Un’economica soluzione ibrida per il controllo motori

Al di là dei pregiudizi per l'adozione di soluzioni ibride a favore di soluzioni monolitiche, le nuove proposte Fairchild per il controllo motori prevedono l'impiego di circuiti integrati di tipo ibrido, caratterizzati da maggior compattezza ed efficienza, di costo analogo ai circuiti monolitici

Pubblicato il 20 febbraio 2015

Nel 95 percento dei casi il controllo motori viene effettuato tramite circuiti integrati specifici – oggi estremamente specializzati – oppure eventualmente abbinando circuiti integrati di controllo a transistor per l’interfaccia di pilotaggio del motore, e ciò nel caso in cui le potenze in gioco diventino elevate.

Più raro è invece il controllo effettuato mediante circuiti ibridi, senz’altro più compatti ed efficienti rispetto a soluzioni discrete, ma più costosi e meno standardizzati. A smentire però questa fama di eccessivo costo dei circuiti ibridi ci ha pensato Fairchild che, con la proposta dei nuovi controller-driver sotto forma di moduli ibridi, offre soluzioni più compatte rispetto agli integrati monolitici, garantendo parallelamente una potenza d’uscita più elevata.

Fig-1

Fig. 1 – L’ingombro ridotto permette di alloggiare il circuito di pilotaggio direttamente all’interno dell’involucro del motore, in asse con il rotore

La serie FSB70 della famiglia “advanced Motion” Smart Power Modules SPM 7 è progettata per pilotare motori elettrici (fino a potenze di 100W) diffusamente utilizzati in una miriade di applicazioni, dal consumer alla home e office automation, evidenziando un’efficienza superiore del 44% rispetto alle soluzioni alternative e integrando una robusta protezione integrata. Inoltre, proprio grazie alla tecnologia di tipo ibrido, l’efficienza termica risulta migliore rispetto a soluzioni monolitiche, che presentano invece una resistenza termica giunzione-contenitore del 12% più elevata.

I prodotti della serie FSB70 integrano un gate-driver ottimizzato per il pilotaggio del Mosfet interno (realizzato in tecnologia FRFET) in modo da minimizzare le perdite nonché le emissioni EMI (grazie al controllo dei transitori dI/dt e dV/dt delle forme d’onda), garantendo inoltre una serie di funzioni di protezione integrate, quali ad esempio l’undervoltage lockout, il controllo termico HVIC, la segnalazione di malfunzionamento accanto alla funzione di interlock.

Sono altresì disponibili i pin open-source dei Mosfet low-side per funzioni di current-sensing nel pilotaggio dei motori trifase; le uscite sono del tipo a inverter high-performance, idonee al pilotaggio di motori AC a induzione, BDLC (Brushless DC) e PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor), mentre per tutte le versioni l’isolamento minimo garantito è di 1.5 kVrms. Il prezzo va dai 3.98 ai 4.55$ per 1000 pezzi a seconda delle versioni, ovvero FSB70250, FSB70325 e FSB70625.

Infine, l’utilizzo del package PQFN (con dimensioni di 13 x 13 millimetri) permette di risparmiare fino al 50% di spazio sul circuito stampato rispetto a soluzioni alternative, offrendo una resistenza termica di soli 0.8 °C/W. L’ingombro ridotto permette di alloggiare il circuito di pilotaggio direttamente all’interno dell’involucro del motore – sullo stesso asse – così come mostrato in figura 1. I moduli SPM 7 utilizzano i Mosfet UniFET di Fairchild da 250 e da 500V con Rds(0n) da 3.4 ohm, e prossimamente quelli da 600V nella tecnologia proprietaria SuperFET.

Obiettivo efficienza e affidabilità

Il fatto che Fairchild ponga un particolare accento sulle problematiche e sui prodotti legati al controllo motori ha una sua precisa ragion d’essere. Come è noto, infatti, il pilotaggio dei motori elettrici rappresenta uno dei settori ove avviene il maggior consumo di energia elettrica, in quanto rappresenta fra il 40 e il 50% del consumo globale di energia a livello globale, per cui è essenziale che le soluzioni di controllo motori siano efficienti e affidabili.

Fig-2

Fig. 2 – Questi i moduli della famiglia SPM 5 di Fairchild

La realtà del comparto motori elettrici risulta alquanto complessa, a causa del fatto che si ha a che fare con un range di applicazioni estremamente ampio. Le principali applicazioni del settore comprendono infatti l’ambito residenziale (refrigeratori, condizionatori, ventole, pompe, robot da cucina, lavatrici, asciugatrici, phon, utensili di hobbistica, computer e periferiche e così via.

Negli ambiti industriale e commerciale i motori sono presenti in pompe, ventole, compressori per aria e liquidi, riscaldamento e condizionamento (HVAC), computer e periferiche, scale mobili, nastri trasportatori, ascensori, impianti di lavaggio industriali, apparati di cottura, carrelli elevatori, gru e così via. Nel settore trasporti i motori elettrici sono altresì utilizzati per i treni elettrici, auto ibride a trazione elettrica, nonché in tutti i veicoli per gli alzacristalli, regolazione fari, raffreddamento, ventilazione e condizionamento.

Per tutte queste innumerevoli applicazioni è possibile scegliere fra vari tipi di motori, con l’obiettivo di ottimizzare il rapporto efficienza/costo. I tipi più utilizzati sono i motori AC a induzione (ACIM), quelli DC a spazzole, i passo-passo, i brushless DC e PMSM, ovvero quelli sincroni a magnete permanente. Scelto il tipo di motore, una particolare cura va utilizzata nella scelta del tipo di pilotaggio, con l’obiettivo di ottimizzare parametri quali ad esempio efficienza, affidabilità, rumore elettrico, prestazioni termiche, ingombro del circuito di controllo e semplicità di progettazione.

Fig-3

Fig. 3 – I diodi di freewheel integrati nei moduli SPM sono realizzati in tecnologia STEALTH, con ridotti trr e Irr

Per soddisfare queste esigenze, Fairchild ha a catalogo tutta una serie di soluzioni, che vanno dai circuiti integrati mixed-signal specifici per il controllo motori (che permettono di rimpiazzare i complicati DSP) fino ai Motion SPM (Smart Power Modules) in grado di controllare e pilotare motori di piccola potenza (20W) fino a coprire le esigenze di progetti di elevata potenza (7.5 kW).

I moduli SPM

I progettisti che hanno l’esigenza di ridurre l’ingombro del circuito di pilotaggio, diminuire i costi di realizzazione e velocizzare il time-to-market aumentando parallelamente l’affidabilità della realizzazione possono giovarsi proficuamente dei moduli SPM di Fairchild. Questi moduli permettono di sostituire fino a ben 25 componenti discreti, integrando infatti 3 driver high-side, 3 driver low-side, 6 Igbt, 6 diodi FRD, 3 diodi di bootstrap, 1 termistore nonché numerosi componenti passivi il tutto in un compatto package da 39 x 23 millimetri, completamente testato (Fig. 2).

Gli Igbt interni NPT da 600V a elevata robustezza garantiscono la minor quantità possibile di perdite sia di conduzione sia di commutazione, i diodi di bootstrap integrati evitano ulteriori ingombri sul circuito stampato ed evitano l’impiego di ulteriori componenti, il tutto completamente protetto da funzioni quali un circuito di controllo del surriscaldamento, di monitoraggio della sottotensione con blocco UVLO e di protezione contro il cortocircuito. Accanto a tutto ciò i diodi di freewheel sono realizzati in tecnologia STEALTH, con ridotti trr e Irr, come si può vedere dall’oscillogramma di figura 3.

Fig-4

Fig. 4 – In base alle esigenze applicative, è possibile dedurre un criterio di scelta fra le varie serie della famiglia di moduli SPM di Fairchild

I moduli SPM sono disponibili nella serie 45H con sigla FNA per correnti d’uscita da 5 a 20A con frequenza di commutazione di 5 kHz e nella serie FNB da 5 a 15A con frequenza di 20 kHz. La serie SPM 5 è stata progettata per il pilotaggio di motori brushless DC di piccola potenza, consentendo di incrementare l’affidabilità e l’efficienza, ridurre le interferenze EMI e offrire soluzioni estremamente compatte.

I moduli SPM 5 integrano 6 Mosfet del tipo FRFET UniFET e 3 HVIC di controllo a semiponte in un compatto package da 12 x 29 millimetri. Gli FRFET integrano diodi di substrato di tipo fast & soft recovery, in grado di offrire una combinazione di basse perdite di commutazione, basse perdite di conduzione a bassa corrente e un’area di sicurezza in polarizzazione inversa (RBSOA) più ampia di quella offerta dagli Igbt. Con sigla FSB50, la serie SPM 5 offre correnti d’uscita da 1.2 a 2A, con valori di RDS(on) da 3.8 a 1.4 ohm e funzioni di protezione e operatività fail-safe che permettono la massima sicurezza operativa.

Completano la famiglia le serie SPM 3 e SPM 2, caratterizzate da maggiori potenze d’uscita (fino a 600V/75A per motori fino a 7.5 kW). La tecnica utilizzata è la DBC, ovvero Direct Bonded Copper al fine di garantire la massima efficienza. La serie SPM 3 comprende moduli a inverter a Igbt e moduli a Mosfet, in package di dimensioni 44 x 26.8 x 5.5 mm per la serie 3 e di 60 x 31 mm per la serie 2.

La serie SPM 2, in particolare, è ideale per il controllo di motori AC a velocità variabile, quali quelli utilizzati negli inverter industriali e negli apparati di climatizzazione. Il package, con substrato ceramico con tecnica DBC e contenitore plastico, garantisce il 27% di potenza erogabile in più rispetto al package TO-220F. Dalla figura 4 è possibile dedurre un criterio di scelta fra le varie serie della famiglia di moduli SPM di Fairchild in base alle varie esigenze applicative.

Si tenge conto che Fairchild offre altresì moduli SPM che integrano circuiti PFC per la correzione del fattore di potenza per correnti fino a 30A, nonché circuiti specifici per il pilotaggio di motori BLDC a 3 fasi e motori PMSM con sensore, con sigle FCM8201 e 8202.

Paolo De Vittor



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