Entwicklung energiesparender Antriebe für Kompressoren

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Die Entwicklung der Regel- und Stromversorgung

Um die Motordrehzahl als Reaktion auf die gemessene Temperatur sowie sämtliche anderen relevanten Daten wie die Erfassung von offener/geschlossener Tür zu kontrollieren, kann ein digitaler Signalprozessor (DSP) zur Berechnung der passenden Regelsignale für den Wechselrichter Verwendung finden, der die Signalformen zur Motorregelung generiert. Die Feld-orientierte Steuerung (FOC, Field-Oriented Control) stellt die bevorzugte Regeltechnik für bürstenlose Motoren dar. Wobei man generell davon ausgeht, dass sie eine lineare Drehmomentregelung mit geringen Störgeräuschen, einen breiten Drehzahlbereich und minimalen Verschleiß der Motorlager bietet.

Der FOC-Algorithmus kann mithilfe eines universellen digitalen Signalprozessors (DSP) oder eines digitalen Signal-Controllers (DSC) in Software ausgeführt werden. Eine andere Methode besteht in der Verwendung eines integrierten Controllers, der einen Großteil der Motorregel-Funktionalität in anpassbarer Hardware implementiert. Zu den Vorteilen dieses Lösungsansatzes zählen eine verringerte Zahl von Komponenten, eine schnellere Ausführung des Algorithmus und ein einfacheres Design, das keinerlei Codierung der Steuersoftware benötigt.

Die digitalen Control-ICs iMOTION™ (ai mo shan)* von International Rectifier implementieren die Motor Control Engine von IR: Dabei handelt es sich um ein Hardware-IP, das in der Lage ist, den geberlosen FOC-Algorithmus in ungefähr 11 µs auszuführen. Die Entwickler können den Algorithmus zur Motorregelung unter Einsatz der iMOTION-Tools sowie der MCE-Bibliothek anpassen. Hierzu sind im Controller wichtige Systemfunktionen integriert, beispielsweise ein 8051-basierter Mikrocontroller für die User-Anwendung, sowie eine eingebettete Analog Signal Engine von IR, welche die Signalaufbereitungs- und Signalwandlungs-Schaltungen für die geberlose Einstrom-Shunt-Regelung implementiert.

Bei der Ansteuerung des Motors sehen sich die Entwickler außerdem der Herausforderung gegenüber, die Wechselrichterstufe zu implementieren, die aus Hochspannungs-Gatetreibern, den sechs Leistungsschaltern der 3-Phasen-Brücke, der Strommessung für die geberlose Regelung sowie Schutz- und Fehlerberichtsschaltungen besteht. Die Implementierung dieser Funktionen mit Hilfe diskreter Bauelemente setzt spezielle Design-Kenntnisse voraus und kann zu verlängerten Entwicklungszeiten und höheren Kosten führen. Zu weiteren Problemen zählen der Umgang mit elektromagnetischen Störungen (EMI) sowie die Bewältigung von Platzvorgaben in Anwendungen, bei denen sehr wenig Platz vorhanden ist.

Intelligente Leistungsmodule (IPMs, Intelligent Power Modules) helfen, die mit der Implementierung der Wechselrichterstufe verbundenen Probleme zu lösen. Diese Bausteine integrieren die gesamt High-Side- und Low-Side-Schaltung, die zur Ansteuerung eines Motors benötigt wird. Für Applikationen im Leistungsbereich 30 bis 200 W stehen eine Reihe von IPMs zur Verfügung.

Um für eine geeignete Trennung zwischen der empfindlichen Elektronikschaltung und den Hochspannungsumrichtern innerhalb des Moduls zu gewährleisten, handelte es sich bei den IPMs der ersten Generation tendenziell um große Module, die herkömmliche Leadframe-Packaging-Technologien einsetzten, zum Beispiel DIP- oder SIP-Gehäuse. Über die großen physikalischen Abmessungen hinaus macht eine relativ geringe Wärmeleistung häufig einen zusätzlichen Kühlkörper erforderlich. Diese Gesichtspunkte können ein Hindernis für die vollständige Integration der Motorreglers in einem System mit beschränktem Platzangebot darstellen. Darüber hinaus steigert der zusätzliche Kühlkörper die Empfindlichkeit gegen Vibration und andere mechanischen Belastungen.

Modulgröße und Wärme-Charakteristika

Zur Behebung dieser Probleme nutzen neuere IPMs jetzt die Vorteile von modernen Leistungsgehäusen wie PQFN und erreichen auf diese Weise geringere Abmessungen und einen besseren Wärmewirkungsgrad. Die Montagefläche der µIPM-Familie von International Rectifier im PQFN-Gehäuse (12 mm x 12 mm x 0,9 mm) ist bis zu 60% kleiner als die von bisher vorhandenen 3-Phasen-IPMs. Gleichzeitig bieten die Module eine hohe Isolationssicherheit und sie genügen den Forderungen des UL-Standards nach einem Kriechabstand von 2,3 mm und bieten Mindest-Isolationsspannungen von 1500 Veff. Alle Varianten haben dasselbe Pin-out bei gleicher Gehäusegröße und bilden so eine skalierbare Stromversorgungsfamilie mit DC-Nennströmen von 2 bis 4 A sowie Spannungen von 250 und 500 V.

Zu den weiteren Eigenschaften, die sowohl die Effizienz als auch die Robustheit verbessern, verwendet die integrierte 3-Phasen-Brücke Hochvolt-FredFET-MOSFET-Schalter. Sie zeichnen sich durch ultraschnelle Fast-Recovery-Body-Dioden-Kennwerte aus. Diese integrierten FredFETs sind speziell auf Antriebe mit variabler Frequenz optimiert. In stromsparenden Motorantrieben, zum Beispiel unter 200 W oder bei denen der Motor weit überwiegend mit einem Bruchteil der gesamten Last betrieben wird (wie etwa der Kompressor eines Kühlschranks), bieten FredFETs im Vergleich zu IGBTs einen höheren Wirkungsgrad, ohne freilaufende, antiparallel geschaltete Dioden.

Mit einer geringeren internen Wärmeerzeugung infolge des verbesserten Wirkungsgrads des Leistungsschalters, in Verbindung mit der hohen Wärmeleistung des PQFN-Leistungsgehäuses, kann das µIPM bei wesentlich niedrigeren Gehäusetemperaturen arbeiten als herkömmliche alternative Bausteine.

Bild 2 zeigt die Wärmemessung eines DIP-IPM und eines PQFN-µIPM unter vergleichbaren Betriebsbedingungen mit einer um ungefähr 35 °C niedrigeren Gehäusetemperatur des µIPM. Das ermöglicht eine starke Verkleinerung der Kühlkörperabmessungen. Bei sorgfältiger Leiterplattenentwicklung kann der Kühlkörper sogar entfallen.

In dem Modul sind außerdem essentielle Funktionen integriert, beispielsweise die Motorstromerfassung und der Systemschutz. Das Pin-out bietet Zugriff auf die Source des FredFET zur Leg-Shunt-Strommessung und der Fehlerschutz umfasst Unterspannungssperre für alle Kanäle, Logik zur Verhinderung von Übersprechen sowie ein Überstrom-Abschalt-Pin. Das Modul enthält zudem einen integrierten Fehler-Pin mit einstellbarem Fehler-Timer.

Zur Entwicklungsunterstützung gibt es eine entsprechende Design-Plattform. Sie umfasst ergänzende ICs und diskrete Leistungsbausteine ebenso wie Motor-Regelalgorithmen, Entwicklungssoftware und Design-Tools zum Bau des Gesamtsystems. Zusätzlich stehen Applikationsbeispiele sowie verschiedene Referenz-Design für ein breites Spektrum von Motor-Anwendungen bis 1800 W online zur Verfügung. Bild 3 zeigt das Blockdiagramm eines Wechselrichter-gesteuerten Kompressors für den energieeffizienten, drehzahlgeregelten Betrieb. Der Schaltplan gibt zudem Hinweise darauf, wie die Gatetreiber und Brückenschaltung in einem intelligenten Leistungsmodul wie dem µIPM der IRSMS836-Familie kombiniert werden können.

*IRs iMOTION™ (ai mo shan), Repräsentant der intelligenten Bewegungssteuerung, ist ein Warenzeichen von International Rectifier

* * Alberto Guerra ist VP Product Marketing & Strategic Market Development bei International Rectifier, El Segundo/USA.

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