Potenza intelligente per il controllo dei motori

MOSFET & IGBT –

La piattaforma integrata di progettazione iMotion di IR permette di realizzare driver per motori industriali e per elettrodomestici ad alta efficienza e a costi contenuti

L'ultimo rapporto degli analisti di IHS sul mercato degli elettrodomestici stima che questo settore produttivo spenderà 3,8 miliardi di dollari in circuiti integrati entro il 2017, in quanto le nuove generazioni di prodotti diventano sempre più sofisticate e ricche di funzioni. Il settore caratterizzato dalla crescita più rapida è quello dei componenti di potenza, che comprende anche i moduli di potenza intelligenti per il controllo elettronico dei motori, necessari per soddisfare i nuovi standard di rispetto dell'ambiente, già in vigore in vari paesi. La piattaforma di progettazione integrata iMotion di International Rectifier rappresenta al momento uno degli strumenti migliori per il controllo elettronico dei motori, che ha consentito all'industria degli elettrodomestici di realizzare prodotti a risparmio energetico all'interno di vincoli stringenti di costi e di time-to-market. Raggruppando tutti i dispostivi digitali, analogici e di potenza, insieme agli algoritmi di controllo del motore e agli strumenti di sviluppo del software e di progettazione, iMotion consente di realizzare in pochi giorni, invece che in settimane, il prototipo di un sistema completo di pilotaggio di un motore, comprendente un modulo Ipm e un circuito integrato per il controllo digitale affiancati da un basso numero di componenti esterni. Oggi, tuttavia, le priorità di progetto stanno cambiando e nuovi standard di risparmio energetico stanno orientando le richieste dei progettisti verso componenti più compatti, di costo minore e maggiormente scalabili.

Moduli Ipm a risparmio energetico
per ventole e compressori


La soluzione chiave per ridurre il costo del sistema è normalmente l'aumento del livello di integrazione dei componenti a stato solido e, al contempo, la riduzione del loro ingombro, per poter ottenere circuiti stampati più compatti e quindi progetti meccanici semplificati. L'arrivo sul mercato dell'ultima famiglia µIPM di IR offre maggiore compattezza e minore costo; questi componenti si adattano così ad applicazioni come il controllo di ventole di riscaldamento e raffreddamento o pompe di circolazione dell'acqua fino a 200 W, rispettando i più recenti standard di risparmio energetico.
Questi componenti sono incapsulati in un package Power Qfn e rappresentano così i primi inverter sul mercato completamente integrati che sfruttano il circuito stampato come dissipatore. Questi moduli, basati sul principio della conversione di potenza nel punto di carico e sui moduli Vrm adattati per applicazioni ad alta tensione, sono fino al 60% più compatti degli attuali circuiti integrati di potenza per il controllo dei motori trifase. All'interno del modulo sono inseriti degli interruttori di potenza FredFet da 500 V e il circuito integrato ad alta tensione, che sono direttamente attaccati a una struttura di pad esposti che vengono saldati sul circuito stampato. Sono disponibili varie configurazioni trifase e monofase (a semiponte), che sono alloggiate in package estremamente compatti. Offrendo un completo inverter trifase da 500 V in un singolo package Qfn da 12 x 12 mm, µIpm consente di realizzare una scheda senza dissipatori aggiuntivi e con un numero di componenti totali ridotto da 91 a 31. L'area e quindi il costo del circuito stampato sono ridotti del 43% e i tempi di assemblaggio e test sono accorciati, permettendo una validazione più estesa. Al fine di coprire applicazioni ad alta potenza nel settore degli elettrodomestici, la famiglia µIpm si è allargata con nuovi moduli da 7 x 8 x 0,9 mm e da 8 x 9 x 0,9 mm in configurazione a semiponte con tensioni di lavoro fino a 40 V e correnti incrementate fino a 10 A per la versione da 500V e fino a 30 A per la versione da 40 V. La separazione dell'inverter trifase integrato in tre singoli semiponti offre numerosi vantaggi, tra i quali il più importante è la distribuzione della dissipazione di potenza su un'area maggiore del circuito stampato, migliorando le prestazioni termiche.

Progettazione con i componenti µIpm Qfn

Le dimensioni ridotte dei circuiti integrati µIpm in package Qfn e l'utilizzo del circuito stampato come canale principale per la dissipazione di potenza impongono un approccio diverso nella progettazione di alcuni aspetti del circuito di pilotaggio del motore, in modo da massimizzare le prestazioni.
In generale, la capacità di un Ipm di erogare corrente dipende dalla tensione del bus Dc, dalla temperatura ambiente e dalla frequenza di commutazione. All'aumentare di questi parametri, aumentano anche le perdite, la complessità dello schema di modulazione necessario per limitare le perdite stesse (da tre a due fasi), le derivate delle tensioni di fase e le caratteristiche critiche dei Fet, come la resistenza di canale (RDSON) e la corrente di ricombinazione (IREC).
Per un driver µIPpm a montaggio superficiale, la massima corrente erogabile dipende anche dal progetto del circuito stampato; in particolare: dallo spessore delle piste di rame, dall'area delle piazzole di rame, dal numero di strati e dalla massima temperatura tollerata dalla scheda. Nella pratica, la massima temperatura di giunzione dei semiconduttori di potenza è meno critica rispetto alla massima temperatura del circuito stampato. L'aumento dello spessore del rame riduce la resistenza termica complessiva tra il semiconduttore e l'ambiente, riducendo così la temperatura della scheda e quindi consentendo l'erogazione di una corrente maggiore. La massima corrente erogabile aumenta con ΔTCA maggiori e anche adottando uno schema di modulazione a due fasi, invece che a tre. Analogamente, riducendo le perdite di commutazione tramite l'abbassamento della frequenza di commutazione, è possibile aumentare la corrente di uscita. Aggiungendo un dissipatore montato sopra il componente si riduce ulteriormente la temperatura. Grazie all'utilizzo di un set di moduli a semiponte µIpm, è stato possibile ridurre le dimensioni complessive della scheda di pilotaggio del compressore del 40% fino a raggiungere 10 cm x 7,7 cm.
Oltre a presentare la nuova famiglia µIPM Pqfn, IR ha anche esteso la famiglia di componenti µIpm in package dual-inline (DiP µIPM) per le numerose applicazioni basate su progetti e tecnologie di assemblaggio più tradizionali. I componenti della famiglia DiP µIPM, progettati per funzionare con dissipatori, consentono ai progettisti di creare vari prodotti con differenti potenze di uscita adattando semplicemente il dimensionamento del dissipatore. Questi componenti, basati sullo stesso chipset della famiglia µIPM a montaggio superficiale, ma incapsulati in package DIP16/SOP26, offrono ai progettisti la libertà di scegliere la soluzione ottimale per ogni applicazione. Come per la famiglia Pqfn, anche i componenti della DiP µIPM sono disponibili in un'ampia gamma di stadi di potenza basati sui trench-Mosfet FredFet di IR da 500 V o 250 V. Inoltre, esiste una versione con Igbt trench da 600 V e diodo al platino per soddisfare specifiche ad alta potenza fino a 250 W. Tutte le versioni comprendono la funzionalità di bootstrap interno e un segnale di temperatura tramite sensore Ntc integrato, che garantisce una protezione completa e ridondante.

Ipm per i motori principali

Il system-in-package SiP IRAM Gen2 di IR basato su Igbt e progettato per applicazioni a correnti maggiori, come i driver principali delle lavatrici e dei condizionatori, introduce dei miglioramenti in termini di maggiore efficienza e più ampio intervallo di temperature operative che rispondono alle necessità del mercato degli elettrodomestici. Il nuovo design include un substrato esposto, ma completamente isolato, con una temperatura di transizione del dielettrico superiore, che consente una temperatura operativa del case fino a 140 °C. Nuovi distributori di calore interni in rame sia per gli Igbt che per il diodo di ricircolo Fred hanno migliorato la resistenza termica tra la giunzione ed il case fino al 30%. Anche l'impedenza termica è notevolmente ridotta, migliorando così l'affidabilità del sistema durante le situazioni di sovraccarico.
La combinazione di miglioramenti termo-meccanici, di trench-Igbt ottimizzati e di avanzati driver trifase integrati ha portato ad un aumento del 20% della massima corrente gestibile e ad un 33% di incremento della massima temperatura operativa del case. Sono disponibili dispositivi con correnti operative fino a 20 A. D'altro canto, grazie al mantenimento delle stesse dimensioni meccaniche e della compatibilità delle piedinatura, i progettisti possono aggiornare il progetto di vecchi driver per motori in modo relativamente facile per impiegarli in prodotti dalle prestazioni superiori che richiedano correnti del motore maggiori.

Moduli più convenienti

Il mercato richiede anche moduli più economici per applicazioni a più bassa potenza. La nuova piattaforma DiP-Iram di IR soddisfa queste richieste incapsulando i semiconduttori di potenza ed il circuito integrato ad alta tensione in un package Dual-Inline plastico a stampaggio per trasferimento basato su pin tradizionali, compatibile con lo standard di dimensioni 24 mm x 38 mm. Grazie a questo processo, i costi sono inferiori rispetto al package basato sul substrato del SiP Iram Gen2, e l'integrato richiede solo pochi componenti esterni per coprire un intervallo di correnti da 6 a 15 A.

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