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了解嵌入式驅(qū)動器中的電源模塊

發(fā)布時(shí)間:2024-01-09 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】將逆變器從控制柜轉(zhuǎn)移到電機(jī)導(dǎo)致了新的逆變器設(shè)計(jì)要求。其中要求的是熱管理。標(biāo)準(zhǔn)柜式逆變器在相當(dāng)友好的環(huán)境中運(yùn)行,沒有特殊的 IP 保護(hù)要求,與電機(jī)不同,電機(jī)安裝在生產(chǎn)線中靠近正在加工的貨物的位置。相比之下,嵌入式驅(qū)動器使用內(nèi)部逆變器,這要求電機(jī)和逆變器都防水、防塵,從而影響系統(tǒng)的熱性能。


將逆變器從控制柜轉(zhuǎn)移到電機(jī)導(dǎo)致了新的逆變器設(shè)計(jì)要求。其中要求的是熱管理。標(biāo)準(zhǔn)柜式逆變器在相當(dāng)友好的環(huán)境中運(yùn)行,沒有特殊的 IP 保護(hù)要求,與電機(jī)不同,電機(jī)安裝在生產(chǎn)線中靠近正在加工的貨物的位置。相比之下,嵌入式驅(qū)動器使用內(nèi)部逆變器,這要求電機(jī)和逆變器都防水、防塵,從而影響系統(tǒng)的熱性能。

在 IP65 保護(hù)系統(tǒng)中,所有組件的耗散功率只能通過其表面(主要是散熱器)排出。因此,嵌入式系統(tǒng)中使用的逆變器的設(shè)計(jì)必須限度地減少功耗,并使用良好的熱界面將所有功耗組件連接到散熱器。保持整體溫度較低并避免系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)熱點(diǎn),可確保整體系統(tǒng)的可靠性。


了解嵌入式驅(qū)動器中的電源模塊圖 1.  CI + PFC 拓?fù)洹D片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]


此外,逆變器必須足夠小以適應(yīng)給定的環(huán)境,從而實(shí)現(xiàn)緊湊的電機(jī)設(shè)計(jì)和高安裝密度。例如水處理、熱泵和通風(fēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)表面積的減少使得優(yōu)化熱管理變得更加重要。同時(shí),縮小整體系統(tǒng)體積需要智能系統(tǒng)分割,限度地減少功率部分、儲能和逆變器控制板之間的互連。

所有應(yīng)用的共同要求是整流二極管、無源或有源 PFC 以及電機(jī)的逆變器級,如圖 1 所示。需要額外的 PFC 電路來滿足 2012 年制定的能效指令,以開發(fā)具有以下功能的應(yīng)用:更高的效率。

圖 2 顯示了嵌入式驅(qū)動器的兩個應(yīng)用,說明了集成逆變器實(shí)現(xiàn)的緊湊性。


了解嵌入式驅(qū)動器中的電源模塊圖 2. 作為嵌入式驅(qū)動系統(tǒng)示例的 Wilo 泵和 ebm-papst 風(fēng)扇。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]


挑戰(zhàn)在于將具有爬電距離和間隙要求的組件(需要 PCB 上的大量空間)移動到適用其他規(guī)則的新位置。這些組件包括 CI + PFC 半導(dǎo)體以及自舉電路、分流器、緩沖電容器等部件。這就是電源模塊發(fā)揮作用的地方。電源模塊通常填充有電絕緣硅膠,介電強(qiáng)度為每毫米幾千伏。用硅膠覆蓋組件可以使它們封裝得更密。

其中一個障礙是兩條軌道之間的距離,當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn) Al2O3 DCB 時(shí),該距離需要 >0.5 mm。對于功率半導(dǎo)體裸片來說,這不是一個問題,但對于電阻器、電容器和二極管等分立元件來說,這變得更具挑戰(zhàn)性,對于 IC 來說更是如此。在這些情況下,Vincotech 的厚膜技術(shù)提供了有前途的解決方案,可實(shí)現(xiàn)小于 0.5 毫米的細(xì)間距。

Vincotech 為嵌入式驅(qū)動應(yīng)用提供兩種類型的模塊:僅包含功率半導(dǎo)體的 DCB 模塊和還包含有源和無源元件的厚膜模塊。雖然兩者都基于氧化鋁,但它們的主要區(qū)別在于基材厚度以及兩側(cè)是否有銅平面。由于 Al2O3 是一種易碎材料,需要小心處理,因此厚膜基板的厚度約為 DCB 的兩倍,約為 1 毫米。此外,它們具有更高的熱阻,因?yàn)轫敳亢偷撞裤~的缺失不允許熱擴(kuò)散。

厚膜模塊基于一種技術(shù),該技術(shù)允許在氧化鋁基板上印刷不同的層,然后在 850 °C 下燒制。各種漿料可用于不同的用途,例如用于高功率軌道的低歐姆導(dǎo)體和電阻器漿料,范圍從用于分流器的低值到用于各種電阻器功能的 MΩ 范圍內(nèi)的高值。

激光微調(diào)電阻器可提高其精度,而添加玻璃鈍化層可提高其可靠性。


了解嵌入式驅(qū)動器中的電源模塊圖 3. 比較基于 DCB 的模塊(左)和厚膜模塊(右)。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]


下圖描述了集成到厚膜模塊中的組件。首先,與標(biāo)準(zhǔn)電源模塊的情況不同,柵極驅(qū)動器 IC 的實(shí)現(xiàn)包括二極管、電阻器和電容器(這種情況非常罕見)。,以柵極電阻和柵極-發(fā)射極電容為例。其他 Vincotech 厚膜產(chǎn)品具有不同的開啟和關(guān)閉柵極電阻,以及可選的柵極發(fā)射極電阻,用于在沒有電源的情況下對柵極進(jìn)行放電。


了解嵌入式驅(qū)動器中的電源模塊圖 4. 厚膜電源模塊的內(nèi)部電路。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]


了解嵌入式驅(qū)動器中的電源模塊圖 5.不使用 Cge(左)和使用集成 Cge(右)的 EMI 測量。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]


該電路還包括一個 PFC 電路,該電路具有快速 650 V IGBT 或更快的 Si MOSFET 以及快速 Si 二極管,或者當(dāng)需要更高的開關(guān)頻率和效率時(shí),還包括 SiC 二極管。

DC+和DC-之間的陶瓷電容器閉合電源電路內(nèi)的高頻環(huán)路。柵極和發(fā)射極之間的電容器進(jìn)一步改善了 EMI,如圖 5 所示。

電容器的放置會對測量值產(chǎn)生很大影響。

 

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