Como simplificar projetos de acionamentos de motor e inversores usando módulos IGBT

O uso de motores e inversores continuam em crescimento por meio de aplicações como automação industrial, robótica, veículos elétricos, energia solar, produtos de linha branca e ferramentas de potência. Junto com este crescimento, é necessário melhorar a eficiência, baixar custos, reduzir a pegada e simplificar o projeto em geral. Embora seja tentador projetar eletrônica de potência, como motores personalizados e inversores, usando transistores bipolares de porta isolada (IGBT) para cumprir requisitos específicos, isso pode ser caro no longo prazo e atrasar cronogramas de projeto.

Em vez disso, os projetistas podem usar módulos IGBT prontos para uso, que combinam vários dispositivos de potência dentro de um único pacote. Esses módulos dão suporte a necessidade dos projetistas para desenvolver sistemas compactos com o mínimo de interconexões, logo simplifica a montagem, reduzindo o custo, tempo de comercialização e melhorando o desempenho em geral. Combinado com um controlador IGBT apropriado, os módulos IGBT permitem o desenvolvimento de acionamentos de motores e inversores eficientes e econômicos.

Este artigo descreve resumidamente os motores elétricos, inversores, circuitos de acionamentos associados e requisitos de desempenho. A seguir, revisará os benefícios de usar módulos IGBT e vários padrões de empacotamento de módulo, antes de introduzir opções de projeto de acionamento de motor e inversor baseadas em módulos IGBT e Cis controladores de fornecedores como a NXP Semiconductors, Infineon Technologies, Texas Instruments, STMicroelectronics e ON Semiconductor, além de como aplicá-los, incluindo o uso de placas de avaliação.

Tipos de motores e padrões de eficiência

A norma IEC/EN 60034-30 divide a eficiência do motor em 5 classes de IE1 a IE5. A National Electrical Manufacturers Association (NEMA) possui uma escala de classificação que corresponde desde eficiência “padrão” a “ultra-premium” (figura 1). O uso de acionamentos eletrônicos é necessário para atender os padrões de eficiência maiores. Os motores de indução CA com acionamentos eletrônicos podem atender as exigências IE3 e IE4. Mais caros, os motores de imã permanente e acionamentos eletrônicos são necessários para atender níveis de eficiência IE5.

Figura 1: classes de eficiência de motores de acordo com a norma IEC/EN 60034-30 (IE1 a IE5) e classificação NEMA correspondente (eficiência padrão a ultra-premium). Os motores de indução CA com FOC e acionamentos eletrônicos podem atender as exigências IE4. Os motores de imã permanente são necessários para atender níveis de eficiência IE5. (Fonte da imagem: ECN)

O desenvolvimento de microcontroladores (MCUs) de baixo custo permitiu ao projetistas usar controle de vetor, também chamado de controle orientado por campo (FOC), um método de controle por inversor de frequência variável (VFD) na qual as correntes do estator de um motor CA trifásico são identificadas como duas componentes ortogonais que podem ser visualizadas como um vetor. Os controladores proporcionais-integrais (PI) podem ser usados para manter os componentes da corrente medida dentro dos valores desejados. A modulação por largura de pulso do VFD define o chaveamento do transistor de acordo com as referências de tensão do estator, que são as saídas dos controladores PI de corrente.

Originalmente desenvolvido para sistemas de alto desempenho, o FOC está se tornando também muito atrativo para aplicações de baixo custo, devido ao tamanho do motor do FOC, menor custo e baixo consumo de energia. Por causa da disponibilidade crescente dos MCUs de alto desempenho e baixo custo, o FOC está cada vez mais substituindo o controle escalar de uma variável volts-por-Hertz (V/f) de menor desempenho.

Atualmente, há dois tipos primários de motores de ímã permanente em uso, os motores CC sem escovas (BLDC) e os motores síncronos de ímã permanente (PMSM). Todos esses projetos avançados de motores necessitam de eletrônica de potência para acionamento e controle.

Os motores BLDC são duráveis, eficientes e econômicos. Os motores PMSM possuem os atributos dos motores BLDC com menor ruído e eficiências ligeiramente superiores. Todos esses tipos de motores são normalmente usados com sensores Hall, mas também podem ser usados em projetos sem eles. Os motores PMSM são usados em aplicações que requerem níveis maiores de desempenho, enquanto que os motores BLDC são usados em projetos mais sensíveis ao custo.

• Motores BLDC
  • Mais fácil de controlar (6 passos) e requer apenas correntes CC
  • Ondulações de torque nas comutações
  • Menor custo e desempenho inferior (comparado ao PMSM)
• Motores PMSM
  • Normalmente usado em acionamentos servo com um codificador de eixo integrado
  • Controle mais complexo (precisa de PWM senoidal trifásico)
  • Sem ondulações de torque nas comutações
  • Maior eficiência, maior torque
  • Maior custo e desempenho superior (comparado ao BLDC)

Visão geral do inversor

A eficiência de um inversor indica o quanto da potência CC de entrada é convertida para potência CA na saída. Os inversores de onda senoidal com alta qualidade fornecem eficiência de 90-95%. Os inversores de onda senoidal modificada com menor qualidade são mais simples, custa menos e têm menos eficiência, tipicamente de 75-85%. Normalmente, os inversores de alta frequência são mais eficientes do que aqueles de baixa frequência. A eficiência do inversor depende também da carga dele (figura 2). Todos os inversores requerem controles e acionamentos eletrônicos de potência.

No caso de inversores fotovoltaicos, existem três tipos de classificações de eficiência:

• A eficiência de pico indica o desempenho do inversor na saída de potência ótima. Ela mostra o ponto máximo de um inversor particular e pode ser usada como critério de qualidade (figura 2).
• A eficiência europeia é o número ponderado tomando em conta quantas vezes o inversor funcionará a diferentes saídas de potência. Algumas vezes, ela é mais útil do que a eficiência de pico como mostra os desempenhos de inversores a diferentes níveis de saída durante um dia ensolarado.
• A eficiência CEC (California Energy Commission) também é ponderada, semelhante à eficiência europeia, mas usa diferentes suposições sobre os fatores de ponderação.

A principal diferença entre as eficiências europeia e CEC é que as suposições sobre a importância de cada nível de potência, para um inversor em particular, são baseadas nos dados para a Europa Central no primeiro caso e para a Califórnia no segundo.

Figura 2: curva típica da eficiência do inversor mostrando o ponto de eficiência máxima. (Fonte da imagem: Penn State University)

Princípios básicos sobre IGBT

A função básica de um IGBT é o chaveamento mais rápido possível das correntes elétricas com as menores perdas possíveis. Como o nome sugere, um IGBT é um transístor bipolar com uma estrutura de porta isolada; a própria porta é basicamente um MOSFET. Logo, o IGBT combina as vantagens das capacidades de conduzir altas correntes e altas tensões de bloqueio de um transístor bipolar com o controle capacitivo e baixo consumo de um MOSFET. A figure 3 mostra como um MOSFET e um transistor bipolar combinados formam um IGBT.

Figura 3: estrutura conceitual de um IGBT mostrando o MOSFET que constitui da porta isolada e da estrutura do transistor bipolar, que é a seção responsável pela potência. (Fonte da imagem: Infineon Technologies)

O funcionamento fundamental de um IGBT é simples: uma tensão positiva U_GE da porta (G, na figura 3) ao emissor (E) liga o MOSFET. Logo, a tensão conectada ao coletor (C) pode conduzir a corrente de base através do transistor bipolar e o MOSFET; o transistor bipolar liga e a corrente de carga pode fluir. Uma tensão U_GE ≤ 0 volts desliga o MOSFET, a corrente de base é interrompida e o transistor bipolar desliga também.

Embora simples no conceito, desenvolver o hardware para controlar um IGBT – um acionador de porta – pode ser complexo devido as diversas variações de desempenho em circuitos e dispositivos reais. Na maioria das vezes, isso não é necessário. Os fabricantes de semicondutores oferecem acionadores de porta adequados com uma ampla variedade de funções e capacidades conforme as soluções integradas. Por isso, a importância do casamento dos módulos IGBT com os acionadores de porta apropriados.

Os módulos IGBT são oferecidos em uma ampla variedade de pacotes (figura 4). Os tamanhos maiores são dimensionados para tensões de 3.300 volts ou superiores, além de serem projetados para uso em instalações de megawatt, como em sistemas de energia renovável, fontes de alimentação ininterrupta e acionamentos de motores muito grandes. Os módulos de tamanho médio são tipicamente dimensionados de 600 a 1700 volts para uma variedade de aplicações, que inclui veículos elétricos, acionamentos de motores industriais e inversores solares.

Figura 4: os módulos IGBT são oferecidos em uma ampla variedade de pacotes. A faixa típica de tensão nominal varia de 600 volts a 3.300 volts. (Fonte da imagem: Fuji Electric)

Os dispositivos menores são chamados de módulos de potência integrados e são dimensionados para 600 volts, podendo incluir acionadores de porta embutidos e outros componentes para acionamento de motor em sistemas industriais menores e produtos de consumo da linha branca. Os IGBTs operam a níveis de potência mais altos e frequências de chaveamento menores comparados com os outros tipos de componentes de chaveamento de potência (figura 5).

Figura 5: faixa de potência versus frequência de chaveamento para dispositivos comuns de chaveamento de potência (fonte da imagem: Infineon Technologies)

Placas de teste do módulo IGBT para inversores de tração

Para projetistas de inversores de tração de alta tensão, a NXP Semiconductors oferece a placa de avaliação de gerenciamento de energia do acionador de porta FRDMGD3100HBIEVM que usa o CI acionador de porta MC33GD3100A3EK de meia ponte. Essa placa de avaliação foi projetada especialmente para uso com o módulo IGBT FS820R08A6P2BBPSA1 da Infineon (figura 6). É uma solução completa e inclui os CIs acionadores de porta de meia ponte, o capacitor de acoplamento CC e a placa tradutora para conexão a um PC, que fornece os sinais de controle. As aplicações de destino incluem:

• Motores de tração de veículo elétrico e conversores CC de alta tensão
• Carregadores externos e embutidos em placa de veículos elétricos
• Outras aplicações de controle de motor CA de alta tensão

Figura 6: placa de avaliação de gerenciamento de energia do acionador de porta FRDMGD3100HBIEVM da NXP anexada ao módulo IGBT FS820R08A6P2BBPSA1 da Infineon, mostrando a posição do MC33GD3100A3EK, CIs acionadores de porta de meia ponte, o capacitor de acoplamento CC e a placa tradutora para conexão a um PC, que fornece os sinais de controle. (Fonte da imagem: NXP Semiconductors)

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

Para projetistas de acionamentos de motores, inversores solares, carregadores HEV e EV, turbinas eólicas, transporte e sistemas de fonte de alimentação ininterrupta, a Texas Instruments desenvolveu o ISO5852SDWEVM-017 (figura 7). É uma placa controladora de porta isolada de dois canais, que fornece acionamento, tensões de polarização, proteção e diagnósticos necessários para MOSFET genérico de carbeto de silício (SiC) de meia ponte, e módulos IGBT de silício alojados em pacotes padrões de 150 mm × 62 mm × 17 mm. Esta EVM da TI é baseada no CI acionador ISO5852SDW com isolação reforçada de 5.700 volts rms, em um pacote SOIC-16DW com caminho de fuga e folga de 8,0 mm. A EVM inclui fontes de polarização CC de transformador isolado baseadas no SN6505B.

Figura 7: placa controladora de porta isolada de dois canais ISO5852SDWEVM-017 da Texas Instruments montada em cima de um módulo IGBT de 150 mm × 62 mm. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Placas de avaliação de módulo inteligente de potência

A STMicroelectronics oferece a placa de avaliação STEVAL-IHM028V2 para controle de motor trifásico de 2.000 watts (figura 8), apresentando o módulo inteligente IGBT de potência STGIPS20C60. A placa de avaliação é um inversor CC/CA que gera uma forma de onda para alimentar motores trifásicos, como motores de indução ou motores PMSM até 2000 watts em condicionadores de ar (HVAC), produtos de linha branca e ferramentas elétricas monofásicas de última geração. Os projetistas podem usar essa EVB para implementar projetos FOC com motores CA trifásicos.

A seção principal desta EVM é um projeto universal, inteiramente avaliado e pioneiro, que consiste de uma ponte inversora trifásica baseada no módulo inteligente IGBT de potência de 600 volts no pacote SDIP 25L montado sobre um dissipador térmico. O módulo inteligente de potência integra todos os comutadores IGBT com diodos casuais junto com os acionadores de porta de alta tensão. Esse nível de integração economiza espaço da PCI e custos de montagem, além de contribuir para aumentar a confiabilidade. A placa foi projetada para ser compatível com alimentação monofásica de 90 a 285 volts CA, assim como com entradas de 125 até 400 volts CC.

Figura 8: placa de avaliação do produto STEVAL-IHM028V2 da STMicroelectronics com FOC. Essa placa pode ser usada para avaliar uma ampla gama de aplicações como concionadores de ar (HVAC), produtos de linha branca e ferramentas elétricas monofásica de última geração. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

A placa de avaliação com 850 watts opera vários tipos de motores

A ON Semiconductor oferece a placa de avaliação SECO-1KW-MCTRL-GEVB que permite aos projetistas controlar diferentes tipos de motores (motor de indução CA, PMSM, BLDC) através do uso de vários algoritmos de controle, incluindo FOC, implementado com um microcontrolador, que pode ser conectado via barra de pinos no Arduino Due (figura 9). A placa foi projetada para ser usada com o Arduino DUE (barra de pinos compatível) ou uma placa controladora semelhante com um MCU. A placa foi introduzida para dar suporte aos desenvolvedores durante as primeiras etapas de projeto nas aplicações com módulos de potência e correção de fator de potência integrados. Ela deve ser usada por projetistas de ventiladores e bombas industriais, sistemas de automação e eletrodomésticos.

Figura 9: diagrama de blocos da placa de avaliação SECO−1KW−MCTRL−GEVB da ON Semiconductor (fonte da imagem: ON Semiconductors)

Essa placa de avaliação é baseada no NFAQ1060L36T (figura 10), um estágio de potência integrado inversor consistindo de um acionador de alta tensão, seis IGBTs e um termistor, com capacidade para alimentar motores PMSM, BLDC e de indução CA. Os IGBTs são configurados numa ponte trifásica com conexões separadas de emissor nas partes inferiores, para obter máxima flexibilidade na escolha do algoritmo de controle. O estágio de potência possui uma gama completa de funções de proteção, que inclui proteção contra condução cruzada, desligamento externo e bloqueio contra subtensão. Um comparador interno e referência, conectado ao circuito de proteção contra sobrecorrente, permite que o projetista defina o nível de proteção.

Figura 10: diagrama de blocos funcionais do módulo de potência integrado NFAQ1060L36T da ON Semiconductor (fonte da imagem: ON Semiconductor)

Resumo das características do módulo de potência integrado NFAQ1060L36T:

• Módulo IGBT trifásico de 10 amperes/600 volts com acionadores integrados
• Pacote compacto DIL (dual-in-line) de 29,6 mm x 18,2 mm
• Proteção embutida contra subtensão
• Proteção contra condução cruzada
• Entrada ITRIP para desligar todos IGBTs
• Resistores e diodos de bootstrap integrados
• Termistor para medição da temperatura do substrato
• Pino de desligar
• Certificação UL1557

Conclusão

Projetar eletrônica de potência para motores personalizados e inversores usando IGBTs discretos para cumprir exigências específicas pode ser caro no longo prazo e atrasar cronogramas de projeto. Em vez disso, os projetistas podem usar módulos IGBT prontos para uso, que combinam vários dispositivos de potência dentro de um único pacote. Esses módulos dão suporte a necessidade dos projetistas para desenvolver sistemas compactos com o mínimo de interconexões, logo simplifica a montagem, reduzindo o custo, tempo de comercialização e melhorando o desempenho em geral.

Como mostrado, os projetistas podem usar um módulo IGBT com um controlador IGBT adequado para desenvolver acionamentos de motores e inversores compactos e econômicos, que atendam às normas de eficiência e desempenho.

Leitura recomendada

1. Implemente rapidamente os projetos de controle de motor usando um CI de acionamento com microcontrolador integrado
2. Use controladores IGBT de alta corrente com proteção embutida para controle confiável de motores industriais