Introduzione: Progettazione di sistemi di potenza sotto pressione
Negli ultimi anni, il ciclo di progettazione tipico di un prodotto si è accorciato; allo stesso tempo, l'offerta di prodotti delle aziende è aumentata in numero e si è adattata meglio alle diverse applicazioni. I team di progettazione odierni devono inoltre dedicare una quantità crescente di risorse al raggiungimento della conformità. Queste maggiori esigenze vengono spesso soddisfatte a scapito della progettazione dello stadio di potenza, che comporta sfide elettriche e termomeccaniche e richiede spesso un intenso lavoro di laboratorio.
Di fronte alla scarsità di opzioni per valutare nuovi progetti che utilizzano i dispositivi di potenza più avanzati, i progettisti potrebbero essere tentati di ricorrere a una soluzione nota e collaudata che utilizza dispositivi più vecchi e meno efficienti. Ciò può influire sul prodotto finale, ad esempio, richiedendo un dissipatore di calore relativamente grande e costoso, che potrebbe essere ridotto o addirittura eliminato utilizzando progetti più recenti basati su tecnologie di semiconduttori di potenza più moderne.
Strumenti orientati alle applicazioni:
gli strumenti di progettazione online possono potenzialmente contribuire a semplificare la progettazione degli stadi di potenza, ma i selettori di dispositivi basati sul web hanno un valore limitato. Un esempio tipico, come quello mostrato in Figura 1, indica una serie di parametri chiave ma non menziona l'ambiente termico o la frequenza operativa.
Lo strumento web di nuova generazione di IR, introdotto nel 2011, rappresenta un importante passo avanti consentendo l'analisi di parametri applicativi critici come temperatura e frequenza. Nelle versioni precedenti, un motore di elaborazione in background calcolava la temperatura di esercizio della giunzione in diverse condizioni operative semplici ma rappresentative. L'ultima versione riduce ulteriormente il divario tra l'ambiente termico e il dispositivo stesso e offre funzionalità avanzate che consentono di tenere conto della resistenza termica del dissipatore di calore, nonché della resistenza termica dei dispositivi a montaggio superficiale.
Tra la Figura 2 e la Figura 6 si può osservare come lo strumento possa essere utile per valutare diverse alternative di IGBT e tecniche di progettazione nella creazione di un piccolo azionamento per motori, ad esempio per un elettrodomestico.
Le caratteristiche del package e le condizioni operative elettriche vengono inserite nelle apposite finestre, incluso il requisito standard di tempo di cortocircuito di 10 µs. Viene specificata una staffa di dissipazione del calore che si collega al ponte trifase e viene inserita la sua resistenza termica di 12 °C/W.
Lo strumento utilizza questi dati per calcolare le perdite di potenza nelle condizioni di applicazione specificate. Solo i dispositivi che operano a una temperatura di giunzione inferiore a un limite preimpostato vengono accettati come potenziali candidati. Il limite di temperatura è pari alla temperatura di giunzione massima meno la riduzione inserita nella Figura 2. È importante ricordare che i valori di perdita di potenza e temperatura non sono assoluti e devono essere utilizzati solo per confrontare i potenziali candidati.
Gli IGBT che soddisfano i requisiti introdotti nella Figura 2 sono i quattro mostrati nella Figura 3. Sono ordinati in base alla temperatura di giunzione, che è ovviamente strettamente correlata all'efficienza.
Lo strumento può essere utilizzato per esplorare soluzioni alternative, come il montaggio superficiale senza dissipatore di calore. Il progetto è stato rivisto per specificare un package DPAK per il montaggio superficiale e una resistenza termica all'ambiente di 40 °C/W. Ciò rappresenta una scheda con laminato di rame da 4-6 once e connessioni sotto gli IGBT. Le restanti condizioni operative rimangono invariate.
Questa volta lo strumento indica i due IGBT mostrati in Figura 4. La dissipazione di potenza è simile a quella degli IGBT in Figura 3, ma poiché il package e il die del semiconduttore sono più piccoli, si prevede che i dispositivi DPAK siano meno costosi. La temperatura di giunzione potrebbe essere leggermente superiore, ma rimane entro i limiti della giunzione e della capacità del circuito stampato.
Ridurre il tempo di cortocircuito richiesto da 10 µs a 5 µs (perfettamente entro il tempo di risposta dei tipici circuiti integrati per il rilevamento della corrente) potrebbe aiutare a identificare altri dispositivi adatti che possono essere adattati a questa applicazione.
Questa volta, lo strumento indica gli stessi due IGBT mostrati nella Figura 4, più uno nuovo (Figura 5) che riduce la dissipazione di potenza e la temperatura di giunzione. Come prevedibile, questo IGBT più efficiente è il nuovo dispositivo a trincea, mentre gli altri due sono a superficie piana.
L'ultima versione dello strumento, appena rilasciata, consente agli ingegneri di fare un ulteriore passo avanti nella loro analisi confrontando le prestazioni relative dei diversi IGBT candidati, ottenendo così una migliore comprensione delle loro capacità.
Il grafico mostrato in Figura 6 è generato selezionando ciascun numero di riferimento nella finestra di sinistra e cliccando sul pulsante "Grafico Corrente vs. Frequenza". I valori di corrente e frequenza sono stati stabiliti nelle figure precedenti. Si noti che in questo grafico la temperatura di giunzione rimane costante nonostante le variazioni di temperatura e corrente; questo è il risultato finale.
Perfezionamento del progetto
Come mostrato in Figura 6, lo strumento dimostra chiaramente che l'IRGR4045 presenta caratteristiche di pilotaggio superiori rispetto agli altri due IGBT, in quanto può condurre una corrente significativamente maggiore a frequenze più basse. È inoltre evidente che la capacità di trasporto di corrente si degrada molto più rapidamente con l'aumentare della frequenza, indicando maggiori perdite di commutazione. Come sanno i progettisti esperti, le alte frequenze di commutazione possono causare problemi di interferenze elettromagnetiche (EMI) anziché vantaggi tangibili, in particolare negli azionamenti per motori.
La tabella fornisce anche indicazioni sulla temperatura di esercizio della giunzione e sulla dissipazione di potenza. I grafici corrispondono a una temperatura di giunzione inferiore di 25 °C rispetto al valore massimo, in base ai dati inseriti nella prima schermata. L'IRGR4045 ha una temperatura nominale di 175 °C, mentre gli altri hanno una temperatura nominale di 150 °C. Questo è uno dei motivi per cui la curva dell'IRGR4045 è molto più alta rispetto alle altre due.
In pratica, le limitazioni del circuito stampato impedirebbero al driver del motore di esempio di sfruttare la temperatura nominale più elevata dell'IRGR4045. Tuttavia, come si può vedere nella Figura 5, l'IRGR4045 ha la temperatura di esercizio più bassa per questa applicazione. Questo fornisce un ulteriore indizio per l'ottimizzazione: eliminare i collegamenti a bordo scheda e utilizzare rame da 4 once può ridurre il costo della distinta base. Gli effetti sulle perdite e sulla temperatura possono essere confermati tornando al selettore dei dispositivi, aumentando la resistenza termica da 40 °C/W a, ad esempio, 50 °C/W, e verificando i risultati.
Questo esempio dimostra che la nuova versione di questo strumento web è più efficace delle versioni precedenti nell'aiutare i progettisti a valutare le prestazioni dei loro sistemi di alimentazione e a ottimizzare i progetti dal punto di vista dei costi, dell'efficienza e dell'affidabilità.
Strumenti futuri:
Gli strumenti di progettazione di potenza basati sul web più avanzati potrebbero ancora essere ulteriormente migliorati. IR ha individuato due aree principali a questo proposito. Una riguarda l'ottenimento di un calcolo più rappresentativo del duty cycle e delle perdite del convertitore. Nello schema di Figura 6, le perdite sono calcolate per un convertitore buck che opera con un duty cycle del 50% in modalità CC. In questa modalità operativa, il diodo incapsulato con l'IGBT non conduce. Il diodo complementare non conduce e le sue perdite non vengono calcolate.
La temperatura di giunzione calcolata per il dispositivo superiore rimane formalmente corretta perché il suo diodo non conduce, ma il calcolo non è rappresentativo di un'applicazione reale poiché il duty cycle potrebbe essere maggiore o minore e le perdite varierebbero di conseguenza.
Per superare questa limitazione, IR ha iniziato a sviluppare strumenti specifici per le applicazioni. Ciò offre l'opportunità di tenere conto di fattori aggiuntivi, come gli effetti di diverse strategie di modulazione e il fatto che un IGBT in un azionamento motore conduce solo durante metà del ciclo di corrente del motore, mentre il suo diodo conduce durante l'altra metà. Uno strumento sviluppato specificamente per gli azionamenti motore terrebbe conto di tutti questi fattori, considerando anche l'ambiente termico. Questo strumento calcolerebbe il duty cycle in base all'indice di modulazione e al fattore di potenza inseriti dall'utente.
Il secondo miglioramento riguarda il fatto che l'ambiente termico non può essere caratterizzato con precisione dai valori di resistenza termica, poiché il calore non fluisce linearmente da un punto all'altro, ma circola in tutte le direzioni a seconda del differenziale di temperatura. Non esiste un'unica "temperatura del dissipatore" o "temperatura della giunzione"; esiste invece una distribuzione di temperatura sulla superficie della giunzione e una distribuzione di temperatura tridimensionale all'interno del dissipatore.
Gli strumenti analitici necessari per modellare accuratamente un ambiente termico sono già disponibili sotto forma di motori FEA che possono essere integrati nel software. La sfida consiste nel creare un set adeguato di modelli per i dissipatori di calore. Questi modelli vengono sviluppati in settori particolarmente esigenti come quello automobilistico. La strada da seguire è quella di standardizzare questi modelli e renderli più utili per applicazioni di carattere generale.
In conclusione:
le nuove generazioni di semiconduttori di potenza possono contribuire a ridurre le dimensioni e il costo complessivo delle soluzioni, offrendo al contempo livelli più elevati di affidabilità ed efficienza. Tuttavia, questi vincoli possono impedire ai progettisti di esplorare nuove opportunità e incoraggiare il riutilizzo di progetti più datati. La conseguenza è una prestazione non ottimale del prodotto finale. Gli strumenti basati sul web di ultima generazione si dimostrano efficaci nell'accelerare la progettazione di sistemi di potenza e nell'aiutare gli ingegneri a sfruttare le tecnologie all'avanguardia nella progettazione di nuovi prodotti.
Autore:
Steve Clemente, responsabile tecnologico, International Rectifier Corp.
