【導(dǎo)讀】將逆變器從控制柜轉(zhuǎn)移到電機(jī)導(dǎo)致了新的逆變器設(shè)計(jì)要求。其中要求的是熱管理。標(biāo)準(zhǔn)柜式逆變器在相當(dāng)友好的環(huán)境中運(yùn)行，沒有特殊的 IP 保護(hù)要求，與電機(jī)不同，電機(jī)安裝在生產(chǎn)線中靠近正在加工的貨物的位置。相比之下，嵌入式驅(qū)動(dòng)器使用內(nèi)部逆變器，這要求電機(jī)和逆變器都防水、防塵，從而影響系統(tǒng)的熱性能。
將逆變器從控制柜轉(zhuǎn)移到電機(jī)導(dǎo)致了新的逆變器設(shè)計(jì)要求。其中要求的是熱管理。標(biāo)準(zhǔn)柜式逆變器在相當(dāng)友好的環(huán)境中運(yùn)行，沒有特殊的 IP 保護(hù)要求，與電機(jī)不同，電機(jī)安裝在生產(chǎn)線中靠近正在加工的貨物的位置。相比之下，嵌入式驅(qū)動(dòng)器使用內(nèi)部逆變器，這要求電機(jī)和逆變器都防水、防塵，從而影響系統(tǒng)的熱性能。
在 IP65 保護(hù)系統(tǒng)中，所有組件的耗散功率只能通過(guò)其表面（主要是散熱器）排出。因此，嵌入式系統(tǒng)中使用的逆變器的設(shè)計(jì)必須限度地減少功耗，并使用良好的熱界面將所有功耗組件連接到散熱器。保持整體溫度較低并避免系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)熱點(diǎn)，可確保整體系統(tǒng)的可靠性。
圖 1. CI + PFC 拓?fù)洹D片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
此外，逆變器必須足夠小以適應(yīng)給定的環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)緊湊的電機(jī)設(shè)計(jì)和高安裝密度。例如水處理、熱泵和通風(fēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)表面積的減少使得優(yōu)化熱管理變得更加重要。同時(shí)，縮小整體系統(tǒng)體積需要智能系統(tǒng)分割，限度地減少功率部分、儲(chǔ)能和逆變器控制板之間的互連。
所有應(yīng)用的共同要求是整流二極管、無(wú)源或有源 PFC 以及電機(jī)的逆變器級(jí)，如圖 1 所示。需要額外的 PFC 電路來(lái)滿足 2012 年制定的能效指令，以開發(fā)具有以下功能的應(yīng)用：更高的效率。
圖 2 顯示了嵌入式驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)應(yīng)用，說(shuō)明了集成逆變器實(shí)現(xiàn)的緊湊性。
圖 2. 作為嵌入式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示例的 Wilo 泵和 ebm-papst 風(fēng)扇。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
挑戰(zhàn)在于將具有爬電距離和間隙要求的組件（需要 PCB 上的大量空間）移動(dòng)到適用其他規(guī)則的新位置。這些組件包括 CI + PFC 半導(dǎo)體以及自舉電路、分流器、緩沖電容器等部件。這就是電源模塊發(fā)揮作用的地方。電源模塊通常填充有電絕緣硅膠，介電強(qiáng)度為每毫米幾千伏。用硅膠覆蓋組件可以使它們封裝得更密。
其中一個(gè)障礙是兩條軌道之間的距離，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn) Al2O3 DCB 時(shí)，該距離需要 >0.5 mm。對(duì)于功率半導(dǎo)體裸片來(lái)說(shuō)，這不是一個(gè)問(wèn)題，但對(duì)于電阻器、電容器和二極管等分立元件來(lái)說(shuō)，這變得更具挑戰(zhàn)性，對(duì)于 IC 來(lái)說(shuō)更是如此。在這些情況下，Vincotech 的厚膜技術(shù)提供了有前途的解決方案，可實(shí)現(xiàn)小于 0.5 毫米的細(xì)間距。
Vincotech 為嵌入式驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供兩種類型的模塊：僅包含功率半導(dǎo)體的 DCB 模塊和還包含有源和無(wú)源元件的厚膜模塊。雖然兩者都基于氧化鋁，但它們的主要區(qū)別在于基材厚度以及兩側(cè)是否有銅平面。由于 Al2O3 是一種易碎材料，需要小心處理，因此厚膜基板的厚度約為 DCB 的兩倍，約為 1 毫米。此外，它們具有更高的熱阻，因?yàn)轫敳亢偷撞裤~的缺失不允許熱擴(kuò)散。
厚膜模塊基于一種技術(shù)，該技術(shù)允許在氧化鋁基板上印刷不同的層，然后在 850 °C 下燒制。各種漿料可用于不同的用途，例如用于高功率軌道的低歐姆導(dǎo)體和電阻器漿料，范圍從用于分流器的低值到用于各種電阻器功能的 MΩ 范圍內(nèi)的高值。
激光微調(diào)電阻器可提高其精度，而添加玻璃鈍化層可提高其可靠性。
圖 3. 比較基于 DCB 的模塊（左）和厚膜模塊（右）。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
下圖描述了集成到厚膜模塊中的組件。首先，與標(biāo)準(zhǔn)電源模塊的情況不同，柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的實(shí)現(xiàn)包括二極管、電阻器和電容器（這種情況非常罕見）。，以柵極電阻和柵極-發(fā)射極電容為例。其他 Vincotech 厚膜產(chǎn)品具有不同的開啟和關(guān)閉柵極電阻，以及可選的柵極發(fā)射極電阻，用于在沒有電源的情況下對(duì)柵極進(jìn)行放電。
圖 4. 厚膜電源模塊的內(nèi)部電路。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
圖 5.不使用 Cge（左）和使用集成 Cge（右）的 EMI 測(cè)量。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
該電路還包括一個(gè) PFC 電路，該電路具有快速 650 V IGBT 或更快的 Si MOSFET 以及快速 Si 二極管，或者當(dāng)需要更高的開關(guān)頻率和效率時(shí)，還包括 SiC 二極管。
DC+和DC-之間的陶瓷電容器閉合電源電路內(nèi)的高頻環(huán)路。柵極和發(fā)射極之間的電容器進(jìn)一步改善了 EMI，如圖 5 所示。
電容器的放置會(huì)對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生很大影響。
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