Un circuito Fpga per erogare elettronica di potenza

MOSFET & IGBT –

Lo sviluppo di inverter presuppone che le unità di controllo e di potenza interagiscano agevolmente. Le prestazioni più elevate si possono ottenere associando un software sofisticato a semiconduttori di ultima generazione e a un innovativo controllo termico.

La base del successo di un atleta è l’uso ottimizzato e l’interazione di cervello e muscoli. Quando si costruisce un inverter per applicazioni in mobilità, si presenta la stessa sfida, ossia riuscire ad associare perfettamente le capacità mentali a quelle fisiche. Condizione particolarmente vera, se si deve tener conto di ulteriori funzionalità, oltre all’azionamento di motori e generatori. Nel caso di applicazioni in mobilità o azionamenti decentrati, il concept di Vectopower è in grado di gestire un gran numero di requisiti quali: connessione alla rete elettrica; convertitore in c.a./c.c., anche bidirezionale; connessione bidirezionale a batterie o condensatori; creazione di reti di alimentazione elettrica o di reti separate.  Se si considerano le questioni economiche, la logistica e in particolare l’approvvigionamento a livello mondiale di parti di ricambio, si rende necessario un concetto avanzato. La chiave è fornire un hardware comune per qualsiasi compito possibile e avvalersi di un software o di parametri appropriati per ottenere qualsiasi funzionalità si desideri. Un obiettivo raggiungibile senza compromessi, se si considerano da vicino alcuni importanti aspetti.

L’Fpga con funzione
di centro di controllo

Disporre della stessa topologia, con sei Igbt installati per supportare un gran numero di applicazioni che si estendono dal controllo motore ai convertitori c.a./c.c., rende un circuito Fpga una soluzione di regolazione allettante. Un vantaggio speciale si crea se l’Fpga genera la sequenza di impulsi per i transistori ed elabora anche i circuiti di regolazione ad alta velocità, in particolare la regolazione della corrente. L’Fpga della presente applicazione analizza tre misurazioni della tensione e della corrente, esegue gli algoritmi di regolazione e genera i segnali di comando per i transistori. Il tempo di ciclo si riduce a 2 µs.

Alta velocità in termini
di funzionalità
e protezione


Da un lato un’ampia gamma di caratteristiche funzionali unita a una regolazione veloce e sensibile, dall’altro, specialmente per le applicazioni mobili, le particolari esigenze di protezione. In aggiunta, si devono considerare un ampio range di temperature, forti sollecitazioni meccaniche, elevate esigenze in merito a stabilità del ciclo termico e variazioni del carico elettrico, per tacere della necessità di un funzionamento in condizioni di sicurezza con una tensione di sistema variabile.

La massimizzazione
dell’utilizzo
dei semiconduttori


In condizioni di corto circuito o di analogo elevato sovraccarico deve verificarsi un’adeguata reazione all’interno di pochi µs. Di solito si dovranno considerare eventi termici intrinsechi al semiconduttore quale conseguenza della variazione del carico nell’ordine di millisecondi. La conoscenza dettagliata e più accurata possibile del semiconduttore in uso è vincolante. Metodi sofisticati e calcoli modellistici sono eseguiti in tempo reale all’interno del circuito Fpga. A seconda dell’applicazione e del punto di funzionamento, ciò consente un incremento nell’ordine massimo del 20% della potenza d’uscita dallo stesso semiconduttore; sicuramente un vantaggio per l’applicazione, sia dal punto di vista economico che per le dimensioni e il peso, specialmente se si ottiene contemporaneamente una protezione avanzata rispetto a condizioni operative estreme. Un pre-requisito per soddisfare la totalità delle richieste è un circuito di regolazione della corrente deterministico, prevedibile e abbastanza veloce da impedire sovraoscillazioni nella corrente di carico, perfino nelle variazioni più estreme. A questo particolare requisito non si può rispondere con comuni processori. Pertanto, la soluzione presentata è basata su un circuito Fpga, che gestisce parecchi processi in parallelo ricorrendo a macchine di stato di grande robustezza.

Le costanti di tempo
per incrementare

la potenza di picco


Specialmente gli azionamenti richiedono un’elevata potenza di picco per pochi secondi. Modificare al volo la frequenza Pwm, perfino durante il controllo attivo di coppia, consente di ottenere una maggiore potenza di picco. L’uso di Igbt più piccoli è quindi un’alternativa possibile, che porta una riduzioni dei costi. La scelta di un’adeguata frequenza Pwm va considerata un’ottimizzazione che tiene conto di diversi parametri. Le frequenze Pwm maggiori comportano una diminuzione delle perdite nel motore a causa di una riduzione delle correnti di ripple. Contemporaneamente si verificano però perdite di commutazione maggiori nei semiconduttori di potenza. Confrontando le condizioni termiche si può calcolare che una riduzione da 9 kHz a 4,5 kHz comporti un incremento della potenza d’uscita del 40-45%. La regolazione basata sul circuito Fpga consente la modifica al volo della frequenza Pwm senza che si registrino importanti variazioni della coppia. Durante il normale funzionamento la frequenza resta a 9 kHz ma può essere ridotta a 4,5 kHz per certi punti di funzionamento. Le costanti di tempo termiche dei semiconduttori di potenza sono tipicamente comprese in un range inferiore a 100 ms, mentre quelle dei motori elettrici superano i 100 s. Durante i periodi di elevata accelerazione, o per gestire una difficoltosa situazione di avviamento, si può tenere conto di questa correlazione e la frequenza Pwm si può ridurre per qualche secondo.

Riduzione del numero
di magneti in motori
a magneti permanenti

Le strategie di regolazione basate sul circuito Fpga consentono un design dell’elettronica di potenza più efficiente in termini di costi. Dall’ottimizzazione dei motori a magneti permanenti insorgono ulteriori possibilità. I magneti installati sono molto sensibili nei confronti del sovraccarico magnetico. Pochi µs di sovraccarico sono sufficienti per dare il via a una parziale, ma irreversibile, smagnetizzazione. È questo il motivo per cui i progettisti hanno integrato una corrispondente riserva magnetica. Se, come appare qui, la corrente è accuratamente regolabile - anche su una scala di µs - allora un motore può essere progettato con le stesse dimensioni, potenza ed efficienza, nonché lo stesso momento torcente, ma utilizzando il 30% in meno di materiale magnetico. La dipendenza strategica dalle materie prime e i prezzi elevati dei magneti dimostrano che i risparmi in quest’ordine di grandezza sono essenziali da un punto di vista economico.

Il semiconduttore,
cuore del sistema


Il semiconduttore di potenza è il componente principale della regolazione del flusso di energia. Per rispondere pienamente alle aspettative, occorre tenere conto delle caratteristiche elettriche e dei fattori meccanici e termici. Durante lo sviluppo di un inverter, il semiconduttore, il dissipatore di calore e il tipico profilo di carico dell’applicazione devono essere considerati come un’inscindibile unità. È d’obbligo una conoscenza approfondita di questa unità per valutare più che accuratamente la temperatura del chip e la sua escursione termica. Di solito i produttori di semiconduttori forniscono le informazioni necessarie ai progettisti per prevedere i cicli di carico ai quali resisterà un semiconduttore sulla base dell’escursione termica all’interno dell’applicazione. Conoscendo i profili di carico e il numero di cicli giornalieri previsti, è possibile stimare la vita operativa. A un autobus completamente elettrico, usato per i trasporti pubblici, si richiedono 60.000 ore di esercizio nel corso di una durata di servizio di 15 anni, equivalenti a 1 milione di chilometri. Per rispondere a tale esigenza sono stati selezionati i moduli EconoDual3 di Infineon. Nel design esistente sono state integrate ampie modifiche allo scopo di migliorare la robustezza meccanica, le caratteristiche elettriche
e l’accoppiamento termico.

Tecnologie
di interconnessione


Una volta i terminali di potenza si collegavano alla cassa di plastica. Ora il nuovo design presenta terminali stampati a iniezione, grazie ai quali migliora la resistenza alle vibrazioni. In precedenza, micromovimenti dei terminali potevano indurre in alcuni casi uno ulteriore stress meccanico ai fili di connessione tra il terminale e il Dcb. Una modifica che rende più efficiente le caratteristiche termiche ed elettriche è il nuovo sistema di connessione. Questo sistema è l’insieme di tutti i fili che interconnettono tra loro i vari substrati o che forniscono la connessione elettrica fra i Dcb e i terminali. Nella Fig. 3b compare un’immagine dettagliata del nuovo sistema di collegamento. Invece di ricorrere a fili di alluminio, la connessione è ora in rame. La conduttività specifica più elevata consente la trasmissione di correnti maggiori senza aumentare il numero dei fili e l’ingombro. Le minori perdite ohmiche comportano analogamente la riduzione della temperatura nei fili di collegamento. In tal modo il materiale influisce sul rispetto dei limiti di temperatura stabiliti per la struttura anche alle più alte correnti. Un ulteriore miglioramento è dato dalla sostituzione delle giunzioni saldate con la tecnologia PressFit. Nelle applicazioni più impegnative, le giunzioni saldate si deteriorano nel corso del tempo a causa dell’escursione termica e dell’usura meccanica imputabile alle vibrazioni. Il continuo deterioramento può comportare i cosiddetti punti freddi. Questi punti comportano il rischio di contatti elettrici intermittenti o la perdita del contatto. La tecnologia PressFit, recentemente introdotta, crea una connessione con la scheda considerata come una giunzione saldata a freddo. L’interconnessione è infatti a tenuta di gas, ad elevata conduttività ed estremamente resistente alle vibrazioni. Se confrontati con i tipici contatti elettrici saldati o a molla, i pin PressFit migliorano l’affidabilità della connessione di un fattore 100.

Accoppiamento
termico


Si è ottimizzata anche l’interconnessione termica applicando ai moduli di potenza un apposito materiale di interfaccia termica. Tale strato di rivestimento costituisce il collegamento termico fra il modulo di potenza e il dissipatore di calore. La composizione del nuovo materiale consiste in un supporto a cambiamento di fase che contiene i componenti di riempimento termoattivi. Il processo di applicazione è entrato a far parte del processo di fabbricazione ed è completamente automatizzato e monitorato con un sistema di ispezione ottica estremamente sofisticato. Questa ricca procedura garantisce la corretta applicazione della quantità pre-definita di materiale. Il modello in figura si riferisce alla geometria macroscopica della piastra di base. Le diverse dimensioni del nido d’ape consentono di applicare in loco la quantità minima necessaria di materiale. Le superfici prive del Tim, così aumentate, in seguito genereranno un contatto diretto metallo-metallo che comporterà poi un’ulteriore ottimizzazione dell’accoppiamento termico. Numerosi test, confortati da anni di esperienza sul campo, hanno dimostrato le qualità termiche e la stabilità meccanica a lungo termine del nuovo materiale. Ora è stato eliminato il meccanismo di errore classificabile come critico di fuoriuscita di pasta termoconduttiva (Pump out of thermal grease).

Un sistema di saldatura
migliorato


Una novità di grande spessore, specialmente per i moduli a supporto dell’applicazione in veicoli commerciali e per l’agricoltura, è la grande affidabilità del processo di saldatura del sistema. La giunzione saldata del sistema costituisce la connessione tra il substrato e la piastra di base del modulo. Minimi scostamenti fra i coefficienti termici di espansione possono determinare uno stress termo-meccanico intrinseco alla giunzione, la cui conseguenza è la delaminazione della saldatura. Questo danneggiamento riduce la sezione destinata al trasferimento termico, in quanto l’area disponibile per la conduzione del calore viene a ridursi. Si introduce una reazione positiva con il verificarsi di temperature più alte nel chip, per la diminuzione dell’area, che a loro volta determinano un’escursione termica maggiore e un incremento dello stress meccanico. Per i moduli Igbt di alta potenza nel settore industriale, l’obiettivo da raggiungere è di 3.000 cicli. Con il processo recentemente introdotto per il modello EconoDual 3, sono stati effettuati più di 35.000 cicli nelle stesse condizioni, che hanno superato l’obiettivo posto di un fattore 10.

Il risultato supera
il totale degli elementi

Durante lo sviluppo di un inverter si uniscono esperienze multidisciplinari da numerosi settori. Dispositivi eccezionali, dalle straordinarie caratteristiche, possono venire alla luce solo se le tecniche di misurazione e di regolazione, la programmazione software, i problemi meccanici, la selezione dei componenti e il controllo termico sono considerati un’inscindibile unità.

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