Силовой модуль ipm кондиционера что это

Блог о климатической технике Консультации по тел.: 8-495-225-37-19

Технология Zubadan

В системе Zubadan увеличен временной интервал между режимами оттаивания теплообменника наружного блока (до 250 мин), что обеспечивает продолжительный непрерывный нагрев. Продолжительность режима оттаивания сокращена до 3 мин.

Интегральный силовой модуль IPM

Силовой каскад, управляющий приводом компрессора, — это интегральный силовой модуль IPM, который включает в себя выходные IGBT-транзисторы, микросхему управления, а также цепи защиты по выходному току, по напряжению питания и по перегреву транзисторов.

Применение интегрального силового модуля IPM обеспечивает:

Полупроводниковая микросхема разработана специально для управления силовыми IGBT-транзисторами. В результате снижено количество элементов, составляющих модуль, и повышено быстродействие управляющей схемы.

Линия управления M-Net

Сигнал в линии управления M-Net представляет собой постоянную составляю-щую, на которую наложен информационный сигнал. Линия M-Net не только осуществляет обмен данными между наружным и внутренними блоками, но и обеспечивает электропитание некоторых элементов системы. Например, постоянная составляющая необходима для резервного управления расширительными вентилями внутренних блоков. Это означает, что при полностью отключенном электропитании одного или нескольких внутренних блоков наружный блок системы City Multi продолжает управлять расширительными вентилями обесточенных внутренних блоков. Данная особенность имеет очень важное практическое применение для некоторых типов объектов, например для жилых зданий.

Виброиспытания новых моделей перед запуском в массовое производство

Начиная с 2009 года, все новые модели (особенно наружные блоки системы City Multi) перед запуском в массовое производство проходят более жесткое испытание, чем этого требуют японские и европейские стандарты.

Амплитуда вибрации и виброускорение увеличены в 3,2 раза относительно стандартных параметров. Это соответствует перевозке автомобильным транспортом без пневмоподвески на расстояние около 6 000 км по плохой дороге.

Внутренние блоки Р15 (1,7 кВт)

Такой «маленький» блок выпускается в канальном (PEFY-P15VMS1-E), настенном (PKFY-P15VBM-E), а также кассетном (PLFY-P15VCM-E) конструктивном исполнении. Создание внутреннего блока со столь малой номинальной производительностью не являлось сложной инженерной разработкой. Сложность заключалась в том, чтобы наружный блок (в том числе и модульные высокопроизводительные модификации) мог надежно управлять работой даже одного внутреннего блока с такой производительностью. Для этого были модифицированы гидравлические схемы наружных блоков серий YHM и YJM. Данная модификация обеспечивает оптимальное регулирование производительности наружного блока и повышает конкурентоспособность систем City Multi по сравнению с традиционными системами центрального кондиционирования с промежуточным теплоносителем.

Индивидуальный пульт PAR-31MAА

Данный пульт дистанционного управления имеет возможность установки целевой температуры с точностью 0,5 0 С или 1 0 С в зависимости от модели внутреннего блока.

В системах PURY-P (серия R2) пульт PAR-31MAA предоставляет возможность установки двух разных целевых температур для режимов охлаждения и нагрева (в автоматическом режиме). Внутренние блоки, поддерживающие данную функцию, имеют маркировку 2SP на шильде. Встроенное программное обеспечение наружных блоков, выпущенных в феврале 2013 года или позднее, поддерживает данную функцию.

Источник

Компактный интеллектуальный силовой модуль для частотно-регулируемых приводов малой мощности

Частотно-регулируемые приводы малой мощности широко используются, например, в бытовых и промышленных кондиционерах. Для ускорения вывода этих изделий на рынок, уменьшения габаритов и упрощения теплоотвода Infineon предлагает новый силовой модуль, объединяющий в одном корпусе повышающий корректор коэффициента мощности (ККМ), инвертор и драйвер затворов.

Интеллектуальный силовой модуль IPM (Intelligent Power Module) объединяет силовые каскады корректора коэффициента мощности (ККМ) и инвертора. Модуль IPM оптимизирован для работы с частотно-регулируемыми приводами малой мощности. В корпусе с двурядным расположением выводов, выполненном по технологии трансферного прессования, размещены трехфазный инвертор и одноканальный повышающий ККМ, а также драйвер затворов, изготовленный по технологии «кремний на изоляторе» (SOI). Применение модуля IPM позволяет существенно снизить габаритные размеры и стоимость системы управления электродвигателем.

Обзор технологии IPM

Рис. 1. Структурная схема интеллектуального силового модуля

Снижение стоимости модуля

Снижение общей стоимости изделия является одной из наиболее важных задач, стоящих перед разработчиками современных систем управления электродвигателями. На общую стоимость изделия существенно влияет не только стоимость комплектующих (например, модуля IPM), радиатора и печатной платы, но также время выхода изделия на рынок.

Конструкция и габаритные размеры корпуса модуля

Внешний вид и габаритные размеры корпуса модуля IPM с высокой степенью интеграции показаны на рисунке 2. Корпус размером 21х36х3,1 мм представляет собой компактную конструкцию серии CIPOS TM Mini (Control Integrated POwer System) и соответствует требованиям стандарта UL (UL 1557 File E314539) и спецификации RoHS.

Рис. 2. Внешний вид модуля

Силовой модуль выполнен по технологии непосредственного присоединения медных проводников к подложке (Direct Copper Bond, DCB), что обеспечивает высокий коэффициент ее теплопроводности. На рисунке 3 показана внутренняя структура модуля IPM в разрезе. Все тепловыделяющие элементы – транзисторы IGBT и диоды – размещены на подложке с медными проводниками, что позволяет реализовать максимально возможный коэффициент теплопередачи. Вследствие этого, несмотря на малые габариты корпуса, силовой модуль IPM обеспечивает работу с электродвигателями мощностью до 3 кВт [1].

Рис. 3. Структура силового модуля IPM в разрезе

Габаритные размеры радиатора и печатной платы

Все силовые полупроводниковые (п/п) приборы – мостовой выпрямитель, транзистор IGBT и диод каскада ККМ, а также модуль IPM драйвера электродвигателя для лучшего отвода тепла устанавливают обычно на общем радиаторе. На рисунке 4 наглядно показано уменьшение размеров радиатора и печатной платы, а также упрощение процесса сборки при замене дискретных п/п приборов интегрированным модулем IPM [2].

Рис. 4. Установка силовых п/п на радиаторе: а) каскады ККМ и инвертора выполнены в отдельных корпусах; б) ККМ и инвертор совмещены в модуле IPM

Ускорение процесса разработки

Разработка схемы, топологии печатной платы и конструкции изделия могут составлять значительную часть процесса запуска его производства. Для ускорения процесса разработки и оценки возможностей нового модуля IPM имеется демонстрационная плата, содержащая минимальный набор периферии для управления электродвигателем (рисунок 5). Внешние источники питания +5 и +15 В, сигналы управления ШИМ, дроссель ККМ и электролитический конденсатор шины питания постоянного тока подключаются к демонстрационной плате проводным монтажом.

Рис. 5. Внешний вид демонстрационной платы модуля IPM: а) лицевая сторона, б) обратная сторона

Каскад ККМ с рабочим напряжением 650 В

Комапния Infineon Technologies разработала две линейки продуктов, отличающихся характеристиками транзисторов IGBT каскада ККМ – High Speed 3 (HS3) и TRENCHSTOP TM 5 (TS5) с частотами коммутации, соответственно, 20 и 40 кГц (таблица 1). Быстрый диод EMCON разработки Infineon оптимизирован для работы с транзистором IGBT TRENCHSTOP TM в повышающем преобразователе ККМ. Данный диод сочетает малое прямое падение напряжения VF для уменьшения потерь проводимости с малым значением тока обратного восстановления Irr, что позволяет снизить энергию E_ON потерь на включение IGBT [3]. Все IGBT каскада ККМ имеют рабочее напряжение 650 В и обеспечивают надежную и устойчивую работу, в том числе – при нестабильном напряжении сети переменного тока [4].

Таблица 1. Значения рабочих токов и напряжений и частоты коммутации линеек IGBT

Основные характеристики инвертора

Каскад инвертора включает в себя драйвер на изолированной подложке (SOI), устойчивый к переходным процессам, и терморезистор, которые в совокупности обеспечивают ряд дополнительных функций для безопасной эксплуатации инвертора:

Защита перегрузки по току

Новый модуль IPM контролирует напряжение на выводе ITRIP, и при превышении им величины V_IT,TH+ (порога нарастающего положительного напряжения) вырабатывается аварийный сигнал, выключающий все шесть транзисторов IGBT. Максимальную величину порога перегрузки по току устанавливают, как правило, в два раза меньше номинального тока коллектора (рисунок 6) [5].

Рис. 6. Временная диаграмма срабатывания защиты от перегрузки по току

Защита от перегрева

В состав модуля IPM входит терморезистор, обеспечивающий защиту от перегрева. Номинальное сопротивление терморезистора составляет 85 кОм при температуре 25°C и 5,4 кОм при 100°C (рисунок 7).

Рис. 7. Зависимость сопротивления терморезистора от температуры

Как видно из рисунка 8, терморезистор модуля подключен параллельно открытому стоку транзистора аварийного сигнала, вследствие чего выход VFO модуля может подключаться одновременно к входу АЦП и входу обнаружения неисправности микроконтроллера.

Рис. 8. Схема защиты модуля от перегрева

Для номинала подтягивающего резистора R1 = 3,6 кОм предельной температуре модуля 100°C соответствует напряжение на выводе VFO 2,95 В при Vcrt = 5 В и 1,95 В при Vcrt = 3,3 В (рисунок 9).

Рис. 9. Зависимость напряжения VFO от температуры

Тепловой режим модуля

На рисунке 10 показаны испытательная схема модуля и осциллограммы ее работы, на основе которых можно определить рабочие характеристики и тепловой режим модуля при входной мощности 2 кВт. Управление силовым каскадом ККМ осуществляется контроллером ICE2PCS05G, входная мощность P_IN = 2 кВт, питание осуществляется от сети переменного тока V_IN = 220 В, частота – 60 Гц. Напряжение шины питания постоянного тока V_DC = 400 В, частота коммутации инвертора 5 кГц, частота коммутации ККМ 20 кГц, нагрузка активно-индуктивная (R = 13,75 Ом, L = 2,96 мГн, коэффициент мощности нагрузки 0,99), MI = 0,69, сопротивление резистора цепи затвора Rg = 5,1 Ом, температура окружающей среды Ta = 25°C. Испытуемый модуль – IFCM15S60GD. На входе испытуемого устройства коэффициент мощности составляет 0,995, а суммарный коэффициент гармонических искажений – 9,78%.

Рис. 10. Испытательная схема модуля (а) и осциллограммы в контрольных точках испытательной схемы (б)

Температура корпуса в месте установки IGBT каскада ККМ составляет 67,5°C, что является максимальной температурой модуля, при этом температура инвертора не превышает этого значения. Результаты исследования теплового режима IFCM15S60GD показывают возможность его работы с нагрузкой 2 кВт и более (рисунок 11).

Рис. 11. Контрольные точки измерения температуры модуля IFCM15S60GD (а) и графики установления температуры в контрольных точках модуля (б)

Заключение

Новый интеллектуальный силовой модуль представляет собой оптимальный вариант устройства, объединяющего в себе инвертор и ККМ, что позволяет использовать его в приводах электродвигателей с переменной частотой вращения, например, в комнатных кондиционерах. Компания Infineon Technologies обладает всеми необходимыми технологиями и оказывает поддержку своим клиентам в производстве компактных и эффективных устройств, отличающихся минимальными габаритами, привлекательной ценой и малым временем выхода изделий на рынок.

Источник

IPM-модули для маломощных силовых устройств

Понятие «энергосбережение» применимо ко всем электрическим системам, в том числе – и к маломощным силовым устройствам. Современная тенденция – переход к устройствам на базе инверторов напряжения. Кроме того, уменьшение веса и размера проектируемых систем всегда представляет интерес. Сейчас растет популярность решений, не использующих радиатор. В данной статье рассматриваются силовые схемы без радиаторов на базе μIPM-DIP производства Infineon.

Потребности рынка бытовой техники

Необходимость дальнейшего снижения уровня собственного потребления приводит к тому, что на рынке силовых устройств наблюдается ускоренный переход к управляемым инверторным системам. Бытовая техника не стала исключением. Ее производители стараются сделать продукт более компактным и легким. Именно по этой причине все большей популярностью пользуются решения без теплового радиатора. В статье рассматриваются силовые устройства без радиатора на базе интеллектуальных силовых модулей (Intelligent power module, IPM), учитывающие особенностей конечных приложений.

Маломощные приложения

В каждой области применения существует свое понимание того, что считать малой мощностью. В данной статье рассматриваются устройства с мощностью до 150 Вт, которые находят применение в бытовых приложениях. В качестве примера можно рассмотреть привод вентилятора и компрессора холодильника мощностью до 150 Вт с целевыми характеристиками, представленными в таблице 1.

Таблица 1. Целевые характеристики привода вентилятора и компрессора холодильника

С помощью силовых IPM-модулей можно максимально быстро и просто добиться решения поставленных задач.

Для устройств мощностью до 150 Вт можно рассмотреть возможность использования IPM-модулей с классом напряжения 600 В и током 3 А. Тем не менее, если необходимо обойтись без радиатора и обеспечить работу с более высокой частотой (около 15 кГц), то для обоих приложений такой силовой модуль будет не вполне оптимальным решением. Следовательно, силовой модуль с классом напряжения 600 В и током 4 А будет более подходящим кандидатом. Размер пластикового корпуса модуля Infneon μIPM-DIP 4 A составляет 29x12x2,9 мм, для потребителей доступны три варианта корпусных исполнений: SOP23, DIP23 и DIP23A.

На рисунке 1 показан пример схемы электропривода без датчиков положения с применением ИС IRMCF171. В состав μIPM-DIP входит драйвер силовых ключей, БТИЗ и NTC-термистор. Так как в модуле имеется встроенный бутстрепный диод, то для того, чтобы управлять БТИЗ с помощью контроллера потребуется добавить лишь бустрепный конденсатор. Кроме того, данный IPM имеет отдельные выводы для каждого из эмиттеров, что позволяет разработчику использовать схему с одним или тремя шунтами. С данным силовым модулем совместимы контроллеры с рабочим напряжением 3,3 В. Используя встроенный NTC-термистор, можно обеспечить защиту μIPM-DIP с помощью компаратора. В представленной схеме внешний компаратор сравнивает сигнал NTC-термистора с опорным напряжением 3 В, сигнализируя контроллеру, что температура внутри IPM достигла примерно 115°C. В установившемся состоянии при отсутствии радиатора такой сигнал соответствует ориентировочному значению температуры кристалла 135°C [1]. Если разработчик хочет установить более низкий уровень тепловой защиты, то следует изменить значение опорного напряжения на компараторе. Кроме того, вывод IPM-модуля от NTC-термистора подключен к контроллеру, который измеряет сопротивление датчика напрямую.

Рис. 1. Корпусное исполнение μIPM-DIP 600A 4 A и пример схемы включения

Применение вентилятора в системе кондиционирования воздуха

Распределение тепла в системе питания вентилятора мощностью 130 Вт показано на рисунке 2. На представленном графике показана зависимость среднеквадратичного фазового тока от несущей частоты при заданной температуре кристалла. Этот график был основан на результатах, полученных в ходе тепловых испытаний. Испытания проводились с двумя типами модуляции: трехфазной и двухфазной. Температура кристалла поддерживалась на уровне T_j = 128°C, что контролировалось с помощью ИК-камеры. Тестируемый вентилятор 130 Вт работал с частотой коммутации f_sw = 15 кГц и током I_out = 460 мА (таблица 1). На рисунке 2 видно, что при частоте 15 кГц и температуре T_j = 128°C достижимая токовая нагрузка составляет 530 мА. Таким образом, при работе с тестируемым вентилятором мощностью 130 Вт температура кристалла IPM-модуля может быть ниже, чем T_j = 128°C.

Рис. 2. Зависимость тока фазы от частоты (без радиатора). Векторная широтно-импульсная модуляция. V+ = 320 В, Ta = 28°C, Tj = 128°C

Чтобы оценить температуру кристалла с учетом заданных условий работы приложения, следует воспользоваться программой онлайн-симуляции Infineon IPM simulation tool [2]. В ней также возможно моделирование приложений без радиаторов. Для этого пользователь должен выбрать “No heatsink needed” («Без радиатора»). Далее задать опорную температуру окружающей среды T_a = 28°C в поле “Reference temperature“ и среднеквадратичный фазовый ток 0,53 A в поле “Motor driver phase current RMS“. Затем заполнить значение теплового сопротивления “Thermal resistance (case to reference)“, и подстроить его таким образом, чтобы получить температуру T_j = 128°C. В данном случае тепловое сопротивление будет около 30,5 К/Вт. Полученное значение оказывается высоким из-за отсутствия теплоотвода и сильно зависит от конструкции печатной платы. Максимальная температура кристалла для вентилятора 130 Вт, не использующего радиатор, может быть рассчитана при заданном значении теплового сопротивления, например, для T_a = 45°C температура кристалла составляет около 132°C (рисунок 3). Таким образом, силовой модуль находится в зоне термобезопасности.

Рис. 3. Скриншот результатов моделирования для вентилятора 130 Вт с частотой коммутации 15 кГц

Компрессор для холодильника

Рассмотрим работу компрессора холодильника мощностью 80 Вт. В этом нам поможет рисунок 4.

Рис. 4. Зависимость тока фазы от частоты (без радиатора). Векторная широтно-импульсная модуляция. V+ = 320 В, Ta = 28°C, Tj = 98°C

Тепловые характеристики для холодильника мощностью 80 Вт также могут быть рассчитаны с помощью программы моделирования от Infneon. При T_a = 50°C расчетное значение максимальной температуры кристалла составляет около 113°C. Она также находится в области тепловой безопасности.

Для гарантированного обеспечения безопасности необходимо проверить и протестировать устойчивость системы к коротким замыканиям. В этом испытании вывод (–) модуля Infneon μIPM-DIP 4 A был закорочен на линию AC, а затем один импульс был подан на верхний БТИЗ. Тестирование проводилось при следующих условиях: V DC = 400 В и I_sc = 20 А для 5 мкс. IPM прошел испытания без каких-либо сбоев (рисунок 5).

Рис. 5. Тестовая плата и тестовая схема с u-IPM-Dip (вверху), осциллограммы испытаний на короткое замыкание в V DC = 400 В и Isc = 20 А

Для программной защиты от короткого замыкания или перегрузки по току контроллер измеряет напряжение на шунтах. Для аппаратной защиты можно применять внешний компаратор с некоторым опорным напряжением, которое задает уровень отключения.

Дополнительные решения

Компания Infneon предлагает CIPOS Tiny для тех случаев, когда потребитель хочет получать от IPM-модуля сигналы об ошибках (рисунок 6).

Рис. 6. Размер корпуса CIPOS и пример схемы с возвратом сигналов об ошибках

Заключение

Применение силового модуля μIPM-DIP с классом напряжения 600 В и током 4 А для приложений без радиатора с низкой номинальной мощностью до 150 Вт является оптимальным. Модуль показал хорошую устойчивость к коротким замыканиям и запас по уровню перегрева как для компрессора холодильника 80 Вт, так и для вентилятора 130 Вт. Для получения управляющим контроллером сигналов об ошибках от IPM можно использовать силовые модули CIPOS Tiny.

Источник