Gli ultimi decenni sono stati caratterizzati da un aumento dell’efficienza dei sistemi, atti a salvaguardare l’ambiente e a ridurre il riscaldamento globale. Durante questo periodo di tempo si è diffuso l’utilizzo dei moduli di potenza intelligenti IPM su molte applicazioni/sistemi, grazie al loro alto livello di integrazione (Power Stage, Driver, Protezioni) che rende più facile e veloce la fase di sviluppo, permettendo di ridurre gli ingombri e ottenere prodotti finali più affidabili.
A cura di Massimo Caprioli, Senior FAE di Fuji Electric Europe
Moduli di Potenza Intelligenti (IPM)
Fuji Electric ha sviluppato ed introdotto sul mercato i moduli IGBT-IPM di settima generazione – come evoluzione delle tecnologie precedenti – una famiglia di dispositivi che consentono di ridurre le perdite, migliorare le prestazioni e risparmiare lo spazio di montaggio.
Questi IPM incorporano un nuovo IC di controllo ed innovativi chip della serie X di settima generazione (in grado di funzionare fino a 175 ° C) che consentono al sistema di funzionare a 150 ° C continuamente e di ottenere una riduzione delle perdite di circa il 10%; permettono inoltre un aumento di corrente in uscita di circa il 31%.
Dal rilascio del primo modulo IGBT nel 1988, Fuji Electric ha continuato a sviluppare e utilizzare diverse innovazioni tecnologiche per ottenere progressivamente una riduzione delle perdite, dimensioni compatte, maggiore densità di potenza e una migliore affidabilità, atte a soddisfare la crescente richiesta del mercato.
Ciò ha permesso ai progettisti di implementare soluzioni tecniche avanzate e ottenere prestazioni elevate dai propri sistemi indipendentemente dal diverso tipo di applicazione consumer, industriale e automotive.
Gli IPM, oltre a ciò, garantiscono un livello di integrazione ancora più elevato incorporando nel modulo un driver (circuito di controllo e protezioni) e chip IGBT dedicati.
I nuovi moduli di potenza IPM di settima generazione dispongono di una vasta gamma di package.
Ogni produttore ha sviluppato il proprio contenitore adattando la configurazione alla miglior soluzione tecnologica:
I nuovi package sono compatibili con i precedenti IPM di sesta generazione della serie V per consentire agli utenti attuali di ottenere miglioramenti delle prestazioni sui sistemi già in produzione.
Inoltre, sfruttando le dimensioni e le tecnologie dei chip di settima generazione, sono stati introdotti 3 nuovi contenitori: P638, P639 e P644, con dimensioni più contenute ma con le stesse capacità di corrente e prestazioni termiche dei pacchetti più grandi.
A seconda del contenitore, gli IPM serie X di settima generazione sono disponibili in configurazione con inverter completo (6 in 1) e topologia inverter più freno (7 in 1) per entrambe le tecnologie 650V e 1200V, come mostrato nella tabella 1:
Per la progettazione e la produzione di ogni nuovo componente, Fuji Electric sceglie ed utilizza i migliori materiali per ottenere sempre massime prestazioni e mantenere un alto livello di affidabilità.
Per raggiungere tali obiettivi, vengono inoltre studiati ed introdotti continui miglioramenti tecnici, in particolare sui chip, sui materiali del contenitori, sui circuiti di azionamento e funzionalità avanzate.
Nuovi chip di settima generazione
I moduli di potenza IPM di settima generazione utilizzano le più recenti tecnologie di chip di Fuji Electric, che vantano alcuni miglioramenti quali:
- Drift Layer più sottile = VCE (sat) e Eoff ridotti
- Disegno del trench pitch più accurato = caratteristiche di trade-off migliorate
- Field-Stop Layer ottimizzato = tensione di breakdown migliorata e bassa corrente di dispersione ad alta temperatura
- Miniaturizzazione = maggiore densità di canale (chip per modulo) / maggiore densità di potenza
Questa tecnologia di chip integra 2 sensori:
- di Corrente che riporta il flusso nel terminale emettitore principale,
- di Temperatura posto al centro del chip fornisce la sua temperatura di giunzione reale.
Queste funzioni sono utilizzate dal circuito di protezione interno per avvisare e allarmare/spegnere la sezione di potenza in caso di problemi prima che possano portare alla distruzione del modulo.
Circuito di controllo del pilotaggio
Al fine di ottenere le migliori prestazioni possibili (perdite, termiche, risposta di commutazione, EMI / EMC, ecc.), un nuovo circuito di pilotaggio dedicato è stato progettato ed integrato nell’IPM di settima generazione.
Gli IPM di settima generazione sono dotati di una funzione di gestione della corrente al turn-on che mantiene le stesse alte prestazioni nell’intero intervallo operativo anche a temperature elevate.
Ad alte temperature, questa funzione aumenta la corrente di pilotaggio dell’IGBT e riduce le perdite al turn-on; inoltre, la temperatura dell’IGBT viene rilevata sul chip per consentire la variazione della corrente di pilotaggio e tempi di commutazione ottimali.
Le prestazioni migliorate (commutazione e perdite) ottenute integrando nei nuovi IPM la funzione di controllo della corrente di pilotaggio sono mostrate nella figura seguente:
Questa nuova funzione ha ridotto la perdita di accensione di circa il 24% rispetto a quella senza il controllo della corrente di pilotaggio.
La funzione di controllo della corrente di pilotaggio ha inoltre ottimizzato le caratteristiche di commutazione per ottenere un impatto molto inferiore sul rumore emesso (EMI/EMC).
Inoltre, il comportamento operativo di questo nuovo circuito ha migliorato anche la risposta termica. È stata misurata una riduzione di circa il 7% nonostante la miniaturizzazione dei chip e le ridotte dimensioni di alcuni contenitori e una maggiore densità di potenza, come mostrato nella figura sotto:
Circuito di protezione
La ridotta tensione di accensione, ottenuta aumentando la densità di canale, aumenta il flusso di corrente e, di conseguenza, riduce la capacità di tenuta al cortocircuito dell’IGBT.
Quindi, l’IPM di settima generazione, migliorando il circuito di protezione, reagisce più velocemente alla condizione di corto circuito.
Gli IPM di settima generazione utilizzano chip che integrano sensori termici e di corrente per fornire tempi di reazione rapidi.
Sono disponibili 3 tipi di circuiti di protezione:
- Sovracorrente / cortocircuito (intervento rapido: 1µsec)
- Termico / surriscaldamento (soglie di avviso e allarme)
- Blocco di sottotensione,
che generano i relativi segnali di uscita per avvisare il microcontrollore del guasto avvenuto.
I segnali di avvertimento e allarme vengono emessi su 2 terminali di uscita dove il segnale di allarme, fornito su singolo terminale, permette di distinguere il guasto avvenuto tramite 3 impulsi di diversa lunghezza per gestire adeguatamente l’evento e costruire un report nel registro di manutenzione del microcontrollore.
Il segnale di avviso relativo alla temperatura non influenza il funzionamento dell’IPM, mentre il segnale di allarme interrompe i segnali di ingresso – provenienti dal microcontrollore – e spegne la sezione di potenza per preservare l’integrità del modulo dalla distruzione.
Pertanto, quando il segnale di avviso segnala una crescita critica della temperatura, l’IPM continua a funzionare procedendo secondo i segnali PWM inviati dal microcontrollore.
In particolare, se un’apparecchiatura ha un problema di raffreddamento (dovuto a intasamento delle alette, guasto della ventola, esaurimento del composto, ecc.), un segnale di avviso di temperatura verrà inviato al microcontrollore quando il chip IGBT raggiunge una certa soglia di temperatura.
Il microcontrollore ricevuto segnale di l’avviso può decidere di modificare il controllo PWM per ridurre la corrente di carico o fermarne la generazione a seconda dei requisiti di sistema.
Conseguentemente si potrà decidere di gestire i segnali di avviso/allarme dovuti alla variazione di temperatura:
- gestendo i segnali PWM inviati agli ingressi del modulo IPM,
- e/o attendere l’arresto automatico rilasciato dal circuito di protezione interno come mostrato nella figura sotto :
Un altro miglioramento è stato aggiunto nella configurazione “7 in 1” in cui gli IPM di settima generazione includono un circuito di frenatura indipendente che non è influenzato dai circuiti di protezione durante l’emissione degli allarmi; ciò consente, nell’applicazione di controllo motore, di operare in modalità rigenerativa.
Negli IPM convenzionali, quando dopo un rilevamento di guasto genera un allarme relativo al braccio inferiore, il circuito di protezione disattiva tutto il braccio inferiore per interrompere tutte le operazioni.
Pertanto, anche l’IGBT del freno sarà disattivato ed il circuito di frenatura non sarà in grado di rigenerare l’energia creata dal motore in rotazione, cosicché la tensione di alimentazione (DC-Link) tenderà ad aumentare.
La nuova funzione degli IPM di settima generazione previene i problemi dovuti a sovratensione, salvo anomalia nel circuito del freno.
Grazie a tutti i miglioramenti apportati agli IPM di settima generazione viene assicurato un alto livello di affidabilità complessiva.
Conclusioni
L’ ultimo decennio è stato caratterizzato da una crescente richiesta di risparmio e conservazione della potenza mediante un uso efficiente dell’energia così da mitigare il riscaldamento globale ed ottenere una crescita responsabile e sostenibile.
A questo scopo, Fuji Electric ha sviluppato i moduli di potenza intelligenti Serie X di settima generazione, una famiglia di dispositivi “facili da usare” che permettono di sviluppare circuiti più efficienti, più affidabili, compatti ed economici, adatti per applicazioni industriali quali motion control, condizionamenti d’aria, ascensori, pompe, compressori, ventilatori, ecc.
Questi componenti versatili – “una soluzione quasi Plug and Play” – possono aiutare i progettisti e i produttori di sistemi ad abbreviare i tempi di sviluppo, migliorare le prestazioni e i requisiti generali, per soddisfare in tempi brevi le richieste più disparate del Time to Market.
Per tutte le proprietà che li caratterizzano, gli IPM serie X di settima generazione di Fuji Electric sono dispositivi vantaggiosi per molte applicazioni.
Articolo originale pubblicato da Massimo Caprioli, Senior FAE di Fuji Electric Europe, su “Bodo’s Power Systems®” di maggio 2021.
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