使用传动装置的变速驱动器技术方案

作者：周金昌

变速驱动器（VSD）可以非常有效地改变电动机的扭矩和速度，并广泛用于诸如电动机驱动，伺服和热力之类的重载应用中，通风和空调（HVAC）。在采用VSD之前，交流输出功率只能以电网功率的线路频率施加，通常在不需要全速时使用机械制动。因此，根据需求调节速度不仅可以减少能耗，而且可以延长电动机的工作寿命。最受欢迎的一种实现此目的的设备是转换器-逆变器-制动（CIB）模块。图1显示了CIB模块的基本轮廓。模块电路由三部分组成：变频器，变频器和制动器。这些部分的首字母-C，I和B-就是众所周知的。在正常运行期间，转换器级的输入（图1中的R / S / T）从电网汲取三相电力，并将交流电调节为直流电。

有两种常用的三相电压。240V级和400V级;根据电压大小，建议使用650V CIB类模块或1200V CIB类模块。在转换器级之后，将立即将电容器连接到DC总线，以消除由动态功率使用引起的来自逆变器的电压纹波。然后，逆变器级将DC输入斩波为AC输出以为电动机供电。这可以通过打开和关闭模块此部分中的6-IGBT来实现。输出电压/电流通过脉冲宽度调制来控制；信号被构造为产生以所需速度和方向驱动电动机所需的功率。当安森美半导体®定义TMPIM电源模块的安培额定值时，电流是指逆变器部分中的IGBT额定值。作为指导，1200V 25A TMPIM CIB模块将提供5kW的电动机功率；35A TMPIM将输出7.5kW;50A可提供10kW，15kW和20kW的功率。重要的是要注意，通常提供千瓦输出功率额定值。如果应用程序使用不同的控制和冷却设置，则此额定功率可能会有很大差异。

因此，最大输出功率由功率模块的设计以及如何控制和冷却模块来定义。安森美半导体的运动控制在线仿真工具可帮助您选择最合适的模块。当电动机停止和减速时，其操作会切换到再生模式。电动机产生的功率被转移回直流总线电容器。当产生的功率过大时，可能会过度充电并损坏电容器。在这种情况下，制动IGBT导通，将多余的电流引至与IGBT串联连接的外部制动电阻器。这种布置会耗散过多的再生功率，并使电容器电压保持在安全水平。

在具有风扇，泵和加热器驱动器的应用中，在再生功率不重要的情况下，可以卸下制动器。在这种情况下，该模块称为CI模块，它代表转换器逆变器模块。

图1：转换器-逆变器-制动（CIB）模块的基本配置

电源集成模块的创新包装

通用CIB / CI模块使用凝胶填充包装，该包装将功率组件封装在外壳内。这种方法涉及一个多阶段的制造过程，但也许更重要的是，它固有地结合了不均匀材料和界面的额外层，这会削弱模块并降低其坚固性。安森美半导体通过开发传输模制功率集成模块（TMPIM）挑战了这一规范。顾名思义，开发的过程是一种单阶段的封装技术，可以用相同的材​​料创建包装和包围组件的介质。

传递模具工艺消除了对多种材料的需求，包括通常用于容纳组件的塑料盒，胶水和包围功率器件的密封剂。除了整体上更有效的制造工艺外，传递模塑还能提供十倍的温度循环，从而直接提高效率。这为最终产品的尺寸和形状提供了更大的灵活性，并提供了更高的可靠性和更大的功率密度。

迄今为止，安森美半导体已采用其TMPIM工艺开发和发布了许多针对功率要求在3.75 kW至10 kW之间的应用的模块，包括六个额定电流分别为25 A，35 A和50 A的1200 V CIB模块。这些设备在DIP-26封装中提供，并包括CBI和CI变体。现在，安森美半导体将扩展其产品系列，提供1200 V CBI模块，这些模块提供75 A和100​​ A的电流输出，并推出一系列650 V模块，额定电流在35 A和150 A之间。这些设备将能够满足功率要求高达20kW的应用，并在QLP封装配置文件中提供。DIP-26封装的两侧都有端子，而QLP是四边形的引线框架封装，所有四个侧面都有端子。

封装增强可提供更高的功率密度

为了适应更高的输出功率水平，安森美半导体进一步开发了其TMPIM工艺，从而推出了标准版和增强版。增强版本具有先进的基板，该基板具有较厚的铜层，从而无需基板，从而使两种封装形式的外部尺寸保持相同。这使制造商根据其功率需求在两者之间进行迁移更为简单。与可比较的模块相比，卸下底板可将模块的体积减少约57％，同时与标准TMPIM封装相比，可将导热率提高30％。

图2：安森美半导体的标准和增强型TMPIM封装

寿命更长

通过增加所用铜的厚度，封装具有较低的热阻和较高的热质量，而先进的基板则进一步提高了模块的可靠性。

如前所述，整个组件，包括芯片，引线框架和键合线，都封装在与封装相同的环氧树脂中。在DIP-26程序包中，CBI和CI模块都共享相同的引脚分配。在CI模块中，制动端子没有内部连接。

安森美半导体自己的竞争对手分析表明，使用其传递模塑工艺制造的模块可提供十倍的高温循环，功率循环可提高三倍，同时具有更好的导热性和整体效率。

结论

在电机驱动，伺服和HVAC应用中，VSD通常采用CIB或CI电路中的电源模块。通过创新的TMPIM技术开发功率集成模块，安森美半导体现在能够以更小的封装提供更高的效率和更高的功率密度。