Cómo simplificar los diseños de motores e inversores usando módulos IGBT

El uso de motores e inversores sigue creciendo en aplicaciones como la automatización industrial, la robótica, los vehículos eléctricos, la energía solar, los electrodomésticos y las herramientas eléctricas. Junto con este crecimiento está la necesidad de mejorar la eficiencia, reducir el costo, disminuir la huella y simplificar el diseño general. Aunque es tentador diseñar electrónica de potencia de motores e inversores a medida utilizando transistores bipolares de puerta aislada discreta (IGBT) para ajustarse a requisitos específicos, esto puede ser costoso a largo plazo y retrasar los calendarios de diseño.

En su lugar, los diseñadores pueden utilizar módulos IGBT estándar que combinan varios dispositivos de alimentación en un solo paquete. Esos módulos apoyan la necesidad de los diseñadores de desarrollar sistemas compactos con un mínimo de interconexiones, simplificando así el montaje, reduciendo el tiempo de comercialización y el costo, y mejorando el rendimiento general. Combinados con un controlador IGBT apropiado, los módulos IGBT permiten el desarrollo de motores e inversores eficientes y rentables.

Este artículo describe brevemente los motores eléctricos e inversores y los circuitos de accionamiento asociados y los requisitos de rendimiento. A continuación, examinará las ventajas de utilizar módulos IGBT y diversas normas de embalaje de módulos antes de introducir opciones de diseño de motores e inversores basadas en módulos IGBT y circuitos integrados de controladores de proveedores, como NXP Semiconductors, Infineon Technologies, Texas Instruments, STMicroelectronics y ON Semiconductor, y cómo aplicarlas, incluido el uso de placas de evaluación.

Tipos de motores y estándares de eficiencia

La IEC/EN 60034-30 divide la eficiencia de los motores en 5 clases, de la IE1 a la IE5. La Asociación Nacional de Fabricantes de Electricidad (NEMA) tiene una escala de calificaciones correspondiente de "eficiencia estándar" a "eficiencia ultra-premium" (Figura 1). El uso de unidades electrónicas es necesario para cumplir con los estándares de eficiencia más altos. Los motores de inducción de CA con accionamientos electrónicos pueden cumplir los requisitos de IE3 y IE4. Se necesitan motores magnéticos permanentes más costosos y accionamientos electrónicos para alcanzar los niveles de eficiencia del IE5.

Figura 1: Clases de eficiencia de los motores según IEC/EN 60034-30 (IE1 a IE5) y las correspondientes clasificaciones NEMA (eficiencia estándar a eficiencia ultra-premium). Los motores de inducción de CA con FOC y los accionamientos electrónicos pueden cumplir los requisitos de IE3 y IE4. Se necesitan motores magnéticos permanentes para alcanzar los niveles de eficiencia del IE5. (Fuente de la imagen: ECN)

El desarrollo de microcontroladores de bajo costo (MCU) ha permitido a los diseñadores utilizar el control vectorial, también llamado control orientado al campo (FOC), un método de control de variador de frecuencia variable (VFD) en el que las corrientes de estator de un motor trifásico de CA se identifican como dos componentes ortogonales que pueden visualizarse con un vector. Los controladores proporcionales-integrales (PI) pueden utilizarse para mantener los componentes de corriente medidos en sus valores deseados. La modulación de la anchura de pulso de la VFD define la conmutación del transistor de acuerdo con las referencias de voltaje del estator que son la salida de los controladores de corriente del PI.

Originalmente desarrollado para sistemas de alto rendimiento, el BDC se está volviendo cada vez más atractivo para aplicaciones de menor coste también debido al tamaño del motor del BDC, su menor costo y su menor consumo de energía. Debido a la creciente disponibilidad de MCU de bajo costo y alto rendimiento, la BDC está desplazando cada vez más al control de voltios por hertzios (V/f) escalares de menor rendimiento.

Hay dos tipos principales de motores de imanes permanentes en uso hoy en día, DC sin escobillas (BLDC) y motores síncronos de imanes permanentes (PMSM). Estos dos avanzados diseños de motor requieren electrónica de potencia para el accionamiento y el control.

Los motores BLDC son duraderos, eficientes y rentables. Los motores PMSM tienen los atributos de los motores BLDC con menor ruido y algo más de eficiencia. Ambos tipos de motores se utilizan comúnmente con los sensores Hall, pero también pueden utilizarse en diseños sin sensores. Los motores PMSM se utilizan en aplicaciones que requieren los más altos niveles de rendimiento, mientras que los motores BLDC se utilizan en diseños más sensibles a los costes.

• Motores BLDC
  • Más fácil de controlar (6 pasos) y solo se requieren corrientes CC
  • Onda de torsión en las conmutaciones
  • Menor costo y menor rendimiento (comparado con el PMSM)
• Motores PMSM
  • Comúnmente usado en los servoaccionamientos con un codificador de eje integrado
  • Control más complejo (necesita PWM sinusoidal de 3 fases)
  • No hay rizado de par en la conmutación
  • Mayor eficiencia, mayor par
  • Mayor costo y mayor rendimiento (comparado con el BLDC)

Visión general del inversor

La eficiencia de un inversor indica cuánta potencia de entrada de CC se convierte en potencia de CA en la salida. Los inversores de onda sinusoidal de alta calidad ofrecen una eficiencia del 90-95%. Los inversores de onda sinusoidal modificada de menor calidad son más simples, menos costosos y menos eficientes, generalmente 75-85%. Los inversores de alta frecuencia suelen ser más eficientes que los diseños de baja frecuencia. La eficiencia del inversor también depende de la carga del mismo (Figura 2). Todos los inversores requieren unidades y controles electrónicos de energía.

En el caso de los inversores fotovoltaicos, hay tres tipos de clasificaciones de eficiencia:

• La eficiencia máxima indica el rendimiento del inversor en la salida de potencia óptima. Muestra el punto máximo de un inversor particular y puede ser usado como criterio de su calidad (Figura 2).
• La eficiencia europea es el número ponderado que tiene en cuenta la frecuencia con la que el inversor funcionará a diferentes potencias. A veces es más útil que la eficiencia máxima, ya que muestra cómo el inversor funciona a diferentes niveles de salida durante un día solar.
• La eficiencia de la Comisión de Energía de California (CEC) también es una eficiencia ponderada, similar a la eficiencia europea, pero utiliza diferentes supuestos sobre los factores de ponderación.

La principal diferencia entre las eficiencias europeas y las de la CCA es que los supuestos sobre la importancia de cada nivel de potencia para un inversor particular se basan en los datos de Europa Central en el primer caso, y de California en el segundo.

Figura 2: Curva típica de la eficiencia del inversor que muestra el punto de máxima eficiencia. (Fuente de la imagen: Universidad de Penn State)

Conceptos básicos de IGBT

La función básica de un IGBT es la conmutación más rápida posible de las corrientes eléctricas con las menores pérdidas posibles. Como su nombre indica, un IGBT es un transistor bipolar con una estructura de puerta aislada; la puerta en sí es básicamente un MOSFET. Por lo tanto, el IGBT combina las ventajas de la alta capacidad de transporte de corriente y los altos voltajes de bloqueo de un transistor bipolar con el control capacitivo de baja potencia de un MOSFET. La figura 3 muestra cómo un MOSFET y un transistor bipolar combinados conducen al IGBT.

Figura 3: Estructura conceptual de un IGBT que muestra el MOSFET que constituye la puerta aislada y la estructura del transistor bipolar que es la sección de manejo de la energía. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies)

El funcionamiento fundamental de un IGBT es simple: Un U_GE de voltaje positivo desde la puerta (G, en la figura 3) hasta el emisor (E) enciende el MOSFET. Entonces, el voltaje conectado al colector (C) puede conducir la corriente de base a través del transistor bipolar y el MOSFET; el transistor bipolar se enciende y la corriente de carga puede fluir. Un voltaje U_GE ≤ 0 voltios apaga el MOSFET, la corriente de base se interrumpe, y el transistor bipolar se apaga también.

Aunque es simple en su concepto, el desarrollo de hardware para controlar un IGBT (un controlador de puerta) puede ser una tarea compleja debido a los numerosos matices de rendimiento en los dispositivos y circuitos reales. La mayoría de las veces no es necesario. Los fabricantes de semiconductores ofrecen como soluciones integradas los controladores de puerta adecuados con una amplia variedad de funciones y capacidades. De ahí la importancia de hacer coincidir los módulos IGBT con los controladores de puerta apropiados.

Los módulos IGBT se ofrecen en una amplia variedad de paquetes (Figura 4). Los tamaños más grandes tienen una capacidad nominal de 3,300 voltios o más y están diseñados para su uso en instalaciones de megavatios como sistemas de energía renovable, suministros de energía ininterrumpida y motores muy grandes. Los módulos de tamaño medio suelen tener una tensión nominal de 600 a 1700 voltios para diversas aplicaciones, como vehículos eléctricos, motores industriales e inversores solares.

Figura 4: Los módulos IGBT se ofrecen en una amplia variedad de paquetes. Los índices de voltaje típicos van de 600 voltios a 3,300 voltios. (Fuente de la imagen: Fuji Electric)

Los dispositivos más pequeños se denominan módulos de alimentación integrados y están clasificados para 600 voltios y pueden incluir controladores de compuerta incorporados y otros componentes para el accionamiento de motores en sistemas industriales más pequeños y electrodomésticos de consumo. Los IGBT funcionan con niveles de potencia más altos y frecuencias de conmutación más bajas en comparación con otros tipos de componentes de conmutación de potencia (Figura 5).

Figura 5: Rango de potencia frente a frecuencia de conmutación para dispositivos comunes de conmutación de potencia (Fuente de la imagen: Infineon Technologies)

Placa de evaluación de módulos IGBT para inversores de tracción

Para los diseñadores de inversores de tracción de alto voltaje, NXP Semiconductors ofrece la placa de evaluación de gestión de la energía del controlador de puerta FRDMGD3100HBIEVM utilizando su CI de controlador de puerta de medio puente MC33GD3100A3EK. Esta placa de evaluación está diseñada específicamente para su uso con el módulo IGBT FS820R08A6P2BBPSA1 de Infineon (Figura 6). Es una solución completa e incluye los circuitos integrados del controlador de la puerta de medio puente, el condensador de enlace de CC y la placa traductora para la conexión a un PC que proporciona las señales de control. Las aplicaciones de los objetivos incluyen:

• Motores de tracción de vehículos eléctricos y convertidores CC/CC de alto voltaje
• Cargadores de a bordo de vehículos eléctricos y cargadores externos
• Otras aplicaciones de control de motores de CA de alto voltaje

Figura 6: Placa de evaluación de gestión de energía del controlador de puerta FRDMGD3100HBIEVM de NXP conectada al módulo IGBT FS820R08A6P2BBPSA1 de Infineon que muestra la posición del MC33GD3100A3EK, los circuitos integrados del controlador de puerta de medio puente, el condensador de enlace de CC y la placa traductora para la conexión a un PC que proporciona las señales de control. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

Controlador para módulos IGBT de 150 mm x 62 mm x 17 mm

Para los diseñadores de motores, inversores solares, cargadores HEV y EV, turbinas eólicas, transporte y sistemas de alimentación ininterrumpida, Texas Instruments ha desarrollado el ISO5852SDWEVM-017 (Figura 7). Se trata de una placa conductora de puerta aislada, compacta y de doble canal que proporciona la transmisión, los voltajes de polarización, la protección y los diagnósticos necesarios para los módulos MOSFET de carburo de silicio (SiC) genéricos de medio puente y los módulos IGBT de silicio alojados en paquetes estándar de 150 mm × 62 mm × 17 mm. Este TI EVM está basado en el CI de conductor de aislamiento reforzadoISO5852SDW de 5,700 voltios rms en un paquete SOIC-16DW con 8.0 mm de fuga y despeje. El EVM incluye suministros de polarización de transformadores aislados CC/CC basados en SN6505B.

Figura 7: Placa de controlador de puerta aislada de doble canal ISO5852SDWEVM-017 de Texas Instruments, montada sobre un módulo IGBT de 150 mm × 62 mm. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Las placas de evaluación del módulo de energía inteligente

STMicroelectronics ofrece la placa de evaluación de control de motores trifásicos STEVAL-IHM028V2 de 2,000 vatios (Figura 8) que incluye el módulo de alimentación inteligente IGBT STGIPS20C60. La placa de evaluación es un inversor CC/CA que genera una forma de onda para accionar motores trifásicos como motores de inducción o motores PMSM de hasta 2000 vatios en HVAC (aire acondicionado), electrodomésticos y herramientas eléctricas monofásicas de alta gama. Los diseñadores pueden usar este EVB para implementar diseños FOC con motores de CA trifásicos.

La sección principal de este EVM es un diseño universal, completamente evaluado y poblado que consiste en un puente inversor trifásico basado en el módulo de alimentación inteligente IGBT de 600 voltios en el paquete SDIP 25L montado en un disipador térmico. El módulo de alimentación inteligente integra todos los interruptores de potencia IGBT con diodos de libre circulación junto con controladores de puerta de alto voltaje. Este nivel de integración ahorra espacio y costos de montaje de la PCB y contribuye a aumentar la fiabilidad. La placa está diseñada para ser compatible con la red monofásica, suministrando de 90 a 285 voltios de CA, y también es compatible con entradas de 125 a 400 voltios de CC.

Figura 8: placa de evaluación de productos STEVAL-IHM028V2 de STMicroelectronics con BDC. Esta placa puede ser utilizada para evaluar una amplia gama de aplicaciones como HVAC (aire acondicionado), electrodomésticos y herramientas eléctricas monofásicas de alta gama. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

La placa de evaluación de 850 vatios maneja múltiples tipos de motores.

ON Semiconductor ofrece la placa de evaluación SECO-1KW-MCTRL-GEVB que permite a los diseñadores controlar diferentes tipos de motores (motor de inducción de CA, PMSM, BLDC) mediante el uso de varios algoritmos de control, incluido el FOC, implementado con un microcontrolador que puede conectarse a través de los cabezales Arduino Due (Figura 9). La placa está diseñada para ser utilizada con el Arduino DUE (cabezal compatible) o una placa controladora similar con un MCU. La placa se introdujo para apoyar a los desarrolladores durante sus primeros pasos en el diseño de aplicaciones con módulos de potencia integrados y corrección del factor de potencia. Está destinado a ser utilizado por diseñadores de bombas y ventiladores industriales, sistemas de automatización industrial y aparatos de consumo.

Figura 9: Diagrama de bloques de la placa de evaluación SECO-1KW-MCTRL-GEVB de ON Semiconductor (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Esta placa de evaluación se basa en el NFAQ1060L36T (Figura 10), una etapa de potencia de inversor integrada que consiste en un controlador de alto voltaje, seis IGBT y un termistor, adecuado para accionar motores de inducción PMSM, BLDC y CA. Los IGBT están configurados en un puente trifásico con conexiones emisoras separadas a las patas inferiores para una máxima flexibilidad en la elección del algoritmo de control. La etapa de potencia tiene una gama completa de funciones de protección, incluyendo protección de conducción cruzada, apagado externo y funciones de bloqueo por baja tensión. Un comparador interno y una referencia conectada al circuito de protección de sobrecorriente permite al diseñador establecer su nivel de protección.

Figura 10: Diagrama de bloques funcional del módulo integrado de potencia NFAQ1060L36T de ON Semiconductor (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Resumen de las características del módulo integrado de potencia NFAQ1060L36T:

• Módulo IGBT trifásico de 10 amperios/600 voltios con controladores integrados
• Paquete compacto de 29.6 mm x 18.2 mm doble en línea
• Protección incorporada bajo voltaje
• Protección de conducción cruzada
• La entrada del ITRIP para apagar todos los IGBT
• Diodos de arranque integrados y resistencias
• Termistor para la medición de la temperatura del sustrato
• Pin de apagado
• Certificación UL1557

Conclusión

El diseño de la electrónica de potencia de motores e inversores a medida, utilizando IGBT discretos para ajustarse a requisitos específicos, puede ser costoso a largo plazo y retrasar los calendarios de diseño. En su lugar, los diseñadores pueden utilizar módulos IGBT estándar que combinan varios dispositivos de alimentación en un solo paquete. Esos módulos apoyan la necesidad de los diseñadores de desarrollar sistemas compactos con un mínimo de interconexiones, simplificando así el montaje, reduciendo el tiempo de comercialización y el costo, y mejorando el rendimiento general.

Como se muestra, los diseñadores pueden utilizar un módulo IGBT con un controlador IGBT adecuado para desarrollar unidades de motor e inversores económicos y compactos que cumplan con los estándares de rendimiento y eficiencia.

Lecturas recomendadas

1. Implementar rápidamente diseños de control de motores utilizando un CI de accionamiento con microcontrolador integrado
2. Usar controladores IGBT de alta corriente con protección incorporada para un control fiable de motores industriales