Xu hướng tiêu thụ năng lượng hiệu quả hơn trong truyền động động cơ đã thúc đẩy các doanh nghiệp sản xuất các thiết bị hỗ trợ mạch động lực trong bộ truyền động biến tốc. Một giải pháp tích hợp mới như SmartDriver sẽ tạo ra phương thức linh hoạt cao nhằm kiểm soát và điều khiển hầu hết mọi MOSFET và IGBT.

Những thập kỷ qua, thị phần toàn cầu về năng lượng điện sử dụng trong truyền động động cơ không những không thay đổi mà thực tế còn gia tăng. Vài năm trước, các nghiên cứu cho thấy tỷ lệ tiêu thụ năng lượng điện toàn cầu nằm trong khoảng 43% đến 46%. Tuy nhiên, các con số cập nhật nhất hiện nay đang cho thấy giá trị vượt quá 50%. [1] Xu hướng này không chỉ được thúc đẩy bởi điện khí hóa ô tô cá nhân và xe thương nghiệp. Trên thực tế, số lượng động cơ điện nhiều nhất có trong các ứng dụng như thiết bị gia dụng, và thậm chí trong các ứng dụng ít nhận thấy rõ ràng hơn như quạt làm mát và máy bơm trong các trung tâm dữ liệu đang phát triển nhanh chóng.

Việc giảm lượng năng lượng tiêu thụ trong các bộ truyền động này trở thành vấn đề tất yếu, một mặt là do các quy định ngày càng nghiêm ngặt. Mặt khác, các công ty ngày càng có thêm các động thái để nâng cao nhận thức của khách hàng bằng cách tập trung vào các thiết kế ‘xanh’, tức là các thiết bị và đồ dùng tiết kiệm năng lượng.

Ngành công nghiệp bán dẫn đã đáp ứng nhu cầu này của thị trường thông qua việc cung cấp một loạt các thiết bị điện dành cho mỗi mức công suất. Song song với việc đẩy mạnh cải tiến MOSFET và IGBT silicon, các thiết bị băng thông rộng như SiC MOSFET hoặc GaN HEMT đang ngày càng trở nên phổ biến trong các ứng dụng mà có thể chuyển đổi hiệu suất thiết bị thành những lợi thế đáng kể. Ngoài mạch động lực, để thiết lập bộ biến tần truyền động đầy đủ, cần phải có các thành phần khác trong hệ thống bao gồm bộ điều khiển cổng, bộ điều chỉnh và thuật toán điều khiển tương ứng. Dòng sản phẩm iMOTION™ SmartDriver mới IMD110 (hình 1) tích hợp ba khối tạo dựng này, cung cấp giải pháp truyền động nhỏ gọn nhưng vô cùng linh hoạt cho nhiều loại mạch động lực.

Yêu cầu ứng dụng xác định lựa chọn thiết bị điện

Trong vài năm qua, các thiết bị băng thông rộng đã nhận được nhiều sự quan tâm, kèm theo đó một số lượng lớn các ấn phẩm cung cấp thông tin chi tiết về những ưu điểm kỹ thuật của chúng. Những ưu điểm như lượng dẫn truyền hoặc chuyển mạch ở mức cực thấp và tốc độ chuyển mạch cao hơn nhiều, chứng tỏ giá trị trong các ứng dụng như hệ thống truyền động điện trong ô tô, yếu tố cốt lõi để đạt được phạm vi truyền động cao hơn.

Tuy nhiên tại các thị trường có khối lượng lớn, tỷ lệ chi phí-hiệu suất là then chốt, các thiết bị silicon vẫn đóng vai trò của công nghệ chiếm ưu thế.  Các dòng MOSFET điện áp cao mới như dòng CoolMOS™ PFD7 mới nhất hoặc 650 V TRENCHSTOP™ IGBT6 và 600 V Reverse Conducting Drive 2 (RC-D2) chứng minh rằng công nghệ silicon rõ ràng chưa hết thời, không những thế còn cải tiến mạnh mẽ hơn mỗi khi thế hệ sản phẩm mới ra đời (hình 2). [2], [3]

Đối với khách hàng sử dụng biến tần truyền động hoặc chuyển đổi từ động cơ bật-tắt đơn giản sang hệ thống điều khiển bằng biến tần, việc lựa chọn thiết bị điện phù hợp có thể khá khó khăn. Không có “thiết bị tốt nhất” mà nói đúng hơn là loại bóng bán dẫn công suất được khuyên dùng phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Chúng ta hãy xem xét hai ứng dụng động cơ tiêu biểu trên thị trường thiết bị – quạt lọc không khí và máy nén làm mát cho tủ lạnh hoặc thiết bị điều hòa không khí.

Quạt sử dụng động cơ tốc độ cao, vì vậy cần có hệ thống truyền động tốc độ cao. Ngoài ra, dòng pha thực tế khá thấp nên sẽ là ứng dụng mục tiêu cho MOSFET. Mặt khác, máy nén cần cung cấp mô-men xoắn lớn ở tốc độ quay khá chậm, vì vậy tốc độ chuyển đổi PWM để điều khiển sẽ thấp. Chất lỏng làm mát loại cũ dùng trong máy nén có tác động tiêu cực đến tầng ôzôn. Theo quy định, các chất làm lạnh thế hệ mới thân thiện với môi trường hơn đã được đưa vào sử dụng. Vì các chất làm lạnh này cho thấy hằng số điện môi cao hơn, nên tốc độ chuyển mạch thực tế của mạch động lực cần được giới hạn. Những yêu cầu này rõ ràng ưu tiên việc sử dụng IGBT như dòng 650 V TRENCHSTOP™ IGBT6/600 V RCD2 nói trên. Hình 3 cho ví dụ về cách thức điều chỉnh tốc độ chuyển mạch thông qua việc thay đổi các điện trở cổng.

Phải thừa nhận rằng lựa chọn không phải lúc nào cũng rõ ràng như trong hai ví dụ trên, và có thể có một số yếu tố khác ảnh hưởng đến việc lựa chọn triển khai mạch động lực như chi phí, tính khả dụng, đặc tính EMI,…

Các thiết bị điện khác nhau yêu cầu có hệ thống truyền động cụ thể để đạt được hiệu suất tối ưu. SmartDriver cho phép triển khai và tinh chỉnh các hệ thống truyền động cổng khác nhau để đạt được sự cân bằng tối ưu giữa hiệu suất và chi phí hệ thống.

Bộ điều khiển cổng SOI với vùng vận hành an toàn (SOA) rộng

Bộ điều khiển cổng được tích hợp vào dòng IMD110 sử dụng công nghệ silicon-on-insulator (SOI) của Infineon. Công nghệ chuyển đổi cấp độ này mang tới những lợi thế độc đáo, bao gồm điốt khởi động (BSD) tích hợp và độ bền cao nhất trong ngành để bảo vệ thiết bị tránh tăng điện áp thoáng qua quá độ âm. Mỗi bóng bán dẫn được tách biệt bởi silicon dioxide chìm, giúp loại bỏ các bóng bán dẫn lưỡng cực ký sinh có thể gây ngắn mạch.

Trong mạch nghịch đảo thực, biên điện áp VS không dừng ở mức bus DC âm mà dao động dưới mức bus DC âm. Điện áp dưới ngưỡng này được gọi là “VS quá độ âm”. Thiết lập thử nghiệm được sử dụng trong phòng thí nghiệm xác minh hệ thống tại Infineon được hiển thị ở hình 4 cùng với đặc tính -VS dạng sóng.

Vùng vận hành an toàn lớn là kết quả miễn nhiễm quá độ âm VS vượt trội của Infineon SOI như được hiển thị trong figure 5 đối với các xung lên đến -100 V trong 300 ns. Chế độ miễn nhiễm quá độ phổ biến (CMTI) thường là 50 V/ns.

Với việc tích hợp các điốt khởi động để cấp nguồn cho hệ mạch bộ điều khiển bên cao, chi phí hóa đơn nguyên vật liệu và độ phức tạp của bảng mạch được giảm xuống. Điện trở điôt rất thấp RBS ≤ 40 Ω kết hợp với tổn thất công suất chuyển mức thấp nhất giúp giảm lượng công suất chuyển mạch thiết bị ở mức tối thiểu và cho phép điều khiển các IGBT lớn hơn mà không có nguy cơ quá nhiệt. [5]

Theo dõi đặc tính nhiệt (hình 6) và phản ứng trong trường hợp xảy ra quá nhiệt là một lợi thế lớn của dòng IMD110 đã được tích hợp Bộ điều khiển chuyển động (MCE) và bộ điều khiển cổng. Tùy thuộc vào trường hợp sử dụng trong ứng dụng cụ thể, phản ứng này không nhất thiết phải là tắt hoàn toàn mà còn có thể là giảm tổn hao do chuyển mạch, bằng cách vận hành hệ thống truyền động đặc biệt cho đến khi nhiệt độ trở lại phạm vi quy định.

Thiết kế một biến tần truyền động cần lựa chọn và thiết kế PCB của bộ điều chỉnh, bộ điều khiển cổng và mạch động lực cũng như phát triển phần mềm tương ứng. Dòng sản phẩm SmartDriver thu hẹp lựa chọn chỉ còn mạch động lực phù hợp và cấu hình của Bộ điều khiển chuyển động cho động cơ tương ứng. Dải điện áp rất rộng được SmartDriver hỗ trợ có thể được dùng trong rất nhiều ứng dụng. Dòng sản phẩm IMD110 có dải điện áp quy định từ 12 đến 600V đối với bus DC và có thể điều khiển phần lớn các bộ điều khiển tốc độ chạy bằng pin cũng như kết nối với nguồn điện chính.

Với bộ điều chỉnh điện áp tích hợp, SmartDriver chỉ yêu cầu điện áp nguồn đơn, do đó đạt được chi phí hóa đơn nguyên vật liệu phần cứng tối thiểu cho các giải pháp chi phí thấp nhất. Đối với các ứng dụng nhắm tới mục tiêu đạt hiệu quả năng lượng tối ưu, bộ điều chỉnh điện áp bên trong có thể bị vô hiệu hóa và được thay thế bằng nguồn cung cấp chế độ chuyển mạch bên ngoài.

Cơ chế điều khiển chuyển động (MCE) – chức năng điều khiển động cơ được kiểm chứng thực địa

Bộ điều khiển động cơ tích hợp sử dụng Cơ chế điều khiển chuyển động (MCE) mới nhất, vận hành tất cả các sản phẩm iMOTION hiện tại. Gần 15 năm sau lần ra mắt đầu tiên, MCE cung cấp thuật toán mạnh mẽ, đáng tin cậy và đã được kiểm chứng thực địa, đang vận hành hàng triệu thiết bị trên toàn cầu. Sau sự kiện sáp nhập International Rectifier trước đây vào Infineon Technologies AG, danh mục sản phẩm của iMOTION, bao gồm MCE, đã được cập nhật đầy đủ và nhiều sản phẩm mới đã được tung ra thị trường.

Ngoài việc có thể lập cấu hình cao, việc triển khai MCE mới nhất sử dụng hệ thống mô-đun gồm các khối tạo dựng liên kết với nhau thông qua kết cấu cơ bản. Do đó, các mô-đun riêng lẻ dễ bảo trì hơn và các khối tạo dựng chức năng mới mà khách hàng có thể yêu cầu có thể được thêm vào hệ thống mà không ảnh hưởng tới các khối hiện có.

Trong cuộc đua hướng tới tăng cường hiệu suất thiết bị điện, MCE điều khiển động cơ hiện đại với sơ đồ điều khiển định hướng trường(FOC) hiệu quả. Mạch động lực được điều khiển thông qua các đầu ra PWM có thể lập cấu hình dựa trên kỹ thuật điều chế vectơ không gian. Hướng đến độ linh hoạt tối đa, MCE tái tạo dòng điện mạch mắc rẽ đơn và vận hành không cảm biến để tạo ra các biến tần tiết kiệm chi phí nhất. Các ứng dụng đòi hỏi khắt khe hơn bao gồm tính năng hỗ trợ cảm biến Hall tương tự và kỹ thuật số, cũng như đo lường dòng điện mạch shunt bên hoặc thậm chí dòng điện đầu ra theo pha.

MCE có thể được định cấu hình cho hầu hết mọi động cơ PMSM và mạch động lực thông qua các bộ thông số được lưu trữ trên thiết bị. Các cấu hình thông qua bộ thông số cũng bao gồm hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) tùy chọn. SmartDriver có thể lưu trữ nhiều bộ thông số cho các cấu hình truyền động khác nhau và chuyển đổi tự động hoặc theo chỉ lệnh từ bên ngoài. Bằng cách này, chỉ một thiết bị được lập trình sẵn có thể lưu trữ cấu hình cho một số bộ biến tần khác nhau và tự động chọn cấu hình chính xác, ví dụ dựa trên cảm nhận trạng thái của các chân IO.

Việc triển khai MCE dùng sự kết hợp cân bằng giữa các mô-đun phần cứng và phần mềm, được điều chỉnh cụ thể để thích hợp với ứng dụng làm bộ điều khiển động cơ. Trọng tâm ứng dụng rõ ràng này làm giảm chi phí hóa đơn nguyên vật liệu cuối cùng cho những thiết bị đã được tích hợp như bộ so sánh tương tự, bộ khuếch đại hoặc bộ lọc kỹ thuật số đặc biệt.

Tác dụng phụ tích cực của việc sử dụng các khối phần cứng hiệu suất cao đó là để lại thông khoảng lớn trong khối điều khiển trung tâm, CPU. Các sản phẩm iMOTION mới sử dụng các tài nguyên có sẵn để đưa vào cơ chế ghi tập lệnh. Cơ chế ghi tập lệnh hỗ trợ khách hàng ở mức linh hoạt cao, vượt xa cấu hình thực tế của SmartDriver đối với động cơ và/hoặc thiết lập PFC tương ứng.

Ngôn ngữ tập lệnh sử dụng cú pháp kiểu ‘C’ dễ hiểu, cho phép những việc như đọc đầu vào cảm biến, chuyển đổi đầu ra hoặc giao tiếp với máy chủ từ xa.  Ngoài ra, với quyền truy cập vào các tham số MCE, có thể sửa đổi đặc tính động cơ trong thời gian chạy, ví dụ như để thực hiện một quy trình khởi động đặc biệt. Cơ chế ghi tập lệnh có thể chạy hai tác vụ song song, một tác vụ có thời gian chu kỳ tối thiểu là 1ms và tác vụ kia chạy một lần sau mỗi 10ms.

Các tập lệnh được triển khai trong cơ chế ghi tập lệnh chạy như một tác vụ nền của MCE (hình 7), tương tự như một máy ảo nhỏ. Do đó, tính linh hoạt bổ sung đi kèm mà không tốn thêm chi phí phần cứng và không ảnh hưởng đến động cơ và thuật toán điều khiển PFC.

Bộ điều khiển chuyển động liên tục được cải tiến. Kể từ khi phát hành các sản phẩm đầu tiên từ danh mục sản phẩm mới của iMOTION, các nhà thiết kế đã áp dụng các nguyên tắc phát triển hiện đại như phát triển phần mềm linh hoạt. Việc sử dụng các bản phát hành sprint giúp đáp ứng các yêu cầu cụ thể của khách hàng trở nên dễ dàng hơn nhiều và vẫn chạy theo chu kỳ một vài bản phát hành mỗi năm. Tất cả các bản phát hành phần mềm iMOTION có thể được tải xuống từ trang web của Infineon, cho phép khách hàng sử dụng phiên bản MCE mới nhất hoặc tiếp tục sử dụng một bản sửa đổi nhất định.

Trong các thiết bị hiện đại hoặc bộ truyền động nhúng, MCE không còn bị giới hạn ở việc chỉ “chạy động cơ”. Do đó, việc phát triển MCE chuyên sâu nhằm mục đích cải tiến các thuật toán điều khiển cũng như hỗ trợ các thiết bị điện sắp được phát hành. Có kiến ​​thức chuyên sâu và tức thời về trạng thái của bộ truyền động cho phép khách hàng của Infineon giải quyết các điểm khó khăn ở cấp hệ thống, chẳng hạn như bảo trì theo yêu cầu và hỗ trợ các mô hình trả tiền theo định mức.

Tích hợp chức năng bảo vệ và an toàn

Về khả năng bảo vệ nhiệt, như đã đề cập ngắn gọn, dòng sản phẩm SmartDriver IMD110 đi kèm một bộ biện pháp bảo vệ bộ truyền động để bảo vệ mạch động lực và động cơ. Quá trình thực thi là sự kết hợp giữa các biện pháp phần cứng và phần mềm dựa trên các yêu cầu ứng dụng, tính hiệu quả và dễ sử dụng. Ví dụ, ngăn ngừa dẫn truyền chéo hoặc thời gian chết tối thiểu phải nhanh chóng, mạnh mẽ và hoạt động theo từng chu kỳ. Theo đó, các tác vụ này được thực hiện trong phần cứng. Đây cũng là trường hợp bảo vệ hoàn toàn liên quan đến phần cứng và không thể dựa vào một phần mềm đang chạy như khóa điện áp thấp.

Mặt khác, MCE bao gồm các biện pháp bảo vệ cụ thể theo ứng dụng hoặc cần được cấu hình, chẳng hạn như giám sát triển khai, khóa rôto, bảo vệ ngắt liên kết hoặc giám sát nhiệt độ, như đã mô tả trước đó.

Trong nền kinh tế toàn cầu ngày nay, ngày càng có nhiều công ty không chỉ phục vụ thị trường trong nước mà còn xuất khẩu sang các khu vực khác. Thông thường, điều này đồng nghĩa với việc yêu cầu đáp ứng các quy định về an toàn chức năng. Tiêu chuẩn phổ biến nhất cho các thiết bị gia dụng là UL/IEC60730-1 Loại B.[7]

Một trong những điểm khác biệt chính giữa các sản phẩm iMOTION và các bộ vi điều khiển tiêu chuẩn là các thiết bị điều khiển động cơ iMOTION là các khối tạo dựng chức năng thực chất. Điều này cho phép “khối tạo dựng điều khiển động cơ” được xác định theo cách thức có thể được chứng nhận là một phần tử an toàn về mặt chức năng.

Đây là một lợi thế rõ ràng so với các bộ vi điều khiển tiêu chuẩn (MCU), khi nhà cung cấp đưa ra thư viện chuẩn C thực thi các chức năng an toàn riêng lẻ, nhưng nhà sản xuất bộ truyền động phải tích hợp các chức năng vào ứng dụng truyền động, sau đó xin cấp chứng nhận. Chứng nhận an toàn iMOTION hiện được cấp giúp giảm đáng kể nỗ lực xin cấp chứng nhận cho toàn bộ thiết bị. Khách hàng sử dụng iMOTION SmartDriver có thể tin tưởng vào phần cứng và phần mềm đã được kiểm nghiệm để đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn tương ứng.

Việc sử dụng các chức năng an toàn có thể được lập cấu hình, tức là nếu không yêu cầu về an toàn. Các chức năng tương ứng có thể được tắt đi, để lại nhiều thông khoảng hơn cho các tính toán động cơ và PFC hoặc cơ chế ghi tập lệnh tích hợp.

Hỗ trợ thiết kế

Infineon cung cấp nền tảng thiết kế hoàn chỉnh cho các ứng dụng điều khiển động cơ được gọi là Bộ thiết kế ứng dụng mô-đun (MADK, hình 8). Sử dụng giao diện nền tảng chuẩn hóa MADK, với sự kết hợp các bảng điều khiển và bảng mạch nguồn khác nhau, tạo thành một hệ thống hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu của ứng dụng.

Giá trị danh định của bảng mạch nguồn bao gồm đầy đủ các loại từ động cơ nhỏ trong các ứng dụng điện áp thấp đến vài kilowat trong các ứng dụng như máy nén hoặc bộ truyền động công nghiệp nhỏ. Tùy thuộc vào công suất danh định, cấp điện áp và thiết lập ứng dụng điển hình, bảng mạch sử dụng các thiết bị hoặc mô-đun riêng biệt từ danh mục sản phẩm rộng của Infineon.

Đối với dòng SmartDriver, có sẵn hai bảng điều khiển, có và không có hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC). Một số bảng mạch nguồn làm nổi bật các mạch động lực riêng biệt khác nhau, đã được tung ra thị trường hoặc hiện đang trong giai đoạn thiết kế. Các bảng mạch nguồn nhắm đến các bộ truyền động điện áp cao sử dụng MOSFET CooMOS CFD7 với định mức 600 V/600 mΩ (IPN60R600PFD7S) và sử dụng OptiMOS 5 MOSFET định mức 60 V/3,3 mΩ (IPD033N06N) cho các ứng dụng điện áp thấp. Các ứng dụng công suất cao được giải quyết bằng bảng mạch dựa trên IGBT có chứa PFC tăng cường chủ động. IGBT từ thế hệ TRENCHSTOP 600 V RCD2 mới nhất.[6]

Có thể tải xuống các công cụ cấu hình cho Bộ điều khiển chuyển động (MCE) nhúng từ trang web của Infineon. MCEWizard dễ sử dụng giúp tạo cấu hình ban đầu và MCEDesigner kết nối với hệ thống đang chạy, cung cấp thông tin chi tiết về bộ truyền động động cơ đang chạy. Máy hiện sóng được sử dụng để đo và theo dõi cả các thông số vật lý và tính toán.  Bằng cách sửa đổi các thông số tương ứng trong SmartDriver, bộ truyền động sẽ được điều chỉnh theo mục tiêu hiệu suất ứng dụng.

Infineon hiện đang phát triển thế hệ tiếp theo cho những công cụ này. Sự kết hợp các công cụ riêng biệt trước đây vào bàn thao tác giúp cải thiện trải nghiệm người dùng và cung cấp cấu hình, tham số và xử lý dữ liệu liền mạch. Trình chỉnh sửa và gỡ lỗi tích hợp hỗ trợ ghi tập lệnh. Hệ sinh thái mới nhường chỗ cho các trường hợp sử dụng khác có khả năng điều chỉnh được cải thiện và nhiều tùy chọn tùy chỉnh hơn cho người dùng có kinh nghiệm.

Như vậy, SmartDriver IMD110 là giải pháp tích hợp cao có thể điều khiển nhiều loại thiết bị điện khác nhau. Dòng sản phẩm này cung cấp dải điện áp vận hành rộng và cấu hình linh hoạt. Khả năng truy cập hệ mạch truyền động cổng cho phép tinh chỉnh chuyển đổi mạch động lực. Đồng thời các tính năng này khi kết hợp với nhau cho phép triển khai bộ biến tần truyền động dễ dàng với mức chi phí hóa đơn vật liệu thấp.

Danh mục sản phẩm iMOTION cho phép dễ dàng triển khai các truyền động động cơ điều khiển tốc độ. Infineon Technologies đang mở rộng hơn việc cung cấp các giải pháp phần cứng – từ bộ điều khiển đến bộ biến tần. Đồng thời, phần mềm điều khiển động cơ sử dụng ngay, Bộ điều khiển chuyển động (MCE) đảm bảo các cải tiến liên tục và các tính năng bổ sung cho các sản phẩm phần cứng hiện đã có hoặc sắp ra mắt.

Theo Ingo Skuras (Infineon)