Irams10up60b datasheet на русском

International Rectifier

Константин Староверов
Новостик Элеткроники 18, 2008

Линейка интегрированных силовых модулей IRAM производства International Rectifier дополнена новыми изделиями. Теперь модули охватывают более широкую область применения регулируемых электроприводов переменного тока и делают возможной реализацию более компактных и энергоэффективных систем управления.

В условиях жесткой конкуренции и непрерывного дорожания энергоресурсов производители бытовой техники находятся в постоянном поиске решений, направленных на улучшение ряда показателей выпускаемой ими продукции, в том числе себестоимости, надежности, безопасности, энергоэффективности, сервисных функций. Во многих случаях этого удается добиться за счет применения регулируемого электропривода переменного тока, одной из составляющих частей которого является силовой инвертор напряжения. Именно в ответ на растущую потребность в таком электроприводе компанией International Rectifier и было создано семейство интеллектуальных силовых модулей IRAM, которые помимо силового инвертора содержат драйверный каскад и контрольные элементы. Использование модулей IRAM существенно облегчает проектирование регулируемых электроприводов, т.к. разработчик получает возможность сосредоточиться на основных задачах управления электродвигателем и не вникать при этом в тонкости реализации силового и драйверного каскадов. Детальный обзор многих модулей IRAM уже публиковался на страницах НЭ [1]. С тех пор их линейка пополнилась новыми представителями (см. таблицу 1), которые дают возможность создавать более компактные системы управления электродвигателями различных мощностей, от сотен ватт до единиц киловатт.

Таблица 1. Модули IRAM

Наименование	Харак- те- ристи- ка	Мощ- ность ЭД, кВт	VCES/ VBR(DSS), В	Io (25°C, rms), A	Io (100°C, rms), A	PD, Вт	Fшим, кГц	Rш, мОм	Rt(25), кОм	Rth (J-C), °C/Вт	Корпус	Размеры корпуса, мм
IRAM109-015SD	Модуль одно- фазного H-мосто- вого инвертора	0,06. 0,25	500	2	1	18	20	220	100	5,1	SIP-S	29,2×14,4×4,5
IRAM336-025SB	Модуль трех- фазного инвертора	≤0,25	500	2	1	15	20	—	100	5,8	SIP-S	29,2×14,4×4,5
IRAM136-0461G	Модуль трех- фазного инвертора и одно- фазного выпря- митель- ного моста	0,1. 0,3	600	3.6	2	16	20	340	22	6,6	SIP1	62х22,3х5
IRAMS06UP60A	Модуль трех- фазного инвертора	0,10. 0,50	600	6	3	20	20	—	100	4,2	SIP1	62х22,3х5
IRAMS06UP60B	Модуль трех- фазного инвертора	0,10. 0,50	600	6	3	20	20	50	100	4,2	SIP1	62х22,3х5
IRAMS10UP60A	Модуль трех- фазного инвертора	0,40. 0,75	600	10	5	20	20	—	100	4,2	SIP1	62х22,3х5
IRAMS10UP60B	Модуль трех- фазного инвертора	0,40. 0,75	600	10	5	20	20	33	100	4,2	SIP1	62х22,3х5
IRAM136-1060B	Модуль трех- фазного инвертора	0,25. 0,75	600	10	5	25	20	33	100	4,6	SIP05	44х26,5х5,5
IRAM136-1060BS	Модуль трех- фазного инвертора	0,25. 0,75	600	10	5	25	20	73	100	4,6	SIP05	44х26,5х5,5
IRAMX16UP60A	Модуль трех- фазного инвертора	0,75. 1.50	600	16	8	35	20	—	100	4,0	SIP2	62х29х5,5
IRAMX16UP60B	Модуль трех- фазного инвертора	0,75. 1,50	600	16	8	31	20	18	100	3,5	SIP2	62х29х5,5
IRAMX20UP60A	Модуль трех- фазного инвертора	0,75. 1,50	600	20	10	38	20	—	100	1,5	SIP2	62х29х5,5
IRAMY20UP60B	Модуль трех- фазного инвертора	0,75. 2,20	600	20	12.5	68	20	17	100	1,6	SIP3	78х31,6х6
IRAM136-3063B	Модуль трех- фазного инвертора	≤3	600	30	15	73	20	9,6	100	1,5	SIP3	78х31,6х6
IRAM136-3023B	Модуль трех- фазного инвертора	≤4	150	30	15	89	20	8,3	100	1,2	SIP3	78х31,6х6
Примечания: 1. Новинки выделены красным цветом. 2. Синим цветом отмечены наименования модулей, внутренняя схема которых существенно отличается от остальных.

Двухамперные модули одно-и трехфазных инверторов

Широкое распространение в бытовой технике электроприводов мощностью менее 250 Вт (например, вентиляторы, насосы систем отопления или компрессоры холодильников) обусловило появление в линейке IRAM двухамперных модулей однофазного (IRAM109-015SD) и трехфазного (IRAM336-025SB) инверторов (см. рис. 1).

Рис. 1. Двухамперные модули одно- и трехфазных инверторов

Появление данных модулей стало настоящим «сломом традиций», ведь прежде в семейство IRAM входили исключительно модули трехфазных инверторов и исключительно на основе IGBT-транзисторов. Теперь же в качестве силовых коммутаторов используются силовые МОП-транзисторы и в линейке появился первый модуль для управления однофазными электродвигателями переменного тока. В принципе эта перемена традиций достаточно просто объясняется с технической точки зрения: просто стали актуальными те ниши, где на данный момент по совокупности параметров выгоднее использовать МОП-транзисторы. Именно такой нишей являются слаботочные применения, где МОП-транзисторы еще способны работать с повышенными напряжениями и, при этом, конкурируют по эффективности с IGBT-транзисторами. Двухамперные модули также стали первыми модулями IRAM, которые выпускаются в более компактном корпусе SIP-S. Этот корпус занимает в два раза меньшее пространство, чем корпус SIP1. Однако здесь же необходимо указать на недостаток новых модулей: их контактирующая с теплоотводом металлическая пластина не является изолированной, а соединена с отрицательным полюсом питающей шины. Таким образом, при необходимости электрической изоляции теплоотвода потребуется установка дополнительной изоляционной прокладки.

Однофазный модуль IRAM109-015SD включает два силовых полумоста с драйверами затворов, а также элементы контроля тока (токовый шунт) и температуры (термистор). В отличие от многих модулей IRAM, ИС драйверов данного модуля не оснащены логикой защиты от токовой перегрузки. Взамен у них предусмотрен вход отключения /SD, который дает возможность внешней схеме, в случае выявления аварийной ситуации, быстро и одновременно отключить оба канала.

Внутренняя схема трехфазного модуля IRAM336-025SB тоже имеет свои особенности. Здесь ИС драйвера включает логику токовой защиты, но вот токовый шунт не предусмотрен. С другой стороны, это дает возможность использовать вход контроля тока ITRIP как вход отключения. Отключение силовых транзисторов происходит, если напряжение на этом входе превысит пороговое значение (0,48 В). Еще одной особенностью этого модуля являются соединенные вместе выводы EN (разрешение работы) и /F (выход с открытым стоком сигнализации аварийного режима). Они присутствуют на выводе 17 (FAULT/EN) модуля и дают возможность внешней схеме по одной и той же двунаправленной линии и контролировать состояние модуля, и, при необходимости, блокировать его работу.

10-амперные модули трехфазных инверторов

Прежде компания IR уже выпускала 10-амперные модули для управления трехфазными нагрузками IRAMS10UP60A и IRAMS10UP60B, различающиеся схемой соединения эмиттеров IGBT-транзисторов нижнего уровня. Теперь, линейка 10-амперных модулей расширена двумя новыми представителями IRAM136-1060B и IRAM136-1060BS, у которых эмиттеры транзисторов нижнего уровня, подобно IRAMS10UP60B, соединены вместе. Главным отличием и преимуществом новых модулей является их конструкция. Новые модули размещены в более компактном корпусе SIP05, занимаемое которым место примерно на 20% меньше, чем у корпуса SIP3. Применение более компактного корпуса стало возможным благодаря замене NPT IGBT-транзисторов на более современные Trench IGBT, которые отличаются от прочих разновидностей IGBT-транзисторов меньшей площадью кристалла [2]. Однако платой за снижение размеров стало некоторое ухудшение характеристик суммарных потерь мощности, что ограничивает возможности использования модулей в применениях с близкой к максимальной (20 кГц) частоте коммутации. Например, при токе 7 А и частоте коммутации 20 кГц суммарные потери мощности новых модулей выше примерно на 40% относительно своих предшественников. При более низких токах и частотах коммутации соотношение потерь мощности менее существенно.

Новые модули также дают возможность снизить размеры и себестоимость конечного решения за счет снижения емкости внешних конденсаторов, использующихся для формирования напряжения управления затворами IGBT-транзисторов верхнего уровня. Например, рекомендованное значение емкости этих конденсаторов при работе на частотах, близких к 20 кГц, составляет 1,5 мкФ у новых модулей и 2,2 мкФ у предшественников.

Несмотря на то, что для управления затворами транзисторов у новых и предшествующих модулей используются функционально-подобные ИС драйверов, изменения коснулись и этой части модуля. Самые главные отличия заключаются в том, что у новых модулей имеется два дополнительных вывода: ISD, который связан встроенным резистором с выводом ITRIP ИС драйвера, и RCIN, напрямую соединенный с одноименным выводом этой же ИС. Благодаря этому, применение модулей становится более гибким, так как появляются возможности регулировки уставки срабатывания токовой защиты и задержки перезапуска после выявления аварийного режима работы. У предшествующих модулей эти параметры были фиксированными. Уместно упомянуть, что именно диапазон регулировки уставки по току является единственным различием новых модулей IRAM136-1060B и IRAM136-1060BS. У модуля IRAM136-1060B уставка регулируется в пределах 15. 20 А, а у IRAM136-1060BS — 7. 9 А. Задержка перезапуска у предшествующих модулей фиксированная и составляет не более 8 мс, у новых же модулей ее можно увеличить до 32 мс. На рисунке 2 показана схема включения новых модулей, где выделено подключение регулировочных элементов.

Рис. 2. Схема включения модуля IRAM136-1060B

В их качестве выступают обычные резисторы, от величины сопротивления которых зависит значение уставки. Для выбора сопротивлений резисторов в документации на модули приводятся специальные графики. Граничные значения уставок можно задавать и без помощи резисторов. Если резистор задания уставки по току исключить из схемы, то уставка будет минимальной (15 А), а если закоротить — максимальной (20 А). При исключении из схемы резистора регулировки задержки перезапуска ее величина будет составлять 32 мс. Закорачивание этого резистора недопустимо, т.к. его рекомендованное минимальное сопротивление ограничено значением 1 МОм (задержка около 4 мс).

Еще одно отличие новых модулей состоит в том, что входы подачи ШИМ-сигналов у них имеют прямую логику (активный уровень высокий), а у предшественников — инверсную (активный уровень низкий). В остальном, функции новых модулей, в т.ч. контроль тока и температуры, блокировка при снижении напряжения и исключение сквозной проводимости идентичны прежним.

30-амперные модули трехфазных инверторов

Линейка модулей IRAM теперь замыкается 30-амперными модулями трехфазных инверторов (предшествующие им модули являются 20-амперными). Таким образом, диапазон мощностей трехфазных электродвигателей, которыми могут управлять модули IRAM, расширен от 2,2 до 3 кВт при условии питания от сети переменного тока 220 В. Новые 30-амперные модули IRAM136-3023B и IRAM136-3063B выполнены по идентичной схеме (см. рис. 3).

Рис. 3. Внутренняя электрическая схема модулей IRAM136-30xxB

Их главное отличие заключается в типе используемого коммутатора и напряжении пробоя. Модуль IRAM136-3063B выполнен на основе Punch-Through IGBT-транзисторов, характеризующихся напряжением пробоя 600 В, а в более низковольтном модуле IRAM136-3023B используются силовые МОП-транзисторы (напряжение пробоя 150 В). Появление отдельного низковольтного модуля связано с тем, что современные сильноточные МОП-транзисторы, с одной стороны, отличаются меньшими потерями мощности по сравнению с IGBT-транзисторами, но, с другой стороны, не способны работать при столь же высоких напряжениях. Таким образом, реализация низковольтных и, при этом, сильноточных модулей с точки зрения эффективности более выгодна с использованием МОП-транзисторов. Эта выгода особенно ощутима при работе с близкими к максимальным току и частоте преобразования (20 кГц). Например, суммарные потери мощности 600-вольтового модуля, работающего с током 18 А на частоте 20 кГц, будут составлять около 280 Вт. 150-вольтовый модуль в таких же условиях будет «терять» порядка 210 Вт. Такая экономия особенно важна в портативном электроинструменте с батарейным питанием, т.к., с одной стороны, снижаются размеры теплоотвода, а с другой, — более эффективно расходуется энергия батарейного источника, повышая длительность работы инструмента без перезаряда. Существенное различие в предельно-допустимом напряжении также отражается и на области использования модулей. Если 600-вольтовый модуль, как и большинство других модулей IRAM, рассчитан на применение в бытовом и промышленном электрооборудовании с питанием от сети переменного тока 220 В и для управления электродвигателями кондиционеров, компрессоров и т.п., то 150-вольтовый модуль больше ориентирован на применение в электромобилях, портативном силовом электроинструменте и светотехнических системах с напряжением питающей шины 48. 100 В постоянного тока.

Оба модуля размещены в корпусе SIP3, габаритные размеры которого составляют 78х31 мм (шаг выводов 2,54 мм). Невзирая на то, что наименования некоторых выводов отличаются, их назначение идентично. Если сопоставить внутреннюю схему 30-амперных модулей с другими трехфазными модулями, то можно обнаружить два важных отличия.

• Вывод встроенного термистора и вывод сигнализации обнаружения аварийного режима у 30-амперных модулей соединены вместе. С одной стороны, такое решение экономит число линий ввода-вывода управляющего контроллера (вместо двух, одной аналоговой и одной цифровой, линий теперь требуется только одна аналоговая линия), а с другой стороны, может потребоваться изменение кода программы, чтобы диагностировать активизацию вывода /FT ИС драйвера. Если использовать на этом совмещенном выводе рекомендуемый в документации подтягивающий резистор 12 кОм, то напряжение на нем будет варьироваться от 5 В при температуре -40°С до 0,5 В при температуре 150°С. Таким образом, более низкие напряжения на этом выводе можно интерпретировать, как срабатывание логики защиты ИС драйвера.
• Применена дополнительная температурная защита на основе позистора, которая своим исполнительным элементом воздействует на вход контроля тока ITRIP ИС драйвера, вызывая срабатывание логики токовой защиты.

В остальном возможности этих модулей идентичны остальным трехфазным модулям IRAM.

Выводы

Таким образом, главными особенностями рассмотренных новинок являются более компактная конструкция и ориентация на новые сферы применения: бытовое электрооборудование с маломощным одно- или трехфазным электроприводом, электромобили, портативный силовой электроинструмент, светотехнические системы. Добиться столь существенного снижения габаритных размеров модулей стало возможным благодаря применению новых типов силовых коммутаторов, которым свойственна меньшая занимаемая кристаллом площадь. Кроме того, несмотря на использование функционально подобных ИС драйверов, вследствие применения различных схем их включения, имеются некоторые отличия в функциональных возможностях новых модулей.

1. Башкиров В. IRAMxx — интеллектуальные силовые IGBT-модули для электропривода широкого применения//Новости электроники, №7, 2007 г. — С. 14-17.
2. Башкиров В. Транзисторы Trench IGBT шестого поколения//Новости электроники, №7, 2007 г. — С. 26-30.

International Rectifier

Константин Староверов
Новостик Элеткроники 18, 2008

Линейка интегрированных силовых модулей IRAM производства International Rectifier дополнена новыми изделиями. Теперь модули охватывают более широкую область применения регулируемых электроприводов переменного тока и делают возможной реализацию более компактных и энергоэффективных систем управления.

В условиях жесткой конкуренции и непрерывного дорожания энергоресурсов производители бытовой техники находятся в постоянном поиске решений, направленных на улучшение ряда показателей выпускаемой ими продукции, в том числе себестоимости, надежности, безопасности, энергоэффективности, сервисных функций. Во многих случаях этого удается добиться за счет применения регулируемого электропривода переменного тока, одной из составляющих частей которого является силовой инвертор напряжения. Именно в ответ на растущую потребность в таком электроприводе компанией International Rectifier и было создано семейство интеллектуальных силовых модулей IRAM, которые помимо силового инвертора содержат драйверный каскад и контрольные элементы. Использование модулей IRAM существенно облегчает проектирование регулируемых электроприводов, т.к. разработчик получает возможность сосредоточиться на основных задачах управления электродвигателем и не вникать при этом в тонкости реализации силового и драйверного каскадов. Детальный обзор многих модулей IRAM уже публиковался на страницах НЭ [1]. С тех пор их линейка пополнилась новыми представителями (см. таблицу 1), которые дают возможность создавать более компактные системы управления электродвигателями различных мощностей, от сотен ватт до единиц киловатт.

Таблица 1. Модули IRAM

Наименование	Харак- те- ристи- ка	Мощ- ность ЭД, кВт	VCES/ VBR(DSS), В	Io (25°C, rms), A	Io (100°C, rms), A	PD, Вт	Fшим, кГц	Rш, мОм	Rt(25), кОм	Rth (J-C), °C/Вт	Корпус	Размеры корпуса, мм
IRAM109-015SD	Модуль одно- фазного H-мосто- вого инвертора	0,06. 0,25	500	2	1	18	20	220	100	5,1	SIP-S	29,2×14,4×4,5
IRAM336-025SB	Модуль трех- фазного инвертора	≤0,25	500	2	1	15	20	—	100	5,8	SIP-S	29,2×14,4×4,5
IRAM136-0461G	Модуль трех- фазного инвертора и одно- фазного выпря- митель- ного моста	0,1. 0,3	600	3.6	2	16	20	340	22	6,6	SIP1	62х22,3х5
IRAMS06UP60A	Модуль трех- фазного инвертора	0,10. 0,50	600	6	3	20	20	—	100	4,2	SIP1	62х22,3х5
IRAMS06UP60B	Модуль трех- фазного инвертора	0,10. 0,50	600	6	3	20	20	50	100	4,2	SIP1	62х22,3х5
IRAMS10UP60A	Модуль трех- фазного инвертора	0,40. 0,75	600	10	5	20	20	—	100	4,2	SIP1	62х22,3х5
IRAMS10UP60B	Модуль трех- фазного инвертора	0,40. 0,75	600	10	5	20	20	33	100	4,2	SIP1	62х22,3х5
IRAM136-1060B	Модуль трех- фазного инвертора	0,25. 0,75	600	10	5	25	20	33	100	4,6	SIP05	44х26,5х5,5
IRAM136-1060BS	Модуль трех- фазного инвертора	0,25. 0,75	600	10	5	25	20	73	100	4,6	SIP05	44х26,5х5,5
IRAMX16UP60A	Модуль трех- фазного инвертора	0,75. 1.50	600	16	8	35	20	—	100	4,0	SIP2	62х29х5,5
IRAMX16UP60B	Модуль трех- фазного инвертора	0,75. 1,50	600	16	8	31	20	18	100	3,5	SIP2	62х29х5,5
IRAMX20UP60A	Модуль трех- фазного инвертора	0,75. 1,50	600	20	10	38	20	—	100	1,5	SIP2	62х29х5,5
IRAMY20UP60B	Модуль трех- фазного инвертора	0,75. 2,20	600	20	12.5	68	20	17	100	1,6	SIP3	78х31,6х6
IRAM136-3063B	Модуль трех- фазного инвертора	≤3	600	30	15	73	20	9,6	100	1,5	SIP3	78х31,6х6
IRAM136-3023B	Модуль трех- фазного инвертора	≤4	150	30	15	89	20	8,3	100	1,2	SIP3	78х31,6х6
Примечания: 1. Новинки выделены красным цветом. 2. Синим цветом отмечены наименования модулей, внутренняя схема которых существенно отличается от остальных.

Двухамперные модули одно-и трехфазных инверторов

Широкое распространение в бытовой технике электроприводов мощностью менее 250 Вт (например, вентиляторы, насосы систем отопления или компрессоры холодильников) обусловило появление в линейке IRAM двухамперных модулей однофазного (IRAM109-015SD) и трехфазного (IRAM336-025SB) инверторов (см. рис. 1).

Рис. 1. Двухамперные модули одно- и трехфазных инверторов

Появление данных модулей стало настоящим «сломом традиций», ведь прежде в семейство IRAM входили исключительно модули трехфазных инверторов и исключительно на основе IGBT-транзисторов. Теперь же в качестве силовых коммутаторов используются силовые МОП-транзисторы и в линейке появился первый модуль для управления однофазными электродвигателями переменного тока. В принципе эта перемена традиций достаточно просто объясняется с технической точки зрения: просто стали актуальными те ниши, где на данный момент по совокупности параметров выгоднее использовать МОП-транзисторы. Именно такой нишей являются слаботочные применения, где МОП-транзисторы еще способны работать с повышенными напряжениями и, при этом, конкурируют по эффективности с IGBT-транзисторами. Двухамперные модули также стали первыми модулями IRAM, которые выпускаются в более компактном корпусе SIP-S. Этот корпус занимает в два раза меньшее пространство, чем корпус SIP1. Однако здесь же необходимо указать на недостаток новых модулей: их контактирующая с теплоотводом металлическая пластина не является изолированной, а соединена с отрицательным полюсом питающей шины. Таким образом, при необходимости электрической изоляции теплоотвода потребуется установка дополнительной изоляционной прокладки.

Однофазный модуль IRAM109-015SD включает два силовых полумоста с драйверами затворов, а также элементы контроля тока (токовый шунт) и температуры (термистор). В отличие от многих модулей IRAM, ИС драйверов данного модуля не оснащены логикой защиты от токовой перегрузки. Взамен у них предусмотрен вход отключения /SD, который дает возможность внешней схеме, в случае выявления аварийной ситуации, быстро и одновременно отключить оба канала.

Внутренняя схема трехфазного модуля IRAM336-025SB тоже имеет свои особенности. Здесь ИС драйвера включает логику токовой защиты, но вот токовый шунт не предусмотрен. С другой стороны, это дает возможность использовать вход контроля тока ITRIP как вход отключения. Отключение силовых транзисторов происходит, если напряжение на этом входе превысит пороговое значение (0,48 В). Еще одной особенностью этого модуля являются соединенные вместе выводы EN (разрешение работы) и /F (выход с открытым стоком сигнализации аварийного режима). Они присутствуют на выводе 17 (FAULT/EN) модуля и дают возможность внешней схеме по одной и той же двунаправленной линии и контролировать состояние модуля, и, при необходимости, блокировать его работу.

10-амперные модули трехфазных инверторов

Прежде компания IR уже выпускала 10-амперные модули для управления трехфазными нагрузками IRAMS10UP60A и IRAMS10UP60B, различающиеся схемой соединения эмиттеров IGBT-транзисторов нижнего уровня. Теперь, линейка 10-амперных модулей расширена двумя новыми представителями IRAM136-1060B и IRAM136-1060BS, у которых эмиттеры транзисторов нижнего уровня, подобно IRAMS10UP60B, соединены вместе. Главным отличием и преимуществом новых модулей является их конструкция. Новые модули размещены в более компактном корпусе SIP05, занимаемое которым место примерно на 20% меньше, чем у корпуса SIP3. Применение более компактного корпуса стало возможным благодаря замене NPT IGBT-транзисторов на более современные Trench IGBT, которые отличаются от прочих разновидностей IGBT-транзисторов меньшей площадью кристалла [2]. Однако платой за снижение размеров стало некоторое ухудшение характеристик суммарных потерь мощности, что ограничивает возможности использования модулей в применениях с близкой к максимальной (20 кГц) частоте коммутации. Например, при токе 7 А и частоте коммутации 20 кГц суммарные потери мощности новых модулей выше примерно на 40% относительно своих предшественников. При более низких токах и частотах коммутации соотношение потерь мощности менее существенно.

Новые модули также дают возможность снизить размеры и себестоимость конечного решения за счет снижения емкости внешних конденсаторов, использующихся для формирования напряжения управления затворами IGBT-транзисторов верхнего уровня. Например, рекомендованное значение емкости этих конденсаторов при работе на частотах, близких к 20 кГц, составляет 1,5 мкФ у новых модулей и 2,2 мкФ у предшественников.

Несмотря на то, что для управления затворами транзисторов у новых и предшествующих модулей используются функционально-подобные ИС драйверов, изменения коснулись и этой части модуля. Самые главные отличия заключаются в том, что у новых модулей имеется два дополнительных вывода: ISD, который связан встроенным резистором с выводом ITRIP ИС драйвера, и RCIN, напрямую соединенный с одноименным выводом этой же ИС. Благодаря этому, применение модулей становится более гибким, так как появляются возможности регулировки уставки срабатывания токовой защиты и задержки перезапуска после выявления аварийного режима работы. У предшествующих модулей эти параметры были фиксированными. Уместно упомянуть, что именно диапазон регулировки уставки по току является единственным различием новых модулей IRAM136-1060B и IRAM136-1060BS. У модуля IRAM136-1060B уставка регулируется в пределах 15. 20 А, а у IRAM136-1060BS — 7. 9 А. Задержка перезапуска у предшествующих модулей фиксированная и составляет не более 8 мс, у новых же модулей ее можно увеличить до 32 мс. На рисунке 2 показана схема включения новых модулей, где выделено подключение регулировочных элементов.

Рис. 2. Схема включения модуля IRAM136-1060B

В их качестве выступают обычные резисторы, от величины сопротивления которых зависит значение уставки. Для выбора сопротивлений резисторов в документации на модули приводятся специальные графики. Граничные значения уставок можно задавать и без помощи резисторов. Если резистор задания уставки по току исключить из схемы, то уставка будет минимальной (15 А), а если закоротить — максимальной (20 А). При исключении из схемы резистора регулировки задержки перезапуска ее величина будет составлять 32 мс. Закорачивание этого резистора недопустимо, т.к. его рекомендованное минимальное сопротивление ограничено значением 1 МОм (задержка около 4 мс).

Еще одно отличие новых модулей состоит в том, что входы подачи ШИМ-сигналов у них имеют прямую логику (активный уровень высокий), а у предшественников — инверсную (активный уровень низкий). В остальном, функции новых модулей, в т.ч. контроль тока и температуры, блокировка при снижении напряжения и исключение сквозной проводимости идентичны прежним.

30-амперные модули трехфазных инверторов

Линейка модулей IRAM теперь замыкается 30-амперными модулями трехфазных инверторов (предшествующие им модули являются 20-амперными). Таким образом, диапазон мощностей трехфазных электродвигателей, которыми могут управлять модули IRAM, расширен от 2,2 до 3 кВт при условии питания от сети переменного тока 220 В. Новые 30-амперные модули IRAM136-3023B и IRAM136-3063B выполнены по идентичной схеме (см. рис. 3).

Рис. 3. Внутренняя электрическая схема модулей IRAM136-30xxB

Их главное отличие заключается в типе используемого коммутатора и напряжении пробоя. Модуль IRAM136-3063B выполнен на основе Punch-Through IGBT-транзисторов, характеризующихся напряжением пробоя 600 В, а в более низковольтном модуле IRAM136-3023B используются силовые МОП-транзисторы (напряжение пробоя 150 В). Появление отдельного низковольтного модуля связано с тем, что современные сильноточные МОП-транзисторы, с одной стороны, отличаются меньшими потерями мощности по сравнению с IGBT-транзисторами, но, с другой стороны, не способны работать при столь же высоких напряжениях. Таким образом, реализация низковольтных и, при этом, сильноточных модулей с точки зрения эффективности более выгодна с использованием МОП-транзисторов. Эта выгода особенно ощутима при работе с близкими к максимальным току и частоте преобразования (20 кГц). Например, суммарные потери мощности 600-вольтового модуля, работающего с током 18 А на частоте 20 кГц, будут составлять около 280 Вт. 150-вольтовый модуль в таких же условиях будет «терять» порядка 210 Вт. Такая экономия особенно важна в портативном электроинструменте с батарейным питанием, т.к., с одной стороны, снижаются размеры теплоотвода, а с другой, — более эффективно расходуется энергия батарейного источника, повышая длительность работы инструмента без перезаряда. Существенное различие в предельно-допустимом напряжении также отражается и на области использования модулей. Если 600-вольтовый модуль, как и большинство других модулей IRAM, рассчитан на применение в бытовом и промышленном электрооборудовании с питанием от сети переменного тока 220 В и для управления электродвигателями кондиционеров, компрессоров и т.п., то 150-вольтовый модуль больше ориентирован на применение в электромобилях, портативном силовом электроинструменте и светотехнических системах с напряжением питающей шины 48. 100 В постоянного тока.

Оба модуля размещены в корпусе SIP3, габаритные размеры которого составляют 78х31 мм (шаг выводов 2,54 мм). Невзирая на то, что наименования некоторых выводов отличаются, их назначение идентично. Если сопоставить внутреннюю схему 30-амперных модулей с другими трехфазными модулями, то можно обнаружить два важных отличия.

• Вывод встроенного термистора и вывод сигнализации обнаружения аварийного режима у 30-амперных модулей соединены вместе. С одной стороны, такое решение экономит число линий ввода-вывода управляющего контроллера (вместо двух, одной аналоговой и одной цифровой, линий теперь требуется только одна аналоговая линия), а с другой стороны, может потребоваться изменение кода программы, чтобы диагностировать активизацию вывода /FT ИС драйвера. Если использовать на этом совмещенном выводе рекомендуемый в документации подтягивающий резистор 12 кОм, то напряжение на нем будет варьироваться от 5 В при температуре -40°С до 0,5 В при температуре 150°С. Таким образом, более низкие напряжения на этом выводе можно интерпретировать, как срабатывание логики защиты ИС драйвера.
• Применена дополнительная температурная защита на основе позистора, которая своим исполнительным элементом воздействует на вход контроля тока ITRIP ИС драйвера, вызывая срабатывание логики токовой защиты.

В остальном возможности этих модулей идентичны остальным трехфазным модулям IRAM.

Выводы

Таким образом, главными особенностями рассмотренных новинок являются более компактная конструкция и ориентация на новые сферы применения: бытовое электрооборудование с маломощным одно- или трехфазным электроприводом, электромобили, портативный силовой электроинструмент, светотехнические системы. Добиться столь существенного снижения габаритных размеров модулей стало возможным благодаря применению новых типов силовых коммутаторов, которым свойственна меньшая занимаемая кристаллом площадь. Кроме того, несмотря на использование функционально подобных ИС драйверов, вследствие применения различных схем их включения, имеются некоторые отличия в функциональных возможностях новых модулей.

1. Башкиров В. IRAMxx — интеллектуальные силовые IGBT-модули для электропривода широкого применения//Новости электроники, №7, 2007 г. — С. 14-17.
2. Башкиров В. Транзисторы Trench IGBT шестого поколения//Новости электроники, №7, 2007 г. — С. 26-30.

В данной статье речь пойдет о частотном преобразователе, в простонародье, частотнике. Данный частотник, а в дальнейшем частотный привод, способен управлять 3-х фазным асинхронным двигателем. В данном частотном приводе (ЧП) я использую интеллектуальный силовой модуль компании International Rectifier, а конкретно IRAMS10UP60B (на AliExpress), единственное, что с ним сделал, это перегнул ножки, так что, по сути, модуль получился IRAMS10UP60B-2. Выбор на данный модуль пал преимущественно из-за встроенного драйвера. Главной особенностью встроенного драйвера является возможность использования 3 ШИМ вместо 6 ШИМ каналов. Кроме того цена на данный модуль на eBay около 270 рублей. В качестве управляющего контроллера использую ATmega48.

Разрабатывая данный привод я делал упор на эффективность конструкции, минимальную себестоимость, наличие необходимых защит, гибкость конструкции. В результате получился частотный привод со следующими характеристиками (функциями):

1. Выходная частота 5-200Гц
2. Скорость набора частоты 5-50Гц в секунду
3. Скорость снижения частоты 5-50Гц в секунду
4. 4-х фиксированная скорость (каждая из которых от 5-200Гц)
5. Вольт добавка 0-20%
6. Две "заводских" настройки, которые всегда можно активировать
7. Функция намагничивания двигателя
8. Функция полной остановки двигателя
9. Вход для реверса (как без него)
10. Возможность менять характеристику U/F
11. Возможность задания частоты с помощью переменного резистора
12. Контроль температуры IGBT модуля (сигнализация в случае перегрева и остановки привода)
13. Контроль напряжения DC звена (повышенное-пониженное напряжение DC звена, сигнализация и остановка привода)
14. Пред заряд DC звена
15. Максимальная мощность с данным модулем 750вт, но крутит и 1.1кв на моем ЧПУ
16. Все это на одной плате размером 8 х 13 см .

На данный момент защита от сверх тока или кз не реализованы (считаю нет смысла, хотя, свободную ногу в МК с прерыванием по изменению оставил)

Собственно, схема данного девайса .

Проект в layout

Ниже фото того, что у меня получилось

Печатная плата данного девайса (доступна в lay под утюг)

На данном фото полностью рабочий экземпляр, проверенный и обкатанный (не имеет панельки расположен слева). Второй для теста atmega 48 перед отправкой (расположен справа) .

На данном фото тот самый irams (делал с запасом, должен поместится iramx16up60b )

Алгоритм работы устройства

Изначально МК (микроконтроллер) является настроенным на работу с электродвигателем номинальным напряжением 220В при частоте вращающего поля 50Гц (т.е. обычный асинхронник, на котором написано 220в 50Гц). Скорость набора частоты установлена на уровне 15Гц/сек.(т.е. разгон до 50 гц займет чуть более 3 сек., до 150 Гц-10 сек ). Вольт добавка установлена на уровне 10 %, длительность намагничивания 1 сек. (постоянная величина неизменна ), длительность торможения постоянным током 1 сек. (постоянная величина неизменна). Следует отметить ,что напряжение при намагничивании, как и при торможении, является напряжением вольт добавки и меняется одновременно. К слову, преобразователь частоты является скалярным, т.е. с ростом выходной частоты увеличивается выходное напряжение.

После подачи питания происходит заряд емкости dc звена. Как только напряжение достигает 220В (постоянное ) с определенной задержкой включается реле предзаряда и загорается единственный у меня светодиод L1. С этого момента привод готов к запуску. Для управления частотником имеется 6 входов:

1. Вкл (если подать лишь этот вход, ЧП будет вращать двигатель с частотой 5Гц)
2. Вкл+реверс(если подать лишь этот вход, ЧП будет вращать двигатель с частотой 5Гц, но в другую сторону)
3. 1 фиксированная частота (задается R1)
4. 2 фиксированная частота (задается R2)
5. 3 фиксированная частота (задается R3)
6. 4 фиксированная частота (задается R4)

В этом управлении есть одно Но. Если в процессе вращения двигателя менять задание на резисторе, то оно изменится лишь после повторной подачи команды (вкл.) или (вкл+реверс.). Иначе говоря, данные с резисторов читаются пока отсутствуют эти два сигнала. Если планируется регулировать скорость с помощью резистора в процессе работы, то необходимо установить джампер J1.В этом режиме активен лишь первый резистор, причем резистор R4 ограничивает максимальную частоту, то есть если его выставить на 50% (2.5 вольта 4 "штырь". на фото ниже 5 земля), то частота R1 будет регулироваться резистором от 5 до 100Гц.

Для задании частоты вращение нужно учитывать, что 5v на входе в МК соответствует 200Гц., 1v-40Гц, 1.25v-50Гц и т.д. Для измерения напряжение предусмотрены контакты 1-5, где 1-4 соответствуют номерам резисторов, 5- общий минус(на фото ниже). Резистор R5 служит для подстройки маштабирования напряжения DC звена 1в -100в (на схеме R30).

Расположение элементов

Внимание! Плата находится под напряжением опасным для жизни. Входа управления развязаны оптопарами.

Особенности настройки

Настройка привода перед первым включением сводится к проверке монтажа электронных компонентов и настройки делителя напряжения для DC звена (R2).

100 Вольтам DC звена должно соответствовать 1 вольт на 23 (ножке МК)- это ВАЖНО. На этом настройка завершена.

Перед подачей сетевого напряжения необходимо промыть плату (удалить остатки канифоли) со стороны пайки растворителем или спиртом, желательно покрыть лаком.

Привод имеет "заводские " настройки, которые подходят как для двигателя с напряжением 220В и частотой 50Гц), так и для двигателя с напряжением 380в и частотой 50гц. Данные настройки всегда можно установить если вы не решаетесь сами настраивать привод. Для того чтобы установить "заводские " настройки для двигателя (220в 50Гц) :

1. Включить привод
2. Дождаться готовности (если подано питание только на МК , просто подождать 2-3 секунды)
3. Нажать и удерживать кнопку В1 до тех пор, пока светодиод L1 не начнет мигать, отпустить кнопку В1
4. Подать команду выбора 1 скорости. Как только светодиод перестанет мигать, убрать команду
5. Привод настроен . В зависимости от того . светодиод горел (если не горел, то привод ожидает напряжения на DC звене).

При такой настройке автоматически в записываются следующие параметры:

1. Номинальная частота двигателя при 220В — 50Гц
2. Вольт добавка (напряжение намагничивания, торможения ) — 10%
3. Интенсивность разгона 15Гц./сек
4. Интенсивность торможения 15Гц./сек

Если подать сигнал выбора второй скорости, то в EEPROM запишутся следующие параметры (разница лишь в частоте):

1. Номинальная частота двигателя при 220В- 30Гц
2. Вольт добавка (Напряжение намагничивания, торможения ) 10%
3. Интенсивность разгона 15Гц./сек
4. Интенсивность торможения 15Гц./сек

Наконец, третий вариант Настройки:

1. Нажать на кнопку В1 и держать
2. Дождаться, когда светодиод начнет мигать
3. Отпустить кнопку В1
4. Не подавать напряжение на входа выбора 1-ой или 2-ой скорости
5. Задать параметры подстроечными резисторами
6. Нажать и удерживать кнопку В1 до тех пор, пока светодиод не начнет моргать

Таким образом, до тех пор, пока светодиод мигает, привод находится в режиме настройки. В этом режиме при подаче входа 1-ой или 2-ой скорости в EEPROM записываются параметры. Если не подавать напряжение на входа выбора 1-ой или 2-ой скорости, то фиксированные параметры в EEPROM не запишутся, а будут задаваться подстроечными резисторами.

1. Резистор задает номинальную частоту двигателя при 220 В ( Так, например, если на двигателе написано 200Гц /220 то резистор нужно выкрутить на максимум; если написано 100Гц/ 220в нужно добиться 2.5 Вольта на 1-ом контакте. (1Вольт на первом контакте соответствует 40Гц); если на двигателе написано 50Гц/400В то нужно выставить 27Гц/0,68 В (например:(50/400)*220=27Гц )так, как нам необходимо знать частоту двигателя при 220В питания двигателя. Диапазон изменения параметра 25Гц — 200Гц.(1 Вольту на контакте 1-ом соответствует 40 Гц)
2. Резистор отвечает за вольт добавку. 1 Вольт на 2-ом контакте соответствует 4% напряжения вольт добавки (мое мнение выбрать на уровне 10% то есть 2.5 вольта повышать с осторожностью) Диапазон настройки 0-20% от напряжения сети (1 Вольту на контакте 2-ом соответствует 4%)
3. Интенсивность разгона 1 В соответствует 10Гц/сек (на мой взгляд оптимально 15 -25 Гц/сек) Диапазон настройки 5Гц/сек — 50Гц/сек. (1 вольту на контакте 3-ом соответствует 10 Гц/сек)
4. Интенсивность торможения 1 В соответствует 10Гц/сек (на мой взгляд оптимально 10 -15 Гц/сек) Диапазон настройки 5Гц/сек — 50Гц/сек. (1 вольту на контакте 4-ом соответствует 10 Гц/сек)

После того, как все резисторы выставлены нажимаем и держим кнопку В1 до тех пор пока светодиод не перестанет мигать. Если светодиод моргал и загорелся, то привод готов к запуску.Если светодиод моргал и НЕ загорелся, то ждем 5 секунд, и только потом отключаем питание от контроллера.

Ниже представлена вольт-частотная характеристика устройства для двигателя 220в 50Гц с вольт добавкой в 10 % .

• Uмах- максимальное напряжение, которое способен выдать преобразователь
• Uв.д.- напряжение вольт добавки в процентах от напряжении сети
• Fн.д.- номинальная частота вращения двигателя при 220В . ВАЖНО
• Fmax- максимальная выходная частота преобразователя.

Еще один пример настройки

Предположим, у вас имеется двигатель, на котором указана номинальная частота 50Гц , номинальное напряжение 80В, Чтобы узнать какая будет номинальная частота при 220В необходимо: 220 В разделить на номинальное напряжение и умножить на номинальную частоту (220/80*50=137Гц). Таким образом, мы получим,что напряжение на 1 контакте (резисторе) нужно выставить 137/40=3,45 В.

Симуляция в протеусе разгон 0-50Гц одной фазы (на 3-х фазах зависает комп )

Как видно из скриншота с ростом частоты увеличивается амплитуда синуса. Разгон занимает примерно 3.1 сек.

По поводу питания

Рекомендую использовать трансформатор, так как это самый надежный вариант. На моих тестовых платах нет диодных мостов и стабилизатора для igbt модуля 7812. Для скачивания доступны две печатные платы. Первая та которая представлена в обзоре. Вторая имеет незначительные изменения, добавлен диодный мостик и стабилизатор. Защитный диод ставить обязательно P6KE18A или 1.5KE18A ставить обязательно.

Пример размещения трансформатора, как оказалось найти совсем нетрудно.

Какой двигатель можно подключить к данному преобразователю частоты?

Все зависит от модуля. В принципе можно подключить любой, главное, чтобы его сопротивление для модуля irams10up60 было более 9 Ом. Нужно учесть, что модуль irams10up60 рассчитан на маленький импульсный ток и имеет встроенную защиту на уровне 15 А Этого очень мало. Но для двигателей 50Гц 220В 750 Вт, этого за глаза. Если у вас высокооборотистый шпиндель, то скорее всего он имеет маленькое сопротивление обмоток. Данный модуль может пробьет импульсным током. При использовании модуля IRAMX16UP60B (ножки придется загнуть самостоятельно) мощность двигателя по даташиту возрастает с 0.75 до 2.2 КВт.

Главное у данного модуля: ток короткого замыкания 140А против 47А, защита настроена на уровне 25А. Какой модуль использовать решать вам. Нужно помнить что на 1 кВт необходимо 1000мкФ емкости dc звена.

По поводу защиты от КЗ. Если у привода сразу после выхода не ставить сглаживающий дроссель (ограничивает скорость нарастания тока) и коротнуть выход модуля, то модулю придет "хана". Если у вас модуль iramX, шансы есть. А вот с IRAMS шансов ноль, проверено.

Программа занимает 4096 кБ памяти из 4098. Все сжато и оптимизировано под размер программы по максимум. Время цикла есть фиксированная величина равная 10мс.

На данный момент всё вышеописанное работает и испытано.

Если использовать кварц на 20МГц, то привод получится 10-400Гц; темп разгона 10-100Гц/сек; частота ШИМа возрастет до 10кГц; время цикла упадет до 5мс.

Забегая вперед следующий частотный преобразователь будет реализован на ATmegа64, иметь разрядность ШИМ не 8, а 10 Бит, иметь дисплей и множество параметров.

Ниже смотрите видео настройки привода, проверки защиты перегрева, демонстрации работы (использую двигатель 380В 50Гц, а настройки для 220В 50Гц). Так сделал специально, чтобы проверить как работает ШИМ с минимальным заданием.)

В свободном доступе прошивке не будет, НО запрограммированный контролер ATmega48-10pu или ATmega48-20pu будет дешевле mc3phac. Готов ответить на все ваши вопросы.