Figura 1.
1. Introdução
Ajustar o desempenho de EMI de um sistema é uma tarefa complexa, pois os parâmetros que o influenciam são numerosos e requerem uma investigação detalhada.
Assim, a troca de uma unidade de potência ou de um estágio de um UPS, por exemplo, através da atualização de um módulo semicondutor de potência, é uma tarefa morosa. O estudo realizado neste documento limita-se ao driver de gate e à sua relação de compromisso entre dv/dt e, especificamente, a perda de potência de comutação. Ao analisar a dependência do comportamento de comutação, especialmente dv/dt, em função da resistência de gate, por um lado, e considerando que a perda do IGBT é altamente influenciada pela escolha das condições de controlo do gate, por outro, é possível estabelecer uma relação entre a perda do IGBT e o potencial comportamento de EMI. Da investigação resulta um gráfico que mostra a perda de potência de comutação, a resistência de gate e a taxa de variação da tensão de comutação (dv/dt).
Além disso, uma plataforma de avaliação compacta, a "Placa de Avaliação", composta pelo driver de IGBT isolado e pelo conversor CC/CC para o funcionamento do módulo IGBT 6 em 1 equipado com um CSTBT™ de última geração e um díodo flyback (FwDi), é apresentada e analisada através de termografia. Inicialmente, foram realizados ensaios de comutação utilizando geradores de múltiplos impulsos nas condições consideradas mais desfavoráveis. Embora a perda de comutação seja geralmente maior em casos de elevada tensão do barramento CC combinada com elevada corrente de coletor e elevada temperatura de junção do dispositivo em teste, o comportamento dv/dt, em contrapartida, é mais severo à temperatura ambiente e baixas correntes. Aplicações como controladores de motores e Sistemas de Alimentação Ininterrupta (UPS) estão sujeitas a todas estas diferentes condições durante o funcionamento, por exemplo, desde arranques a frio até ao funcionamento com cargas elevadas e as suas respetivas temperaturas de junção elevadas.
2. Teste da configuração e dos parâmetros
2.1 Perda de potência na ligação (Eon)
Todas as medições para caracterizar a perda de potência na ligação foram realizadas num módulo IGBT 6 a 1 de 150 A/1200 V. A medição da perda requer apenas uma fase do módulo. A configuração do teste é apresentada na Figura 1, enquanto as condições deste teste são mencionadas na Tabela 1.
As energias de comutação medidas são consequência da perda de potência instantânea integrada dentro dos limites de tempo especificados de 10% da corrente de comutação e 10% da tensão de alimentação Vcc aplicada. A Figura 2 indica esses limites.
2.2 Medição de dv/dt
A aquisição de informação de dv/dt é realizada num ponto de especificação onde são esperados os valores mais elevados de dv/dt, como referido na introdução, por exemplo, a baixas correntes e temperaturas relativamente frias.
Este cenário de pior caso foi determinado como sendo 10% da corrente nominal do IGBT e uma tensão de alimentação do barramento CC de 600 VCC. Na verdade, o RBSOA do chipset CSTBT™ de sexta geração cobriria até 850 V, mas para muitas aplicações de controlo de motores alimentadas sem entrada ativa, foi escolhido o valor de 600 VCC. Todas as condições de controlo são apresentadas na Tabela 2.
O circuito de teste originalmente proposto na Figura 1 para a potência de activação foi modificado para manter o dispositivo em teste "não flutuante". Esta modificação da configuração de teste permite que o osciloscópio seja mantido a um potencial estável e não flutuante. A configuração de teste utilizada para a medição de dv/dt é apresentada na Figura 3.
3. Plataforma de Avaliação
3.1 Projeto da Placa de Avaliação
Estes testes podem ser realizados utilizando uma placa de avaliação dedicada (EVB), como se pode observar na Figura 4.
A solução de 2 PCBs apresentada na Figura 4 ilustra a construção desta placa de avaliação: um circuito integrado de driver de IGBT com deteção de dessaturação está localizado sobre o módulo IGBT, e o conversor CC-CC isolado é utilizado para cada IGBT na segunda placa, localizada sobre a placa do driver de gate. Os resistores de gate podem ser selecionados de entre toda a gama recomendada de IGBTs disponíveis neste encapsulamento, e o conversor CC-CC concebido abrange toda a gama de módulos IGBT 6 em 1 utilizando CSTBT™ de 6ª geração, tendo em conta frequências de comutação até 20 kHz.
Figuras 2a e 2b: Intervalo de integração da perda de comutação em consequência da energia de comutação da ignição (Eon).
O isolamento de segurança entre as entradas de controlo e a saída do IGBT foi obtido através do fotoacoplador e do isolamento reforçado do conversor CC-CC.
3.2 Projeto da PCB
Além disso, o projeto desta plataforma de avaliação torna-se crítico devido às limitações de espaço que afetam as distâncias de folga e de fuga alcançáveis. Como mostra a Figura 4, a placa de avaliação consiste, na realidade, em duas PCB montadas uma sobre a outra e interligadas por pinos conectores.
A placa de circuito impresso (PCB) junto ao módulo IGBT contém o isolamento elétrico para o estágio de entrada e o próprio circuito de acionamento do gate, enquanto a PCB acima do circuito de acionamento do gate contém o conversor CC-CC que fornece energia aos circuitos de acionamento do gate individuais para cada canal. O consumo de energia estimado por canal é derivado da carga de gate (comparativamente pequena) do CSTBT™ de 6ª geração utilizado nos níveis de tensão de gate específicos para ativação e desativação, respetivamente, e numa gama de frequências de comutação possíveis.
Calculando o estágio de potência do acionamento do gate necessário para o maior módulo disponível numa configuração 6 em 1, por exemplo, um dispositivo de 150 A/1200 V, com uma frequência de comutação máxima de 15 kHz, e considerando uma polarização positiva de 15 V e uma polarização negativa de 8 V, resultará numa necessidade de energia de aproximadamente 1 W por canal de acionamento.
Numa abordagem conservadora, o conversor CC-CC, implementado em topologia push-pull, foi concebido para fornecer 1,5 W por canal do driver IGBT. Tendo referido anteriormente a dificuldade em fornecer folgas e distâncias de isolamento suficientes, verifica-se que, apesar da pequena área da embalagem do IGBT e da complexidade da disposição dos pinos, é possível obter aproximadamente 5,5 mm de folga e distâncias de isolamento na placa do driver IGBT. O projeto do conversor CC-CC revela outros desafios.
Figura 3.
Após a seleção de núcleos EE-13.5 de grande dimensão e componentes predominantemente montados em fios (THT) para a primeira placa de avaliação do conversor CC-CC protótipo, a distância de isolamento alcançável foi limitada a apenas cerca de 3,5 mm. Uma futura revisão desta placa visa atingir distâncias de isolamento e de fuga de 5,5 mm ou mais, permitindo a utilização desta plataforma em ambientes com elevada contaminação. Dada a ampla potência deste projeto de SMPS, as metas de isolamento e de fuga podem ser alcançadas ajustando a potência da SMPS e selecionando núcleos de ferrite menores, bem como utilizando componentes de montagem em superfície para estabilizar as polarizações positiva e negativa das tensões de acionamento do gate. A placa de circuito impresso do conversor CC-CC contém também um circuito para transferir a informação de temperatura do termistor NTC incorporado na caixa do módulo IGBT, através de uma barreira de isolamento de segurança, para o conector de pinos de controlo na parte superior da placa. Para além da avaliação do desempenho elétrico, foi também analisado o desempenho térmico do conversor CC-CC.
Figura 4: EVBNX 6 em 1 e a sua solução de 2 PCBs. Em baixo: driver IGBT, em cima: conversor DC/DC
Figura 5: Dois controladores IGBT adjacentes na placa controladora e a distância de fuga.
Figura 6: Imagem térmica do conversor CC-CC
3.3 Avaliação Elétrica e Térmica
O conversor CC-CC e o desempenho do estágio de perdas do controlador foram avaliados durante a fase de projeto através de simulação. Uma avaliação e verificação térmica foram realizadas no primeiro protótipo para demonstrar os resultados teóricos anteriores. Uma imagem de câmara de infravermelhos do conversor CC-CC sob (sobre)carga, por exemplo, 1,5 W por canal IGBT com todos os 6 canais a funcionar, é apresentada na Figura 6. A imagem foi obtida após o equilíbrio térmico ter sido atingido a uma temperatura ambiente de 21 °C. Toda a superfície foi pintada de preto, proporcionando uma emissividade uniforme de 0,99 para toda a placa de circuito impresso e os seus componentes montados. Foram escolhidos cinco pontos de referência para esta análise, como se pode ver na Figura 5. Embora os resultados das condições de funcionamento com carga máxima sejam mais relevantes nos resultados da avaliação térmica, uma avaliação elétrica de uma fonte de alimentação comutada (SMPS) deve também considerar toda a gama de carga, por exemplo, de 0% a 100% (150%) da carga, para testar a estabilidade suficiente da tensão fornecida. A imagem térmica mostra que muitos transformadores pequenos são utilizados em paralelo neste projeto de teste e, portanto, o equilíbrio das tensões secundárias também deve ser considerado.
O controlo em malha fechada da fonte de alimentação comutada (SMPS) apresentou resultados satisfatórios, com variações de tensão pequenas e aceitáveis em toda a gama de carga. No entanto, a temperatura bastante heterogénea da placa, como mostra a Figura 6, requer uma análise mais aprofundada.
Este ponto de referência na imagem térmica nº 5, o ponto mais afastado das fontes de calor, contém a informação da temperatura base da placa de circuito impresso (PCB).
Figura 7: “Compromisso” entre Eon e dv/dt em função da perda de resistência de porta (com base na medição da amostra “ES”)
Os pontos indicados são atribuídos aos números de 1 a 5 e correspondem aos estágios seguintes do conversor CC-CC indicados na Tabela 3.
O ponto de referência com a temperatura mais elevada, de 70,8 °C, está 49,8 K acima da temperatura ambiente.
Uma análise mais aprofundada deve ser realizada nos componentes com as temperaturas de encapsulamento mais elevadas, conforme mostrado na Figura 6. Considerando as perdas individuais dos componentes marcados e calculando a elevação da temperatura interna usando a resistência térmica individual Rth (jc) de cada componente, é possível avaliar a segurança e a fiabilidade do projeto. A temperatura de junção mais elevada encontra-se na referência número 4, por exemplo, no circuito de estabilização da tensão positiva do gate.
Neste caso, a temperatura mais elevada medida à superfície corresponde à temperatura de junção mais elevada calculada. A solução do conversor CC-CC proporciona um design termicamente estável, mesmo sob uma sobrecarga de aproximadamente 1,5 vezes, e revela uma margem que poderá ser utilizada para tornar o design mais compacto ou para aumentar a temperatura ambiente máxima permitida da plataforma de avaliação.
4. Resultados
Os resultados compilados dos testes de perda de potência na ligação (Eon) e dv/dt são apresentados no gráfico da Figura 7 abaixo. Os resultados de dv/dt e Eon são apresentados em conjunto nesta figura, que utiliza como parâmetro os valores da resistência da porta. Para além da EMI, considera-se também que o dv/dt tem impacto no envelhecimento do enrolamento. A EMI, para além do IGBT/FwDi e da sua velocidade de comutação como fonte, é também influenciada por mecanismos de propagação, como o acoplamento capacitivo. Uma atualização do módulo IGBT implica que a propagação de EMI/EMC permanece basicamente inalterada, exceto na construção interna do módulo. Os novos módulos propostos utilizam nitreto de alumínio (AlN) como substrato, o que permite uma redução da capacitância de acoplamento entre os footprints e os lados do coletor dos chips em relação à massa, aumentando a espessura do substrato em comparação com o Al2O3 convencional. Para fornecer uma referência para os resultados de Eon versus dv/dt de um módulo industrial padrão sem a nova 6ª geração do CSTBT™ e FwDi, os resultados são também apresentados na Figura 7. Ao comparar estas duas tecnologias diferentes, o módulo com o chip de 6ª geração oferece um melhor equilíbrio entre dv/dt e perda de potência na ligação específica. Portanto, uma solução de chip superior mantém um certo nível de dv/dt em comparação com uma solução industrial padrão. A gama de definições de dv/dt nos inversores dependerá da aplicação final dos estágios de potência. As aplicações com um filtro de saída dedicado operam a níveis de dv/dt mais elevados em comparação com as aplicações de controlo de motores.
Especialmente para aplicações de controlo de motores, os valores típicos de dv/dt podem ser observados a menos de 8 kV/s e, geralmente, muito mais próximos de 4 kV/s.
5 Conclusão
O estudo de um módulo IGBT 6 em 1 equipado com o novo chipset testado e um novo FwDi demonstrou perdas de comutação superiores em relação ao desempenho de dv/dt quando comparado com as gerações anteriores de módulos IGBT.
Esta melhoria na relação custo-benefício resulta em controladores com melhor desempenho ou, consequentemente, numa potencial vantagem de custo devido à redução da filtragem EMI.
Autor:
Marco Honsberg*, Thomas Radke*, Kazufumi Ishii**, Jokou Manotobu**
* Mitsubishi Electric Europe BV, Alemanha
** Mitsubishi Electric Corporation PDW, Fukuoka, Japão
6. Bibliografia
1. Yamada, M. Nakamura et al.: a mais recente tecnologia IGBT de alto desempenho e alta fiabilidade em novos encapsulamentos com layout de pinos convencional, PCIM 2003, pp. 329-334
2. M. Iwasaki, M. Seo, T. Iwagami, H. Sakata, M. Honsberg, “Um novo encapsulamento miniatura DIPIPM com desempenho EMI otimizado para eletrodomésticos”, PCIM Europe 2001
3. T. Ohi et al.: Novos métodos de proteção contra sobrecorrente para drivers IGBT usando monitorização de tensão de porta, EPE 2003
4. Lawrence. Curran: Fontes de Alimentação Comutadas, EDN, pp. 19-23, Fevereiro de 2001.
5. Mark I. Montrose: Técnicas de Design de Placas de Circuito Impresso para Conformidade com EMC, Wiley-IEEE Press Series on Electronics, Junho. 6.º Skuriat, R., Johnson, CM: Desempenho Térmico de Módulos de Potência com Arrefecimento por Baseplate e Substrato Direto, 4ª Conferência IET sobre Eletrónica de Potência, PEMD, York, 2008.
