IGBT modul SLLIMMTM nano od STMicroelectronics®

S každým dnem se objevují nové aplikace, kde se používá mnoho součástek. Spolu s vývojem aplikací se vyvíjejí i součástky, které umožňují vývojářům a výrobcům navrhnout a uvést na trh nové, dokonalejší výrobky. Stejně překotný vývoj jako v oblasti mikrokontrolérů, je možné vidět i u ostatních součástek. Jednou z oblastí, která je velmi důležitá, je oblast zaměřená na výkonové řízení například elektrických motorů, jež jsou součástí mnoha zařízení okolo nás. Z klasických aplikací, s kterými se setkal snad každý, jmenujme např. myčky nádobí, sušičky, ledničky, kuchyňské roboty, mixéry, klimatizace, šicí stroje a mnoho jiných zařízení. Jak je i z tohoto krátkého neúplného výčtu vidět, je potenciálních aplikací pro moderní spínací prvky více než dost. Pokud pro tyto zařízení použijeme modernější součástky s lepšími parametry, můžeme jednak ušetřit mnoho drahocenné energie jednak můžeme nabídnout zařízení s lepšími vlastnostmi.

Zaměřme se na výkonové řízení elektrických motorů napájených síťovým napětím 230 V s nízkými výkony do cca 150 W. Pro něj jsou určeny nové spínací prvky SLLIMM™ nano. Tyto prvky v sobě integrují špičkovou technologii STMicroelectronics®, která vyniká krátkými časy přechodu tranzistoru z vypnutého stavu do sepnutého stavu (tr). Tato technologie byla použita například u IGBT tranzistorů řady IGBT, a to konkrétně typu STGD3HF60HD, které byly popsány v minulém čísle časopisu. Tyto IGBT tranzistory jsou taktéž použity i v nových spínacích prvcích STGIPN3H60(A). Šest kusů těchto kvalitních IGBT tranzistorů tvoří v obvodech STGIPN3H60(A) tři poloviční můstky s maximálním pracovním napětím 600 V. I když jsou tyto výkonové tranzistory zapouzdřeny spolu s další logikou v malém pouzdru NDIP-26, jsou schopné spínat proudy až 3 A. Je to možné jednak díky krátkým spínacím časům tranzistorů, které se pohybují v ns oblasti a díky níž jsou ztráty v obvodu velmi nízké, poté díky nízkému saturačnímu napětí IGBT tranzistorů, které se pohybuje typicky 2,15 V (Tj=25 °C a Ic=1 A). Vlastností použité technologie je to, že toto saturační napětí dokonce s teplotou klesá až na 1,65 V při Ic=1 A a teplotě přechodu Tj=125 °C, což je i maximální pracovní teplota přechodů. Jelikož minimální pracovní teplota je –40 °C, je možné obvody využít i v náročných podmínkách. Z výše uvedeného počtu implementovaných polovičních můstků je zřejmé, že nové obvody jsou zaměřeny na třífázové řízení elektrických motorů.

Aby řízení těchto motorů bylo co nejjednodušší a bezpečné, implementoval výrobce do obvodů STGIPN3H60(A) velmi užitečné funkce, které se jinak musí řešit diskrétně.

Snad nejdůležitější funkcí implementované logiky je vkládání mrtvých časů do signálů ovládajících spínání IGBT tranzistorů tak, aby nedošlo k situaci, kdy oba tranzistory jednoho polovičního můstku budou ve vodivém stavu, což představuje zkrat napájecího napětí, byť jen chvilkový. Tento stav je jak z hlediska spolehlivosti, tak účinnosti, nepřijatelný. Díky tomuto faktu můžeme, když potřebujeme, ovládat oba tranzistory jednoho polovičního můstku dokonce jedním signálem.

Další ochranou, kterou výrobce, firma STMicroelectronics® integrovala na čip obvodu, je ochrana před přetížením při nízkém napětí. Při nízkém napájecím napětí nemusí polem řízené tranzistory dokonale sepnout. Tento stav je velmi nebezpečný, a proto je nutné v momentu nedostatečné velikosti napájecího napětí odstavit výkonovou část obvodu. Právě o toto se stará implementovaná ochrana, která dokáže zablokovat budicí signály do výkonových tranzistorů IGBT. Tyto se pak budou nacházet ve vypnutém stavu, kdy neexistuje riziko spojené s výkonovým přetížením.

Aby bylo možno nejen ovládat, ale i částečně kontrolovat stav ovládaného elektromotoru, je v obvodu STGIPN3H60 integrován operační zesilovač, který zjednodušuje měření proudu protékajícího vinutím ovládaného motoru. Pro případy, kdy není tato funkcionalita nutná, lze s výhodou využít obvod STGIPN3H60A, který tento operační zesilovač nemá.

Jelikož obvod vyžaduje pro správnou funkci propojení s např. řídicím mikrokontrolérem, který bude generovat požadované průběhy řídicích signálů, vybavil výrobce obvod univerzálními vstupy. Tyto vstupy jsou schopny akceptovat logické úrovně jak moderní 3,3V logiky, tak i starší 5V logiky a dokonce staré CMOS logiky napájené 15 V.

Jak je z výše uvedeného krátkého představení vidět, nové moduly SLLIMM™ nano posunují pomyslnou laťku vlastností spínacích prvků zase o kus výše. Díky novým vlastnostem má tak konstruktér možnost navrhnout lepší zařízení nejen s nižšími ztrátami, ale zejména s novými, lepšími vlastnostmi. Snížení ztrát přispívá ke snížení spotřeby elektrické energie, nové vlastnosti představených modulů SLLIMM™ nano umožňují nabízet výrobky s lepšími funkcemi. Obojí znamená velkou konkurenční výhodu a tím lepší pozici pro výrobky osazené lepšími součástkami na dnešním trhu.

Aktuální informace o novinkách od firmy STMicroelectronics® nejen z této, ale i mnoha dalších oblastí, můžete najít na webových stránkách www.st.com. Cenové nabídky je pak možné vyžádat u distributorů.