Aukšto perjungimo dažnio tiesioginių valdiklių technologinė evoliucija: naujos kryptys mažinant dydį ir integruojant

Kodėl aukšto perjungimo dažnio tiesioginiai valdikliai yra būtini tiesioginiams indukcijos varikliams

Dinaminio atsako reikalavimai: kaip LIM stumties valdymas reikalauja submikrosekundžių trukmės srovės reguliavimo

Tikslaus stumties valdymo pasiekimas tiesinėse indukcijos varikliuose (LIM) reikalauja srovės reguliavimo submikrosekundžių lygyje, kad būtų galima kontroliuoti stačiuosius apkrovos pokyčius ir inercijos svyravimus, kurie dažnai pasitaiko aukšto greičio medžiagų pervežimo sistemose. Net nedidelis ±5 % jėgos banga labai paveikia pozicionavimo tikslumą. Todėl gamintojai šiuo metu vis dažniau naudoja aukšto perjungimo dažnio tiesinius variklių valdymo įrenginius, veikiančius dažniu virš 2 MHz. Šie valdymo įrenginiai sukuria srovės kilpos juostos plotį, kuris gerokai viršija 500 kHz, – tai absoliučiai būtina, kad būtų išvengta nepageidaujamų laikinosios būsenos svyravimų, kai įrenginiai greitai pagreitėja arba sulėtėja. Pakanka pagalvoti, kas nutinka be šių mikrosekundžių masto reguliavimų: rezonansas sukelia virpesius, kurie sumažina įrenginių tarnavimo trukmę – kartais net iki 40 %. 2023 metais „Drive Systems Journal“ žurnalo specialistai ištyrė šią problemą atlikdami šilumos ir mechaninės įtempimo bandymus, patvirtindami tai, ką daugelis inžinierių jau seniai įtardavo.

Magnetinio sujungimo apribojimai: sūkio srovių nuostolių ir padėties priklausomos induktyvumo kitimo mažinimas naudojant aukšto dažnio tiesinę reguliavimą

Orinės spragos srauto sąveikos tiesinėse indukcijos varikliuose sukelia induktyvumo pokyčius priklausomai nuo padėties, dažniausiai apie 15–30 procentų viso stumbro ilgio. Šios sąveikos taip pat sukuria sūkurių srovės nuostolius, kurie priklauso nuo perjungimo bangos formos harmonikų turinio. Tradiciniai PWM valdikliai, veikiantys dažniu žemiau 500 kHz, iš tikrųjų šiuos nuostolius padidina, o kai kuriose sistemose net beveik ketvirtadalis įvesties galios prarandama kaip šiluma aliumininiuose antriniuose komponentuose. Naudojant aukšto dažnio tiesinę reguliaciją, situacija gerėja žymiai. Šis metodas riboja magnetinį histerezį labai trumpuose laiko intervaluose – mažiau nei 100 nanosekundžių, sumažina odos efekto nuostolius maždaug dvigubai ir palaiko beveik pastovią srauto tankio reikšmę visose judančiosios dalies padėtyse, nukrypstant ne daugiau kaip ±2 procentais. Šiluminės vaizdo analizės tyrimai parodė, kad šis metodas gali sumažinti maksimalią apvijų temperatūrą maždaug 30 °C palyginti su įprastiniais perjungiamojo režimo sprendimais, kas tikrai padeda pagerinti sistemos patikimumą ir tarnavimo trukmę.

Miniatiūrizavimo pralūžiai, leidžiami >2 MHz perjungimo tiesinėse valdymo IC

Šerdies ir pasyvių komponentų mastelio dėsniai: magnetinės medžiagos tūris ∝ 1/f_sw² ir kondensatoriaus dydis ∝ 1/f_sw

Kai kalbama apie mastelio keitimą, remiantis fizikos principais, matome gan įspūdingus dydžio sumažėjimus, veikiant aukštesnėmis perjungimo dažnio reikšmėmis. Pavyzdžiui, jei perjungimo dažnį (f_sw) padvigubinsime, magnetinių komponentų tūris sumažėja maždaug tris ketvirtadalius, nes jų dydis yra atvirkščiai proporcingas dažnio kvadratui (V_mag proporcionalus 1/f_sw²). Kondensatoriai taip pat tampa mažesni, nors ne tokiais dramatiškais tempais, nes jų matmenys mažėja tiesiškai didėjant dažniui (C_dydis proporcionalus 1/f_sw), kadangi reikia mažiau energijos kaupimo vietos. Pažvelkite, kas nutinka virš 2 milijonų ciklų per sekundę: induktyvumo šerdys susitraukia iki mažiau nei vieno kubinio milimetro, o keraminiai kondensatoriai tilpsta į mažyčius 0402 paketus. Rezultatas? Pasyvių komponentų tinklai tampa 60–70 procentų mažesni palyginti su sistemomis, veikiančiomis tik 500 kHz dažniu. Be to, šie pasiekimai visiškai pašalina būtinybę naudoti tuos gabaritinius tradicinius komponentus, kurie dešimtmečius buvo standartinė praktika.

Realūs pasiekimai: GaN pagrįsti tiesieji valdymo moduliai, kurie užima <8 mm² PCB plotą 15 A LIM fazės varikliams

Galinio nitrido (GaN) integruotos grandinės pasinaudoja tam tikrais mastelio keitimo principais, kad į mažiausius plotus supakuotų neįtikėtinai daug funkcionalumo. Kai kurie pažangūs valdymo moduliai gali tvarkyti iki 15 A fazės srovės, užimdami tik 2,8 × 2,8 mm plotą. Tai maždaug aštuonis kartus mažesnė erdvė nei reikėtų naudojant tradicinius silicio MOSFET tranzistorius spausdintinėje plokštėje. Mažas dydis leidžia montuoti šiuos komponentus tiesiogiai šalia tiesiaeigio indukcinio variklio (LIM) apvijų, todėl sumažėja nepageidaujamos jungiamųjų laidų nuostolios ir nepageidaujamo parazitinės induktyvumo problemos. Atlikus šiluminius modeliavimus matome, kad sandūros temperatūra net ir nuolat veikiant pilna 15 A apkrova lieka patogiai žemiau 125 °C. Toks našumas ypač vertingas pramonės automatizavimo sistemoms, kur erdvė yra labai ribota, tačiau patikimumas lieka absoliučiai būtinas.

Monolitinės integracijos strategijos tiesiaeigio indukcinio variklio valdymo sistemoms

Vartų valdymo įrenginių, analoginio srovės matavimo ir uždarosios kilpos tiesinės išvesties pakopų integracija į vieną sistemą pakuotėje (SiP)

Sistemos-pakete (SiP) metodas sujungia vartų valdiklius, analoginius srovės matavimo komponentus ir uždarosios kilpos tiesinio išėjimo etapus viename kompaktiškame module. Ši integracija sumažina parazitinės induktyvumo problemas apie 60 % lyginant su atskirai pagamintais šių detalių variantais, kaip nurodyta 2023 m. paskelbtoje IEEE Transactions on Power Electronics žurnalo tyrime. Kai signalo keliai tampa trumpesni, reakcijos laikas sumažėja iki tik 5 nanosekundžių, todėl srovės reguliavimas tampa pakankamai tikslus labai tiksliai pozicionavimo užduotims, kurios reikalauja tikslumo mažiau nei mikrometru. Srovės matavimo funkcijos įdėjimas tiesiogiai į išėjimo etapą pašalina poreikį naudoti išorines šuntines varžas. Vien tik šis pokytis sutaupo apie 18 % galios nuostolių ir beveik perpus sumažina reikalingą spausdintosios grandinės plokštės vietą. Be to, šios integruotos konstrukcijos išlaiko gerą signalo kokybę net jungimo dažniuose, viršijančiuose 2 milijonus ciklų per sekundę. Dėl to tiesiniai indukcijos varikliai gali dinamiškai koreguoti savo jėgą vieno mechaninio judėjimo ciklo metu, o ne laukti tarp ciklų.

Šiluminis ir EMI bendras projektavimas: lokalizuoto šildymo ir bendrojo režimo triukšmo valdymas kompaktiškuose LIM valdiklių agregatuose

Kai per daug pastumiamės link didelės tankumo integracijos, galios tankis dažnai viršija 250 W kvadratiniame centimetre, dėl ko kyla rimtų problemų su šilumos valdymu ir elektromagnetiniais triukšmais. Sprendimas? Protingi bendrojo projektavimo metodai šias problemas sprendžia kartu. Pavyzdžiui, naudojant šilumą laidžias medžiagas padeda pašalinti šilumą nuo karštų taškų GaN FET elementuose. Kai kurie inžinieriai taiko dažnių išplitimo spektrą, kuris sumažina EMI smūgius maždaug 12 decibelų. Simetrinės apvijos padeda pašalinti bendrąjį režimą sukeliamą triukšmą, o įmontuoti temperatūros jutikliai automatiškai koreguoja vartų valdymo laiką, kai tai būtina. Visų šių sprendimų derinys leidžia palaikyti sandūros temperatūrą kontroliuojamoje riboje – apie 125 °C net ir tęstinės 15 A apkrovos metu. Be to, elektromagnetinės emisijos lieka maždaug 30 procentų žemiau nei reikalauja CISPR 32 klasės B standartai. Tai reiškia, kad gamintojai dabar gali kurti kompaktiškus variklio valdymo blokus, kurių dydis maždaug atitinka rankos dydį, ir kurie veikia tik natūraliu aušinimu, o ne ventiliatoriais ar kitomis priverstinio oro cirkuliacijos sistemomis.

Tiesinio ir perjungiamojo stiprintuvo kompromisai iš naujo įvertinti tiesinių indukcijos variklių taikymo atveju

Ankstesniais laikais, renkantis stiprintuvus tiesiniams indukcijos varikliams, inžinieriai pasirinkdavo tiesines topologijas, nes jos užtikrindavo geresnę signalo kokybę. Tačiau buvo vienas trūkumas – šie stiprintuvai buvo labai neefektyvūs, kartais net mažiau nei 60 %, todėl reikėdavo pridėti milžiniškus šilumos šalinimo radiatorių blokus. Šie dideli radiatoriai darė visą sistemą didesnę ir brangesnę, nei kas norėtų. Tačiau dabar daug kas pasikeitė. Perjungiamieji stiprintuvai gali pasiekti virš 90 % naudingumo koeficiento, sumažindami laidymo nuostolius dėl greitų būsenų perjungimų. Tačiau tai turi savo kainą. Šie naujesni stiprintuvai sukuria elektromagnetinės sąveikos (EMI) problemas, kurios iš tikrųjų trukdo tiksliai padėties valdymui LIM sistemose. Rasti tobulą pusiausvyrą tarp naudingumo koeficiento padidėjimo ir EMI valdymo išlieka tikra iššūkis šiandieninėms variklių projektavimo komandoms.

Naujausios linijinių valdiklių, veikiančių dažniu virš 2 MHz, raidos galiausiai išsprendžia tas sudėtingas kompromiso situacijas, su kuriomis visi mes jau seniai kovojame. Gamintojai pradėjo derinti gallio nitrido tranzistorius su protingomis elektromagnetinės sąsajos (EMI) slopinimo technikomis, kad sukurtų valdymo mikroschemas, kurių plotas mažesnis nei 8 kvadratiniai milimetrai. Šios mikroschemos palaiko srovės reguliavimą mikrosekundžių lygyje, tuo pačiu sumažindamos šilumos nuostolius apie 40 %, kaip nurodyta praeitais metais „Power Electronics Journal“ žurnale paskelbtose tyrimų rezultatuose. Ką tai reiškia praktinėse programose? Dabar galime kurti daug mažesnes tiesiaeigio indukcijos variklių sistemas, kurios išlaiko įspūdingą naudingumo koeficientą, neprarandant jų reakcijos greičio arba pozicionavimo tikslumo. Pramonė aiškiai juda šia kryptimi – komponentų dydžiai mažėja, o našumo reikalavimai toliau didėja.