Entwicklung robusterer und kompakter Frequenzumrichter dank Leistungsmodulen mit TMPIM-Technologie

Jinchang Zhou, Anwendungsingenieur, ON Semiconductor

Antriebe mit variabler Geschwindigkeit (VSDs) Laufwerk mit variabler Geschwindigkeit) können das Drehmoment und die Drehzahl eines Motors mit hoher Effizienz ändern und werden häufig in Anwendungen wie Motorantrieben, Servomechanismen und HVAC verwendet. Vor dem Aufkommen von drehzahlgeregelten Antrieben konnte die elektrische Stromversorgung in Form von Wechselstrom nur mit der gleichen Netzfrequenz wie das Netz angelegt werden, und mechanisches Bremsen wurde normalerweise verwendet, wenn die volle Drehzahl nicht erforderlich war. Die bedarfsgerechte Drehzahlregelung kann nicht nur den Energieverbrauch senken, sondern auch die Lebensdauer des Motors verlängern. Eines der am besten geeigneten Geräte dafür ist das Converter-Inverter-Brake (CIB)-Modul, dessen Prinzipschaltbild in Abbildung 1 zu sehen ist Eingang des Umrichters entnimmt den Drehstrom aus dem Stromnetz und wandelt ihn in Gleichstrom DC um.

Normalerweise werden zwei dreiphasige Spannungen verwendet, 240 V und 400 V: Je nach Spannung wird die Verwendung eines 650-V- oder 1200-V-CIB-Moduls empfohlen. Unmittelbar nach dem Umrichter wird ein Kondensator an den DC-Bus angeschlossen, um die vom Wechselrichter kommende und durch die dynamische Leistungsnutzung verursachte Spannungswelligkeit zu glätten. Die Wechselrichterstufe wandelt dann den DC-Eingang in einen AC-Wechselstromausgang um, der den Motor antreibt. Dies erfolgt durch Schalten der 6 IGBTs in diesem Teil des Moduls. Die Ausgangsspannung/-strom wird durch Pulsweitenmodulation gesteuert; Das Signal ist so konstruiert, dass es die notwendige Energie erzeugt, um den Motor mit der gewünschten Geschwindigkeit und Richtung anzutreiben. Wenn ON Semiconductor® den Nennstrom des Leistungsmoduls TMPIM (Transfer-Molded Power Integrated Module) definiert, bezieht er sich auf den Strom der IGBTs im Wechselrichterteil. Als Referenz liefert ein 1200 V, 25 A CIB TMPIM-Modul 5 kW Leistung an den Motor; ein 35A TMPIM liefert 7,5kW; ein 50A liefert 10kW, bis zu 15kW und 20kW. Es ist wichtig zu beachten, dass die Ausgangsleistung in Kilowatt indikativ ist. Wenn die Anwendung unterschiedliche Einstellungen für Steuerung und Kühlung verwendet, kann dieser Wert stark variieren.

Daher wird die maximale Ausgangsleistung durch das Design des Leistungsmoduls und die Art und Weise der Steuerung und Kühlung des Moduls festgelegt. Die Auswahl des am besten geeigneten Moduls wird durch das Online-Tool von ON Semiconductor zur Simulation der Bewegungssteuerung unterstützt. Wenn der Motor stoppt und langsamer wird, geht sein Betrieb in den regenerativen Modus. Die vom Motor erzeugte Leistung wird umgeleitet und zum DC-Bus-Kondensator zurückgeführt. Wenn die erzeugte Leistung zu hoch ist, kann sie den Kondensator überlasten und beschädigen. In dieser Situation wird der Brems-IGBT aktiviert, der den Überschuss zu einem externen Bremswiderstand leitet, der mit dem IGBT in Reihe geschaltet ist. Diese Anordnung leitet überschüssige regenerative Energie ab und hält die Kondensatorspannung auf einem sicheren Niveau.

Bei Anwendungen mit Lüfter, Pumpe oder Heizung kann die Bremse entfernt werden, wenn die Rückspeiseleistung nicht erheblich ist. In diesem Fall heißt das Modul CI (Inverter-Converter)-Modul.

Innovative Verpackung für integrierte Leistungsmodule

CIB/CI-Module verwenden typischerweise eine mit Gel gefüllte Kapselung, die die Leistungskomponenten innerhalb eines Gehäuses abdeckt. Dieses Verfahren erfordert einen mehrstufigen Herstellungsprozess, aber, was vielleicht noch wichtiger ist, es kombiniert inhärent andere Materialschichten und inhomogene Grenzflächen, die das Modul schwächen und seine Robustheit verringern können. ON Semiconductor hat diese Norm durch die Entwicklung des TMPIM-Moduls herausgefordert. Das entwickelte Verfahren besteht aus einer einstufigen Technik, die sowohl die Verkapselung als auch die umgebenden Medienkomponenten aus demselben Material herstellt.

Das Spritzpressverfahren eliminiert die Notwendigkeit verschiedener Materialien, wie z. B. der Kunststoffbox, die normalerweise zum Unterbringen von Komponenten verwendet würde, des Klebstoffs und der Verkapselung, die Leistungsgeräte umgeben würden. Das Spritzpressen ist nicht nur ein insgesamt effizienterer Herstellungsprozess, sondern erhöht auch die Temperaturzyklen um das Zehnfache und trägt so zu einer höheren Effizienz bei. Dies bietet eine viel größere Flexibilität in Bezug auf Größe und Form des Endprodukts sowie ein höheres Maß an Zuverlässigkeit und Leistungsdichte.

ON Semiconductor hat bisher mit seinem TMPIM-Prozess eine Reihe von Modulen für Anwendungen mit Leistungen von 3,75 kW bis 10 kW entwickelt. Diese Serie besteht aus sechs 1200-V-CIB-Modulen und Strömen von 25 A, 35 A und 50 A. Die Geräte werden in einem DIP-26-Gehäuse geliefert und sind in CBI- und CI-Versionen erhältlich. ON Semiconductor plant, sein Angebot um 1200-V-CBI-Module mit Ausgangsströmen von 75 A und 100 A sowie 650-V-Module mit Strömen von 35 A und 150 A zu erweitern. Diese Geräte werden in der Lage sein, Anwendungen abzudecken, die eine Leistung von bis zu erfordern bis zu 20 kW und werden in QLP-Paketen geliefert. Im Gegensatz zum DIP-26-Gehäuse, das Anschlüsse auf beiden Seiten hat, hat das QLP eine quadratische Form mit Anschlüssen auf allen vier Seiten.

Gehäuseverbesserungen erhöhen die Leistungsdichte

ON Semiconductor hat seinen TMPIM-Prozess weiterentwickelt, um höhere Leistungspegel zu erreichen, und so die Standard- und erweiterte Version erhalten. Die aktualisierte Version enthält ein fortschrittliches Substrat mit einer dickeren Kupferschicht, wodurch eine Grundplatte überflüssig wird, sodass die Außenabmessungen der beiden Gehäuseversionen identisch bleiben. Dies erleichtert es Herstellern, je nach benötigter Leistung von einer Version zur anderen zu wechseln. Durch den Wegfall des Motherboards wird das Modulvolumen im Vergleich zu vergleichbaren Modulen um etwa 57 % reduziert und die Wärmeleitfähigkeit um 30 % gegenüber dem Standard-TMPIM-Gehäuse erhöht.

Längere Haltbarkeit

Durch die Erhöhung der Dicke des verwendeten Kupfers zeichnet sich die Verkapselung durch einen geringen thermischen Widerstand und eine hohe thermische Masse aus. Das fortschrittliche Substrat erhöht auch die Zuverlässigkeit des Moduls.

Wie zuvor erläutert, wird die gesamte Baugruppe, einschließlich der Chips, des Headers und der Verbindungsanschlüsse, mit dem gleichen Epoxid vergossen wie das Gehäuse. Im DIP-26-Gehäuse haben die CBI- und CI-Module dieselbe Pinbelegung; am CI-Modul haben die Bremsklemmen keine interne Verbindung.

Die Analyse eines Konkurrenten von ON Semiconductor zeigt, dass Module, die mit seinem Spritzpressverfahren hergestellt wurden, XNUMX-fache Temperaturzyklen und XNUMX-fache Leistungszyklen sowie eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit und Gesamteffizienz erreichen.

Fazit

Leistungsmodule in CIB- oder CI-Schaltungen werden typischerweise in drehzahlgeregelten Antrieben innerhalb von Motorantriebs-, Servomechanismus- und Klimaanlagenanwendungen verwendet. Mit der Entwicklung integrierter Leistungsmodule dank der innovativen TMPIM-Technologie ist ON Semiconductor nun in der Lage, höhere Wirkungsgrade und Leistungsdichten in einem kleineren Gehäuse zu erreichen.