Mehr Effizienz, höhere Zuverlässigkeit und minimale Baugrösse – diese Anforderungen gelten nicht nur für 3-Phasen-AC-Motoren, sondern auch für ihre Leistungshalbleiter zur Antriebsregelung. Mit den Power-Modulen der V-Serie hat Fuji Electric entsprechende Leistungskomponenten mit integrierten Schutzfunktionen entwickelt. Besonders im kleinen Leistungsbereich bis 2,5 kW ist ihr Einsatz hilfreich bei der Miniaturisierung des Gesamtsystems (Bild 1).
Unerwünschte Oszillationen unbekannten Ursprungs vermeiden
Beispielsweise ist der Antrieb eines 1,5-kW-Motors im Regelfall aus diskreten IGBTs aufgebaut, wobei zur Ansteuerung dieser Leistungsschalter eine separate Leiterplatte zum Einsatz kommt. Schutzfunktionen sind noch nicht vorhanden – man muss sie aufwendig auf dem Board hinzufügen.
Die Herausforderung ist nun, einen Schaltkreis aufzubauen, der möglichst keinen Einfluss auf andere Bauelemente der Leiterplatte hat. Oftmals treten aber unerwünschte Oszillationen auf, deren Ursprung nur schwer zu lokalisieren ist. Mit dem Einsatz eines Small IPM entfällt die aufwendige Schaltungsentwicklung auf der PCB. Das hochintegrierte und mit drei Phasen versehene Small IPM hat umfassende Schutzfunktionen und erlaubt ein Überwachen der Modultemperatur. Zudem ist eine Schaltlogik zum Ansteuern der Transistoren implementiert, um das optimale Steuern der Halbleiter sicherzustellen.
Jedes HVIC benötigt eine eigene Versorgungsspannung
Ein Small IPM besteht aus sechs IGBTs und sechs Freilaufdioden (FWD – Free-Wheeling Diode), die zusammen einen 3-phasigen Ausgang bilden (Bild 2). Die oberen IGBTs auf der Hochseite des Potenzials werden von drei unabhängigen HVIC (High Voltage Integrated Circuits) geregelt. Aus Sicherheitsgründen sollte man eine galvanische Trennung der HVIC auf der externen PCB vornehmen.
Jeder dieser HVIC benötigt eine eigene Versorgungsspannung. Durch implementierte Gleichspannungswandler wird die nötige Gleichspannung bereitgestellt. Bootstrapp-Dioden helfen dabei, die Potenzialänderung am Eingang im gleichen Masse an den HVIC weiterzugeben. Somit wird jede Potenzialänderung oder Potenzialschwankung registriert. Auf der Niederspannungsseite befinden sich die LVICs (Low Voltage Integrated Circuits), welche mit den IGBTs der Niederspannungsseite verbunden sind. Aufgrund der implementierten ICs kann man jeden einzelnen IGBT überwachen und schützen. Insofern kann in einem Fehlerfall das Modul ein Fehlersignal ausgeben sowie sich anschliessend selbst abschalten.
Für den energieeffizienten Einsatz entwickelt
Das Gehäuse des Small IPM hat die Masse 43
×
26
×
3,7 mm und wurde massgeblich für den energieeffizienten und energiesparenden Einsatz entwickelt. Die Verlustwärmeabfuhr ist durch ein spezielles Substrat mit sehr kleinem thermischem Widerstand realisiert. Dieses Metallsubstrat hat eine dielektrische Schicht, die isolierende Eigenschaften aufweist. Auf der Isolationsschicht befindet sich eine Kupferfolie, welche das hohe Potenzial für die Halbleiter führt. Die IGBTs und Freilaufdioden sind über kurze Aluminiumdrähte miteinander verbun- den, was die niedere Potenzialseite repräsentiert. Alle Aluminiumdrähte wurden bewusst so kurz wie möglich gehalten, um die Streuinduktivität im Modul zu mini- mieren.
Zudem ist die jüngste Chipgeneration von Fuji Electric verbaut, deren Schaltverluste sowie Durchlassverluste sich erneut weiter reduzieren liessen. Ein Epoxidharz füllt das Small IPM aus und garantiert somit die elektrische Isolation der einzelnen integrierten Schaltkreise. Zusätzlich reduziert dieses steife Material die mechanischen Belastungen aufgrund verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Materialien.
Integrierte Schutzschaltung nimmt Fehlfunktion sofort wahr
Aufgrund der ständigen Überwachung der Versorgungsspannung sowie des Ausgangsstroms kann die integrierte Schutzschaltung eine Fehlfunktion, wie ein nicht optimales Durchsteuern der IGBTs oder ein Kurzschluss auf der Ausgangsseite, sofort wahrnehmen. Entsteht beispielsweise ein Kurzschluss im Motor, so wird dieser erkannt und das Small IPM fährt sich automatisch sicher herunter. Dasselbe passiert auch, wenn die Temperatur über einen Schwellwert ansteigt.
Für jede der genannten Schutzfunktionen wird beim Eintreten des Fehlerfalls ein Signal an die Schnittstelle des Treiber-Boards gesendet, damit das IPM sich sicher abschalten kann. Die Funktion des sicheren Abschaltens verhindert die Zerstörung des Moduls und seiner Umgebung. Nach der Fehlerbehebung ist das Leistungsmodul sofort wieder einsatzbereit. Der Fehlermodus lässt sich anhand der Pulsbreite des Fehlersignals analysieren. Es ist somit sehr einfach, den Fehlermechanismus zu erkennen und zu beheben.
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