Vantagens do uso do projeto IPM e cuidados na seleção

Vantagens do uso do projeto IPM e pontos a observar na seleção

Norman Day

breve introdução

Porque a estrutura do circuito de potência acionada por motor monofásico ou trifásico já é bastante madura e estável, o módulo de potência que integra o interruptor de potência e o circuito de acionamento dessa parte teve um impacto revolucionário no conceito de projeto de sistemas de inversores de frequência após sua introdução. Com a maturidade da tecnologia de encapsulamento de módulos e a rápida queda de custos, há uma tendência de substituir gradualmente os componentes tradicionais e tornar-se a linha principal do projeto de sistemas. Esse módulo de potência integrado tem um nome bastante conhecido, chamado módulo de potência integrado/inteligente, abreviado como IPM [1]. Infelizmente, a maioria dos projetistas ainda trata esse tipo de componente como uma caixa-preta. Ou o abandonam por medo de não conseguir lidar com os problemas que possam surgir, ou apenas aceitam a influência de alguns fabricantes líderes e formam conceitos pouco consistentes. No entanto, nem os primeiros nem os segundos acreditam que o projetista deva adotar uma postura diante da tendência de encapsulamento integrado de potência. Somente escolhendo um conceito de projeto com vantagem competitiva e dominando plenamente as características e limitações dos componentes utilizados é que se pode garantir que eles não serão eliminados pelo mercado em rápida mudança.

Vantagens do uso do projeto IPM

Em termos do custo de um único componente, o IPM realmente tem dificuldade para competir com os elementos de encapsulamento separados já padronizados e produzidos em massa. No entanto, considerar apenas o projeto global do produto com base no custo de material isolado não é a visão que um projetista deve ter, por isso o nível de discussão deste tema precisa ser ampliado. Aqui, o autor o divide em três níveis: desempenho, confiabilidade e preço, para explorar as diferenças trazidas pelo uso do IPM no projeto do sistema.

Desempenho:

(1) Reduz significativamente o número de componentes e a área necessária para a PCB

(2) Oferece soluções com alto isolamento e boa dissipação de calor

(3) Reduz significativamente a complexidade do layout das linhas

(4) Reduz o efeito de indutância parasita na conexão do cristal de potência e do circuito de acionamento

(5) Os cristais integrados internamente têm propriedades elétricas semelhantes

(6) Pode responder em tempo real a vários tipos de proteção contra anomalias

Os benefícios do primeiro item são evidentes. A figura (1) fornece dados quantitativos para referência. A segunda vantagem vem das diferenças proporcionadas por processos distintos. Ao usar o elemento separado tradicional como projeto, como o emissor ou o coletor do cristal de potência interno está diretamente conectado à carcaça metálica exposta, para alcançar um projeto com alto isolamento e fácil condução térmica, além de selecionar uma junta isolante de alto custo unitário, isso também torna a operação de produção mais complexa, dificulta o controle de anomalias do produto acabado montado e é muito caro

tempo de montagem. O IPM rompe com a ideia de que o projeto tradicional só pode girar em torno dos problemas acima e oferece uma solução real com alto isolamento e excelente dissipação de calor. O diagrama na figura (2) apresenta a conclusão acima de forma mais específica.

A figura (3) mostra o diagrama de projeto do circuito usando componentes tradicionais, e a figura (4) mostra o diagrama de projeto do circuito usando IPM. Ambos alcançam a mesma função, mas o circuito obtido com o sistema de projeto IPM é relativamente simples. Na verdade, o diagrama de circuito na figura (IV) acima destaca principalmente a comparação simplificada entre o circuito de potência e o circuito de acionamento. Se os resultados ainda mais simplificados do circuito usando a alimentação auxiliar e a amostragem de corrente correspondentes ao IPM também forem apresentados na figura (IV), a diferença de simplificação do circuito será maior.

Nos critérios de projeto dos componentes tradicionais, reduzir a indutância de fuga da conexão entre as linhas e encurtar ao máximo o circuito entre o IGBT e o CI de acionamento para obter menor esforço de comutação e interferência de linha sempre foi a direção dos projetistas de sistemas. No entanto, tomando como exemplo o diagrama esquemático da figura (5), a conexão do coletor e do emissor do IGBT apresenta efeitos de indutância parasita de diferentes magnitudes. Para reduzir esses efeitos, o caminho entre os encapsulamentos tradicionais deve ser curto e espesso. Portanto, é necessário usar PCB multicamada ou aumentar a área da PCB para atender a tais requisitos; o IPM pode resolver bem esses efeitos parasitas no nível do encapsulamento. O motivo é que, não importa o quão próximo o CI de acionamento esteja do interruptor de potência (IGBT ou MOSFET de potência) usando o layout da PCB, ele nunca ficará tão próximo quanto ao ser colocado diretamente ao lado do interruptor de potência na forma de cristal nu. Da mesma forma, se cada interruptor de potência for conectado diretamente ao frame de terminais por wire bonding, isso será muito menor do que a conexão por meio do pino do componente tradicional em si e depois pela folha de cobre da PCB.

A característica mencionada no quinto item é que o IPM pode resolver diretamente o problema de controle de montagem anormal que preocupa o projetista do sistema no nível da wafer.

Os fabricantes japoneses costumam adotar uma postura rigorosa em relação à montagem do sistema. A prática consiste em medir as características de cada chip de potência antes da montagem na linha. Durante a produção e a montagem, componentes com características semelhantes devem ser montados na mesma placa PCB para reduzir possíveis problemas causados pelo desvio dos parâmetros dos componentes no sistema durante a produção em massa. Por exemplo, se o atraso de desligamento e o tempo de desligamento do braço superior estiverem de acordo com a especificação, mas próximos do limite superior, enquanto as características de ligamento do braço superior forem exatamente o contrário, então, se o efeito não linear causado pela elevação da temperatura de operação for somado, a possibilidade de os braços superior e inferior conduzirem ao mesmo tempo durante a comutação aumentará muito, resultando em consumo adicional de energia. Além disso, a base original de projeto do dissipador de calor partia da premissa de que a potência dissipada por cada chip era equivalente, mas se a premissa acima também ocorresse no parâmetro V(CE), a distribuição desigual de calor poderia ainda causar fuga térmica e levar à falha do sistema. Mas, nesse caso, por causa da exceção de correspondência

Os problemas potenciais causados por isso são ignorados pelos projetistas ou negados pela gestão devido ao impacto sobre benefícios e custos. Mesmo que exista esse conceito, o projetista só pode usar uma margem de projeto maior para contorná-lo, como aumentar o tempo morto e ampliar a área do dissipador de calor para obter uma temperatura de operação mais baixa etc., mas o pagamento relativamente necessário é reduzir o desempenho do sistema e aumentar o custo dos materiais. Na verdade, depois que cada wafer é testado, já existiria um diagrama de distribuição característica de cada chip bruto, mas as informações dessa característica de distribuição desaparecem à medida que cada chip bruto do wafer é encapsulado na forma de TO-220 ou TO-247; o mesmo acontece com o CI de alta tensão usado para acionar o chip de potência. O processo de fabricação do IPM começa com o wafer inteiro, de modo que ele pode garantir a simetria e a correspondência das características dos chips trifásicos no mesmo módulo na etapa de colagem dos chips, usando o método em que as características dos chips brutos adjacentes são as mais próximas. Com uma abordagem de processo diferente, podemos resolver facilmente esse problema difícil do projeto tradicional.

O resultado do sexto item vem da melhoria do quarto item. A rapidez da proteção vem da diferença na ordem de us, ou até ns. Evitar o mau funcionamento do sistema e acelerar a rapidez da proteção costuma ser um dilema para os projetistas de sistemas. Portanto, a redução da indutância de fuga não apenas pode reduzir o atraso de propagação do próprio sinal anormal, mas também reduzir a constante da linha de filtro, melhorando assim a velocidade de resposta do CI ao sinal anormal. Dessa forma, também é possível reduzir a taxa de falhas causada pela proteção anormal não ser acionada a tempo.

Confiabilidade

(1) Reduz significativamente o potencial de falhas do pessoal de produção causado pelo processo de montagem complexo

(2) Oferece uma estrutura mais robusta do que a embalagem tradicional

(3) Todo o sistema terá uma taxa de falhas menor

A melhoria do primeiro item é muito significativa. O método de montagem dos componentes tradicionais não é apenas complexo, mas também repetido várias vezes; assim, algumas anomalias de alinhamento, a falta de travamento da porca isolante, microtrincas internas no chip e danos na folha isolante são problemas difíceis de prevenir. Além disso, esses problemas potenciais podem não ser detectados de forma eficaz. Portanto, se os componentes semicondutores precisarem ser ligados em paralelo devido à relação de potência nominal, o número de chips pode passar de seis para doze ou mais, e a probabilidade de falhas potenciais causadas pela montagem é maior. A Figura (6) mostra essa explicação de forma mais clara por meio de uma ilustração.

De modo geral, o estresse de vibração dos componentes distribuídos pode se estender facilmente ao chip interno por meio do pino, seja no aperto do parafuso, na dobra do terminal ou até mesmo durante o transporte do produto acabado. O esforço mecânico suportado pelos chips brutos provém, em grande parte, da deformação causada pelas variações térmicas no chip interno ou no ambiente de operação da embalagem. Portanto, seja diretamente na etapa de montagem ou indiretamente pela deformação causada pelo choque térmico, o IPM oferece uma solução estrutural mais robusta do que os componentes separados originais.

O terceiro argumento se baseia no fato de que, se a taxa de falhas do IPM for equivalente à dos componentes tradicionais, será necessário usar 20 ou 30 componentes para obter um modo funcional equivalente. A taxa de falhas possível de todo o sistema é naturalmente muito maior do que a de apenas um componente. No entanto, se a base dessa vantagem é ou não sustentável envolve muitos aspectos. Talvez um tema especial possa ser criado no futuro para discussão.

Custo total

(1) Redução do custo de qualidade devido ao aumento da confiabilidade

(2) Reduz consideravelmente o tempo de desenvolvimento do produto para os projetistas

(3) Reduz o custo de perfuração do dissipador de calor e da placa PCB

(4) Reduz as horas de trabalho para montagem e inspeção da equipe de produção

Não é difícil prever as vantagens acima, mas os resultados quantitativos precisam ser avaliados posteriormente com base nos procedimentos de desenvolvimento e nos custos de qualidade de cada empresa. O autor acredita que, embora os resultados talvez não o levem a abandonar a solução tradicional e madura e escolher o IPM, essa ação é absolutamente útil para a reflexão sobre a escolha da solução e o projeto do sistema.

Cuidados na seleção do IPM

Embora o uso do IPM como base de projeto apresente muitas vantagens, em termos de maturidade da validação de mercado e da complexidade dos próprios componentes, o IPM ainda não é tão fácil de dominar quanto os componentes separados tradicionais, portanto a seleção do módulo IPM

para o projeto de blocos ainda deve ser feita com muito cuidado. A discussão a seguir pode fornecer algumas referências aos projetistas.

Considerações voltadas à cadeia de suprimentos

(1) Capacidade de fornecedores e fabricantes de controlar exceções de processo

(2) Existe uma solução alternativa quando o fornecedor fica sem estoque

(3) Suporte técnico do fornecedor e mecanismo geral de garantia de qualidade da cadeia de suprimentos para os clientes

(4) Melhoria e gestão de controle do feedback das aplicações no mercado

Considerações sobre o projeto do módulo

(1) Estrutura da embalagem

(2) Se o layout dos componentes internos é razoável

(3) Se o projeto do circuito periférico de adaptação é fácil de dominar

(4) Capacidade do CI de acionamento e do chip semicondutor de potência

Devido às limitações de espaço, a seguir são discutidos apenas os pontos-chave das partes relevantes do projeto do módulo.

Estrutura da embalagem

Características de um bom projeto de encapsulamento de potência

Um bom projeto de encapsulamento de potência deve ter as características de alta resistência estrutural, processo de fabricação simples, alto isolamento, fácil condução de calor e baixa resistência térmica.

Se a resistência da estrutura é alta ou não determina se a superfície de junção da estrutura dentro do módulo e o sistema de materiais estão sujeitos a defeitos e falhas sob condições de rápida variação térmica e vibração mecânica de longo prazo.

O processo simples mostra que o processo tem bom controle sobre anomalias e que os possíveis defeitos no processo podem ser facilmente detectados.

A exigência de fácil condução de calor é que, quando o elemento semicondutor gera instantaneamente alto consumo de energia (como em curto-circuito ou comutação anormal), o calor possa ser conduzido imediatamente, de modo que o elemento semicondutor não cause efeito de ponto quente, resultando em queima instantânea.

O objetivo da baixa resistência térmica é dissipar o calor depois que o corpo aquecido atinge o estado estável de equilíbrio térmico, de modo a não causar acúmulo de calor e falha prematura dos componentes.

Diferenças entre várias estruturas de encapsulamento de potência

Figura 7 Figura 8 Figura 9

As figuras (7), (8) e (9) representam várias estruturas típicas de encapsulamento de IPM existentes no mercado. Em seguida, utilizamos as conclusões acima para verificar as vantagens e desvantagens destas três estruturas.

A estrutura da figura (7) consiste em colocar o IC de comando e o semicondutor de potência no lead frame, no mesmo plano; o substrato cerâmico é utilizado diretamente como material de isolamento e de condução térmica para o dissipador de calor, e depois toda a estrutura é revestida com o composto de moldagem semelhante ao de componentes encapsulados separados. Esta estrutura de encapsulamento pode ser considerada simples e de elevada robustez, mas existem vários pontos que merecem atenção, descritos a seguir.

Primeiro, embora o substrato cerâmico seja um material de elevado isolamento, não é um material fácil de conduzir calor, e o efeito na dissipação de pontos quentes instantâneos será relativamente fraco. Por isso, é necessário prestar especial atenção a saber se o frame condutor que suporta o semicondutor de potência consegue satisfazer a exigência de condução térmica instantânea sem formar pontos quentes. Ao mesmo tempo, a resistência térmica de um substrato cerâmico com a mesma espessura é muito superior à do alumínio, quanto mais à do cobre. Assim, com a mesma temperatura do dissipador, a temperatura do cristal de potência no interior do módulo é mais elevada do que a de um módulo que use alumínio ou cobre. Em suma, a margem de funcionamento seguro do módulo fica relativamente reduzida. A única forma de o projetista se certificar plenamente é não confiar apenas na especificação medida pelo próprio projetista.

O segundo ponto diz respeito aos materiais e à tecnologia utilizados na superfície de união do substrato cerâmico, porque isso está relacionado com a possibilidade de, com o uso prolongado, ocorrer delaminação, o que fará com que o calor do semicondutor não possa ser dissipado normalmente e leve à sua queima. O projetista pode pedir ao fornecedor as condições de ensaio nesta área e depois compará-las com o sistema real.

O frame condutor forma dois planos diferentes. O objetivo de rebaixar o frame condutor é fazer com que o plano do cristal de potência fique muito próximo da superfície do encapsulante do IPM em contacto com o dissipador. Este desenho estrutural permite que o frame condutor seja diretamente moldado e encapsulado, sem outros materiais de adaptação nem processos derivados após a implantação dos cristais no frame condutor.

Além da espessura de isolamento, é também a estrutura mais económica. Recomenda-se combinar o dissipador do sistema, a temperatura máxima de operação possível e a tensão de operação do sistema real para encontrar a faixa limitada do módulo.

Se a disposição dos componentes internos é razoável

Verifique se a disposição dos componentes internos é razoável, incluindo se a fonte de calor (na sua maioria cristais de potência) está disposta no frame condutor para obter uma distribuição uniforme do calor, se o atraso de comando dos cristais de potência trifásicos é consistente e se o circuito de corrente dos cristais de potência dos braços superior e inferior é simétrico.

Vale a pena mencionar que os projetistas podem ver frequentemente que o IPM recomenda na especificação (como mostrado na Tabela 1) que a tensão do barramento DC do sistema não deve exceder 450 V e que a tensão de comutação não deve exceder 500 V. Isto deve-se ao facto de existir uma indutância de fuga equivalente formada pela cablagem e pelo frame condutor no IPM,

A queda de tensão pode ser muito superior à tensão medida no pino do IPM. Para garantir que a queda de tensão no interior do cristal de potência não exceda a tensão nominal de 600 V, é definido este intervalo limite.

Mas, na verdade, isso acontece porque a indutância de fuga do frame condutor e da cablagem é de cerca de 10-20 nH, e a taxa de variação da corrente de comutação do IPM raramente excede 400 A/µs (geralmente entre 200 A/µs e 300 A/µs). Desta forma, a diferença de tensão entre a tensão no pino e o IGBT interno, devido à variação brusca de tensão, deve ser inferior a 10 V, o que coincide com os resultados medidos. Além disso, quase todos os IGBTs com classificação de 600 V têm uma margem superior a 100 V. Em suma, é pouco provável que a tensão nos terminais do IGBT no interior do IPM exceda o seu limite e colapse devido à comutação. Deve notar-se que, para reservar ainda mais a margem em que a potência dissipada pelo IPM durante a comutação não excede o funcionamento seguro, a possibilidade de exceder o limite de potência é muito maior do que a de exceder o limite de tensão. No entanto, é previsível que, quanto maior for a margem de projeto, menor será a taxa de falhas na aplicação em campo. Quando é difícil estimar a corrente instantânea, baixar a tensão em p-n é um critério de projeto necessário.

Na realidade, a relação entre a definição e a medição da área de funcionamento seguro do cristal de potência, a sua aplicação em campo e a taxa de falhas não é apenas um tema exclusivo do IPM, mas também um tema profundo e amplo no encapsulamento separado maduro. Talvez numa próxima oportunidade possa ser abordado num artigo especial.

É fácil dominar o projeto das linhas periféricas de adaptação?

A maioria dos projetos de circuitos periféricos de adaptação do IPM tem pouca diferença. Em termos gerais, basta colocar corretamente os três alimentadores flutuantes e os resistores de proteção contra curto-circuito do braço superior, de acordo com o projeto de referência, como mostrado na figura (11), e depois ligar os sinais de comando dos seis braços da ponte. No entanto, não é necessariamente verdade que cada módulo seja realmente tão fácil de projetar como afirma o manual de referência. Na prática, a base para este julgamento deve ser determinada pelos componentes semicondutores selecionados pelo módulo e pelas condições de aplicação do sistema. Em particular, deve ter-se em atenção a prevenção dos problemas que possam derivar do IC de comando especial selecionado pelo IPM. A discussão desta parte é descrita em detalhe na referência [2].

Além disso, vale a pena mencionar se a lógica de comando é lógica positiva ou lógica negativa, o que é mais fiável. O autor encontrou um diretor de projeto bastante experiente, que acreditava na afirmação dos principais fabricantes japoneses e considerava que o comando por lógica positiva seria muito mais fiável do que o comando por lógica negativa. Na verdade, a lógica negativa tem elevada robustez

quando a alimentação do IPM é anómala, o interruptor pode ser desligado em segurança. Os dois modos de comando têm as suas próprias vantagens e desvantagens. Não é possível dizer qual é mais fiável.

Refira-se a figura (XII): quando o nível de ruído excede o nível de comando reconhecido pelo IPM, o mecanismo da lógica negativa é desligar o IGBT, enquanto a lógica positiva é ligar o IGBT. Em geral, os estados de comutação dos braços superior e inferior são, na maioria, complementares. Por isso, para o IPM comandado por lógica negativa, desligar o IGBT que deveria estar ligado durante alguns µs apenas reduz a utilização da tensão; mas, para o IPM comandado por lógica positiva, existe o perigo de condução simultânea superior e inferior, resultando num curto-circuito no braço. Além disso, no projeto de comando direto, embora o comando por lógica negativa exija resistor de pull-up, a capacidade de fan-out de um MCU comum é normalmente mais fraca do que a capacidade de sink, cerca de 1/5 a 1/10. Portanto, o risco do comando por lógica positiva ocorrerá quando a porta de saída do MCU exigir uma corrente de saída elevada, e o nível de comando pode ser acionado

No entanto, quando o comando por lógica negativa sai em nível alto, a porta de comando fica em alta impedância, e a corrente de comando é fornecida pela alimentação do resistor de pull-up, pelo que não haverá o problema do comando por lógica positiva.

Alta fiabilidade do IC de comando e do semicondutor de potência

Embora o IPM ofereça muitas vantagens que os componentes tradicionais não possuem, ao alterar o tipo de encapsulamento, é importante notar que isso não altera a função nem as características da essência do semicondutor. Portanto, se o IC de comando e o cristal semicondutor de potência selecionados tiverem limitações de aplicação e defeitos, o IPM

essas limitações e defeitos existirão inevitavelmente. Por exemplo: se for selecionado o IPM do fabricante A

O comutador de potência é um IGBT com tecnologia não perfurada (NPT), enquanto o IGBT com tecnologia perfurada (PT) selecionado pelo fabricante B fará com que as características dos dois IPMs sejam diferentes. A tecnologia trench, recentemente popular, é também uma tecnologia derivada do tipo perfurado. Embora melhore bastante a desvantagem da velocidade lenta de comutação do IGBT tradicional do tipo perfurado, também apresenta as características de fraca capacidade de suportar corrente de curto-circuito e parâmetros sensíveis às variações de temperatura. O IC de comando utilizado é o mesmo. Portanto, se conseguirmos compreender plenamente a faixa limitada do semicondutor selecionado para o IPM em relação a variações de temperatura, di/dt, dv/dt e tensão negativa instantânea, de modo a selecionar o IPM adequado aos requisitos da aplicação do sistema, então o projeto já estará mais de meio caminho andado para o sucesso.

No que diz respeito à própria experiência do autor, a verificação ambiental combinada consegue detetar facilmente defeitos de projeto do sistema devido à combinação de stress de temperatura, vibração, tensão e corrente, mas também dificulta bastante a análise das causas de falha. Se o projetista já tiver bastante clara, na solução com componentes separados, a influência das diferentes características dos componentes no sistema, recomenda-se que o fornecedor disponibilize as características de especificação, a verificação de fiabilidade e a experiência de aplicação no mercado dos semicondutores selecionados no IPM em componentes tradicionais encapsulados, o que certamente será de grande ajuda para verificar a fiabilidade do IPM e as causas de falha dos componentes separados.

conclusão

Embora o IPM ofereça um sistema de driver para motor trifásico ou uma topologia de UPS de três braços, é uma solução para simplificar o projeto do sistema e aumentar a densidade de potência. No entanto, devido às suas especificações de encapsulamento e métodos de fabrico únicos, parece ainda difícil competir, em termos de custo por componente, com os componentes de encapsulamento separado normalizados e produzidos em massa. Ainda assim, sob a lei inelutável de que o custo de qualquer tecnologia emergente acaba por ser resolvido com o tempo, a tendência de o encapsulamento integrado de potência substituir o encapsulamento tradicional não poderá ser evitada. Para além de explicar claramente as diferenças de desempenho, fiabilidade e custo global resultantes da utilização do IPM no projeto do sistema; também combinado

O modo de pensar dos projetistas do fabricante do módulo e dos projetistas do sistema fornece aos leitores diferentes níveis de orientação quando compreendem e selecionam o IPM. Ao mesmo tempo, no artigo são também clarificadas algumas ideias enganosas. Espera-se que os leitores interessados em utilizar ou que já utilizam IPM melhorem a sua compreensão deste tipo de componentes

U Referências:

1. Dai zhizhan, "Introdução ao encapsulamento e aplicação de módulos inteligentes de potência", rede de e-learning em tecnologia de motores, n.º 94, setembro de 2004

2. Dai zhizhan, "Projeto de IC de comando especial para circuito meia ponte/ponte completa", rede de e-learning em tecnologia de motores, edição 184, junho de 2006

3. "Eletrónica de potência: conversores, aplicações e projeto", Mohan, Undeland e Robbins, Wiley, 1989

4. "Dispositivos semicondutores de potência para acionamento de frequência variável", B. Jayant Baliga, 1994

5. T. Fukami, H. Senda, T. Onishi, T. Kushida, T. Shoji, M. Ishiko, "Proposta de tecnologia de screening para falha da área de funcionamento seguro em polarização inversa por comutação indutiva sem clamp", Proceedings of the IEEE, pp. 2053-2059, 2005 6. Fairchild Application Note 9016, K.S. Oh, fev. 2001

7. "Módulo de potência para controle de eletrodomésticos", IEEE Application Magazine, pp. 26–34, julho de 2002

8. Qiankun Technology, "Seminário técnico sobre módulo de fonte de alimentação inteligente para acionamento de motores de alta potência", março de 2005

9. Daizhizhan, "Um novo amplificador de potência chaveado para sistema maglev de alta eficiência", dissertação de mestrado, Instituto de Engenharia Elétrica da Universidade Tsinghua, junho de 1995