più immune alle interferenze elettromagnetiche. Un ulteriore vantaggio legato a questo pacchetto di driver è la riduzione del tempo di sviluppo totale. Grazie alla perfetta corrispondenza tra Skyper 12 Press-Fit Pro e Semix 3 Press-Fit Shunt è possibile evitare lunghi e costosi cicli di progettazione. Durante la produzione degli inverter, tutta l'elettronica di comando può essere assemblata in un unico passaggio quando il driver viene premuto nei pin press-fit. Tale elettronica prevede il monitoraggio di tensione, corrente e temperatura: in tal modo, l'inverter presenta una singola interfaccia senza schede controller aggiuntive, assicurando un costo più contenuto e una migliore qualità. L'ultimo passaggio per un’ulteriore integrazione riguarda l'applicazione di un materiale a cambiamento di fase direttamente sul modulo Semix 3 Press-Fit. Il Pcm è solido a temperatura ambiente e garantisce un trasferimento termico ottimale tra il modulo di potenza e il dissipatore di calore. Un profilo di stampa speciale e un processo di serigrafia collaudato assicurano una perfetta distribuzione e uno spessore uniforme del materiale. Grazie alla superficie solida a temperatura ambiente, il materiale a cambiamento di fase offre - rispetto alle paste termiche viscose - dei notevoli vantaggi durante il trattamento di produzione. Inoltre il materiale Pcm presenta una resistenza termica inferiore del 10%, valore che può essere sfruttato sia per abbassare la temperatura del giunto durante il funzionamento (con conseguente maggior durata del modulo) sia per aumentare la corrente di uscita risultante (con una densità di potenza più elevata). Il modulo Semix Press Fit Shunt combinato con Skyper Press Fit Pro e con il materiale a cambiamento di fase, offre un vantaggio sistemistico eccezionale per quanto riguarda il costo totale, l'ingombro dell'inverter e i tempi di sviluppo.

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