Semplicità ed elevata efficienza sono i due principali vantaggi delle tecniche di controllo a velocità e frequenza variabile (VSD/VFD) nell’azionamento dei motori elettrici. Tuttavia, a causa dell’eccessivo tasso di variazione della tensione (dV/dt), il funzionamento dei motori controllati con la tecnica pulse width modulation (PWM) può comportare degli effetti negativi che riducono la durata e l’efficienza del motore stesso. Ad esempio, a lungo termine, l’isolamento e i cuscinetti del motore possono subire dei danni. Inoltre, le interferenze elettromagnetiche (EMI) prodotte dal sistema di controllo PWM possono generare disturbi o errori sui segnali trasmessi.
In questo articolo, basato su una presentazione1 tenuta in occasione del recente evento Fortronic 2023 da Saeed Safari, Field Application Engineer Industrial Products di Broadcom, verrà presentata una tecnica innovativa che consente di risolvere questi problemi tramite il controllo dello slew rate.
Inverter IGBT con controllo PWM
Gli inverter con controllo PWM basati su IGBT rappresentano una soluzione efficace, economica e molto diffusa nei sistemi di azionamento dei motori elettrici. I vantaggi delle tecniche di controllo PWM includono perdite di potenza ridotte, elevata efficienza e controllo accurato di velocità e coppia del motore.
Esistono, tuttavia, delle limitazioni, legate soprattutto all’elevato tasso di variazione della tensione rispetto al tempo. Una delle soluzioni più comunemente adottate per ridurre le perdite, infatti, consiste nell’incremento di dV/dt in modo da rendere i fronti del segnale PWM più ripidi possibile (si osservi la Figura 1). Questa soluzione consente di incrementare la frequenza di commutazione del segnale PWM, riducendo il tempo di commutazione dei transistor IGBT. Un elevato dV/dt comporta l’insorgenza di sovratensioni durante i transitori di commutazione che, al crescere della distanza tra motore e sistema di controllo, diventano insostenibili.
Queste sovratensioni possono danneggiare l’isolamento del motore oppure la protezione dei cuscinetti contro le correnti vaganti e generare emissioni elettromagnetiche indesiderate, compromettendo l’affidabilità del motore ed i valori attesi di MTBF.
Figura 1: Effetti negativi di un elevato dV/dt nel controllo motore (Fonte: Broadcom1)
Gli impulsi che arrivano ai terminali del motore sono di conseguenza distorti o amplificati come effetto della variazione di impedenza tra i terminali stessi e il circuito inverter. Il cavo di collegamento agisce come una linea di trasmissione il cui carico è rappresentato dal motore.
Il parametro dV/dt, definito come il tempo richiesto da un impulso di tensione per passare dal 10 al 90% della sua ampiezza, svolge un ruolo molto importante in questo contesto. Negli inverter PWM, il valore di dV/dt (misurato in V/µs) può raggiungere anche valori di 10kV/ µs, o superiori. I valori massimi ammissibili di dV/dt, che dipendono dalla tensione operativa del motore, sono specificati nelle normative IEC e NEMA, come la IEC 60034-25 e la US NEMA MG1.
Gli effetti negativi prodotti da valori eccessivi di dV/dt sono i seguenti:
- Degrado dell’isolamento negli avvolgimenti del motore;
- Degrado dei cuscinetti del motore, causato dal passaggio di correnti vaganti;
- Riduzione della durata del motore. È molto importante introdurre il controllo del dV/dt, soprattutto nel caso di lunghe distanze tra inverter e motore. Ad esempio, nel caso di un motore con tensione operativa di 480V e potenza di 45kW, per sopportare picchi di tensione di 1kV è richiesto un cavo di lunghezza massima pari a 7 metri se non si utilizza il controllo dV/dt, mentre con il controllo dV/dt la lunghezza massima sale a 60 metri;
- Generazione di radiazioni elettromagnetiche (EMI). Gli inverter PWM basati sulle tecniche VSD e VFD rientrano nella classe A, gruppo 1, previsto dallo standard CISPR/EN 55011, ovvero apparecchiature ad uso industriale.
Controllo dello slew rate
Per limitare i danni causati da valori eccessivi di dV/dt, le soluzioni esistenti utilizzano filtri composti da componenti passivi come condensatori, induttori e resistenze, che però risultano essere soluzioni costose e ingombranti che comportano perdite di efficienza.
La soluzione proposta è invece basata su una nuova tecnologia di controllo dinamico dello slew rate che limita il valore di dV/dt nell’inverter IGBT variando la corrente di gate. In Figura 2 sono rappresentati gli schemi a blocchi relativi alla soluzione tradizionale basata su filtri dV/dt (immagine a sinistra) e la soluzione innovativa basata sullo slew rate control (SRC, immagine a destra). Quest’ultima soluzione offre i seguenti vantaggi:
- Costo ridotto;
- Riduzione delle perdite di potenza;
- Controllo dinamico dello slew rate tramite due differenti livelli di corrente di gate;
- Utilizzo di un circuito integrato compatto sviluppato da Broadcom.
Figura 2: Confronto tra la soluzione tradizionale e quella innovativa di controllo dinamico del dV/dt (Fonte: Broadcom).
Il cuore della soluzione proposta è il chip ACFJ-3405 sviluppato da Broadcom. I campioni del prodotto sono attualmente già disponibili, mentre la produzione verrà avviata verso la metà del 2023.
Le principali caratteristiche tecniche del componente ACFJ-3405 sono le seguenti:
- Due differenti modalità di pilotaggio del gate per attuare il controllo dello slew rate:
- Modalità 1 con corrente massima di 4A;
- Modalità 2 con corrente massima di 12A;
- Corrente massima in uscita pari a 12A;
- Circuito di protezione Active Miller Clamp con corrente massima di 4A;
- Protezione dai cortocircuiti tramite adaptive desat blanking
- Controllo del dead time;
- Controllo dello stato del gate con indicazione di eventuale guasto;
- Protezione dallee sottotensioni e sovratensioni;
- Funzionalità di test integrata (Built-in Self-Test)
- Package SO-24 package con passo da 8,3 mm
- Range di temperature operative compreso tra -40°C e +125°C.
Questo metodo semplice ed economico di controllo dello slew rate dell’IGBT contribuirà a migliorare la durata e le prestazioni del motore.
Lo schema applicativo del nuovo componente ACFJ-3405 di Broadcom è visibile nell’immagine a sinistra di Figura 3. Un microcontrollore (MCU) gestisce il gate driver impostando lo slew rate control (SRC) desiderato tramite il pin SRC ed inviando il segnale PWM sul pin VIN.
Nel caso in cui venga abilitata la funzionalità SRC ad un livello, la corrente in uscita utilizzata per pilotare il gate sarà pari al valore di IOP1, cioè 4A. Se invece viene selezionata la funzionalità SRC a due livelli, la corrente di pilotaggio del gate sarà pari a IOP = IOP1+IOP2 = 12A.
Prelevando le condizioni di carico del motore tramite la resistenza RSENSE, sul microcontrollore si può implementare un algoritmo che decide, volta per volta, il livello di corrente più adatto al pilotaggio del gate.
Nella parte destra di Figura 3 possiamo osservare un esempio di funzionamento della tecnica di controllo dinamico dello slew rate. Assumendo un valore massimo di dV/dt pari a 5kV/µs (valore compatibile con quanto specificato negli standard IEC 60034-25 e US NEMA MG1), si può notare come, per valori di IC pari a circa 70A, il sistema utilizzi la modalità di pilotaggio IOP1 (4A), sufficiente a soddisfare il requisito imposto su dV/dt. Per valori di IC superiori a circa 70A, il sistema seleziona la modalità IOP = IOP1+IOP2 = 12A, che rispetto alla precedente garantisce efficienza e prestazioni superiore senza tuttavia superare la soglia limite di dV/dt pari a 5kV/µs.
Figura 3: Schema applicativo del componente ACFJ-3405 e diagramma dV/dt (Fonte: Broadcom)
Prove sperimentali, condotte da Broadcom utilizzando inverter da 60kW equipaggiati con IGBT da 1200V/200A di Fuji Electric e lunghezza dei cavi pari a 100 metri, hanno permesso di ottenere i seguenti risultati:
- Raggiungimento dell’obiettivo di dV/dt massimo, pari a 4kV/µs, nelle diverse condizioni di carico;
- Significativa riduzione di EON utilizzando la tecnica SRC;
- Riduzione delle perdite di potenza utilizzando la tecnica SRC
- Soddisfacimento dei requisiti EMI previsti dallo standard CISPR/EN 55011 classe A, gruppo 1 per le emissioni condotte.
Riferimenti
1 Dr. Saeed Safari, “Reduce Motor EMI & Insulation Voltage Stress with Slew Rate Control Gate Driver”, presentazione all’edizione 2023 di Fortronic
