Her invertör tasarımı er ya da geç aynı yol ayrımına gelir. Güç katını, kapı sürücüsü ve koruma devreleri kendimize ait olacak şekilde ayrık IGBT'lerle mi kuralım, yoksa anahtarları, sürücüyü ve korumayı tek bir parçada birleştiren akıllı bir güç modülü (IPM) mü satın alalım?
Cevap bir moda meselesi değil. Üretim hacmine, ekibinizin güç katı mühendisliğinin ne kadarını üstlenmek istediğine ve ürünün sahada nasıl onarılacağına bağlı. Bu kılavuz, sonucu gerçekten belirleyen noktalarda iki yaklaşımı karşılaştırıyor.
Her seçenek gerçekte neler içerir
Ayrık IGBT güç katı bir dizi bağımsız elemandan oluşur: IGBT'lerin kendisi, çoğu zaman her anahtar için eşleşen bir anti-paralel diyot, her anahtar veya her yarım köprü için harici bir kapı sürücüsü ve bunların çevresindeki ayrık kapı dirençleri, doyum algılama, snubber devreleri ve akım algılama.
IPM ise IGBT'leri, serbest tekerlek diyotlarını, kapı sürücü devrelerini ve en azından temel bir koruma grubunu tek bir modülde toplar. Tipik yerleşik korumalar arasında kısa devre veya aşırı akım kapatması, sürücü beslemesinde düşük gerilim kilidi ve aşırı sıcaklık algılama bulunur. Bazı seriler, kontrolörün olaya tepki verebilmesi ve kaydedebilmesi için arıza çıkış pinleri ekler.
Temsili parçalar: entegre tasarımlar için SKiiP AC series ve SKiiP NAB series modülleri, Fuji 7MBP series IPM modülleri ve güç katı ayrık kaldığında Semikron SKM series.
"Güç modülü" ile "akıllı güç modülü" arasındaki ayrım çizgisi kapı sürücüsüdür. Modül hâlâ sizin sürücü kartınıza ihtiyaç duyuyorsa o bir güç modülüdür, IPM değildir.
Bir bakışta karşılaştırma
| Tasarım faktörü | Ayrık IGBT güç katı | Akıllı güç modülü |
|---|---|---|
| Kapı sürücüsü | Siz tasarlar veya seçersiniz; R(g), ölü zaman ve yumuşak kapatma üzerinde tam serbestlik | Dahildir ve modül üreticisi tarafından sabitlenmiştir |
| Koruma | Doyum algılama, aşırı akım ve aşırı sıcaklık koruması sizin tarafınızdan kurulur | Kısa devre, düşük gerilim kilidi ve aşırı sıcaklık koruması genellikle yerleşiktir |
| Parazitik endüktans | PCB yerleşiminiz ve baralama tasarımınız tarafından belirlenir | Modül içinde düşük ve kontrollüdür; DC terminalleri kısadır |
| Termal yol | Sizin yerleşiminiz, sizin izolasyonunuz, sizin termal arayüzünüz | Modül taban plakası ve montaj şekli tarafından belirlenir |
| Kart alanı | Büyük: sürücü, algılama ve koruma devrelerinin hepsi yer ister | Küçük: güç katı tek bir bileşen haline gelir |
| Bileşen sayısı | Yüksek; daha fazla lehim noktası ve daha fazla arıza noktası | Düşük; iç bağlantılar üreticinin kontrolündedir |
| Mühendislik emeği | Aylarca tasarım, yerleşim ve doğrulama | Ağırlıklı olarak seçim ve termal tasarım |
| Düşük hacimde birim maliyet | Malzeme maliyeti düşük, mühendislik maliyeti yüksek | Malzeme maliyeti yüksek, mühendislik maliyeti çok daha düşük |
| Yüksek hacimde birim maliyet | Sürücü maliyeti amorti edildikten sonra rekabetçi hale gelir | Üretici marjı malzeme listesinde kalmaya devam eder |
| Sahada onarım | Tek bir IGBT veya sürücü bileşeni değiştirilir | Modülün tamamı değiştirilir |
| Esneklik | R(g), ölü zaman ve koruma eşikleri serbestçe değiştirilebilir | Üreticinin sunduğu özelliklerle sınırlıdır |
IPM'in kazandığı noktalar
1. En kıt kaynak mühendislik zamanıdır
Ayrık elemanlarla kurulan bir güç katı başlı başına bir projedir. Kapı direnci seçimi, ölü zaman ayarı, doyum algılama için körleme süresi, snubber tasarımı, düşük endüktans için yerleşim ve ardından gelen doğrulama kampanyası tam bir mühendislik çeyreğini tüketebilir. IPM bunların büyük bölümünü seçim artı termal tasarıma indirger.
Ürün bir güç elektroniği ürünü değilse, bu mühendislik için üreticiye ödeme yapmak genellikle doğru tercihtir. Bir pompa kontrol cihazı üreticisi, kapı sürücüsü tasarımını öğrenmek için bir yıl harcamamalıdır.
2. Düşük parazitik endüktans önemlidir
Anahtarlama hızı ile çevrim endüktansı birlikte, anahtar üzerindeki gerilim aşımını belirler. Kısa iç DC terminallerine ve sıkı kontrol edilen bir iç yerleşime sahip bir IPM, harici olarak ancak özenle lamine edilmiş bir bara ve dört katmanlı bir güç PCB'si ile yakalanabilecek bir çevrim endüktansına ulaşabilir.
Hızlı anahtarlama yapan tasarımlarda ya da aşırı gerilim sorunu yaşamadan anahtarlama kayıplarını düşük tutmak isteyen mühendisler için bu iç endüktans, sadece bir kolaylık değil gerçek bir teknik avantajdır.
3. Aksi halde kurmayacağınız korumalar
Birçok ayrık tasarım, düşük gerilim kilidi ve bir sigortayla piyasaya çıkar; başka hiçbir şeyle değil. Kısa devre dayanımı ve aşırı sıcaklıkta kapatma çoğu zaman sonraki revizyona ertelenir ve o revizyon hiç gelmez. IPM bu boşluğu varsayılan olarak kapatır.
Arızalı bir güç katının bir makineyi tahrip ettiği veya bir operatörü riske attığı uygulamalarda, yerleşik kısa devre koruması malzeme listesindeki farktan daha değerlidir.
4. Kompakt, sızdırmaz ve yüksek hacimli ürünler
Elektronik devrelerin küçük bir muhafaza içine sığması gerektiğinde IPM güç katını büyük ölçüde sıkıştırır. Aynı durum, montajın potlama yapılarak veya sızdırmaz şekilde üretilmesi ya da mümkün olan en az proses adımıyla otomatik bir hatta imal edilmesi gerektiğinde de geçerlidir.
Ayrık IGBT'nin kazandığı noktalar
1. IPM'in size vermeyeceği bir kontrole ihtiyacınız varsa
Açma ve kapatma için farklı kapı direnci, aktif kenetleme, arıza sırasında kademeli yumuşak kapatma ya da üreticinin varsayılanı yerine kendi makinenize göre ayarlanmış bir koruma eşiği. Bunlar cer sistemlerinde, yüksek güçlü sürücülerde ve kaynak makinalarında olağan gereksinimlerdir ve entegre bir sürücünün sizden aldığı şey tam olarak bunlardır.
2. Tasarımı oturmuş yüksek hacim
Sürücü tasarımı amorti edildikten ve yerleşim kanıtlandıktan sonra aynı güç katını bir ürün ailesi boyunca kullanmak maliyet açısından çok verimlidir. Fazladan bir anahtar konumunun marjinal maliyeti bir yarı iletken ve birkaç pasif elemandır; bir modül daha değil.
3. Servis edilebilirlik ve yedek parça
Birçok endüstriyel kararı belirleyen argüman budur. Ayrık bir güç katı bazen stoktan tek bir IGBT veya tek bir sürücü entegresi değiştirilerek onarılabilir. Arızalanan bir IPM ise modülün tamamen değiştirilmesini gerektirir ve eski bir IPM söz konusu olduğunda modül, makineden çok önce üretimden kalkmış olabilir.
Ekipmanın on beş yıllık bir servis ömrü varsa ve aşınan parça güç katıysa, mimariyi seçmeden önce yedek parça stratejisini planlayın. Uzun bir üretim geçmişine ve birden fazla tedarikçiye sahip bir modül, tek kaynaklı, yüksek entegrasyonlu bir parçadan daha güvenlidir.
4. Aşırı güç veya alışılmadık topolojiler
Belirli bir güç seviyesinin üzerinde ya da modül üreticilerinin IPM olarak üretmediği topolojilerde ayrık elemanlar tek seçenektir. Mekanik hacmin mevcut modül ayak izlerinin hiçbirini kabul etmediği durumlarda da aynı şey geçerlidir.
Termal tasarım beklenenden daha fazla farklılaşır
Ayrık bir tasarımda ısı birden fazla kılıf arasına dağılır ve her kılıfın kendi bağlantı-gövde ile gövde-soğutucu yolu vardır. Bir IPM'de ise bütün çipler tek bir taban plakası üzerinde oturur; genellikle tek bir yalıtım katmanından tek bir soğutucu yüzeyine giden tek bir baskın termal yol bulunur.
Planlamaya değer sonuçlar:
- IPM kayıpları tek bir noktada toplar; bu nedenle soğutucu, dağılmış birkaç kaynak yerine tek bir yüksek yoğunluklu kaynağı yönetmek zorundadır.
- Kılıflar arasında bir ortalama alma olmadığı için taban plakası düzlüğü ve termal arayüz kalitesi daha da önemli hale gelir.
- Ayrık bir tasarımda bazen yalnızca en sıcak anahtarın değerleri düşürülebilir; bir IPM'de ise sıcaklığı tüm modül paylaşır.
Seçim kontrol listesi
Herhangi bir yönde karar vermeden önce bu soruları yanıtlayın.
- Hacim. Yılda kabaca 5,000 adedin altında, toplam maliyete genellikle mühendislik zamanı hâkim olur.
- Ekip yetkinliği. Kapı sürücüsü ve koruma devrelerini üstlenebilecek ve bunları doğrulayabilecek güç elektroniği mühendisleriniz var mı?
- Anahtarlama frekansı ve hızı. Daha yüksek hız ve daha düşük kayıp gereksinimleri entegre kılıf çözümünü öne çıkarır.
- Koruma gereksinimleri. Kısa devre durumunda ne olmalı ve bu davranış bir standartla mı yoksa müşteri tarafından mı tanımlanıyor?
- Servis modeli. Ürün kart seviyesinde mi onarılacak, yoksa güç katı sahada değiştirilebilir bir birim mi?
- Tedarik stratejisi. Seçilen parça için kaç kaynak var ve parça ne kadar süre üretilecek?
- Mekanik hacim. Mevcut modül ayak izlerinden biri sığıyor mu, yoksa tasarım ayrık olmak zorunda mı?
- Yaşam döngüsü. Makinenin servis ömrü nedir ve onuncu yılda yedek modülü kim tedarik edecek?
Pratik bir orta yol
Seçim, bir ürün ailesinin tamamı için ikili bir tercih değildir. Yaygın bir endüstriyel yaklaşım, pano alanının ve montaj süresinin belirleyici olduğu kompakt, yüksek hacimli modellerde IPM kullanmak, anahtarlama davranışının yüke göre ayarlanması gereken yüksek güçlü modellerde ise ayrık IGBT güç katı kullanmaktır.
Bir başka yaklaşım da ürünü pazara çıkarmak için IPM ile başlamak, gereksinimler oturduktan ve hacimler mühendislik yatırımını haklı çıkardıktan sonra en yüksek hacimli varyantı ayrık bir güç katına taşımaktır. Bu sırayı tersine çevirmek çok daha zordur.
Nasıl yardımcı olabiliriz
Bara gerilimini, sürekli ve tepe akımı, anahtarlama frekansını, soğutma yöntemini ve yıllık hacmi bize bildirin. İki mimariden hangisinin uyduğunu ve hangi modülleri tedarik edebileceğimizi ve etmeye devam edebileceğimizi söyleyelim.
Üretimden kalkmış bir IPM'i değiştiriyorsanız orijinal parça numarasını ve modül ile terminallerinin bir fotoğrafını gönderin. Genellikle zor olan kısım ayak izini ve iç koruma davranışını eşleştirmektir; anma değerleri değil.
