Trong lĩnh vực điện tử công suất hiện đại, các mô-đun transistor lưỡng cực cổng cách điện (IGBT) đóng vai trò trung tâm trong việc đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao. SKiiP 26NAB065V1, một mô-đun công suất thông minh (IPM) thuộc dòng MiniSKiiP của Semikron, thiết lập một tiêu chuẩn mới cho các ứng dụng biến tần công suất trung bình đến thấp với các tính năng tích hợp cao, độ tin cậy vượt trội và hiệu suất điện tối ưu.

1. Dòng sản phẩm MiniSKiiP là gì?

Dòng sản phẩm MiniSKiiP của Semikron (nay là Semikron Danfoss) là một nền tảng mô-đun nguồn tích hợp được thiết kế cho các ứng dụng điều khiển động cơ và biến tần công suất trung bình đến thấp trong ngành điện tử công suất. Với công nghệ SKiiP độc đáo và có độ tin cậy cao, nó thiết lập các tiêu chuẩn ngành về tăng độ tin cậy của hệ thống, đơn giản hóa quy trình lắp ráp và đạt được mật độ công suất cao.¹

Ưu điểm chính của dòng sản phẩm MiniSKiiP nằm ở việc sử dụng công nghệ SKiiP (Semikron Integrated Intelligent Power) đã được cấp bằng sáng chế của Semikron.

Các mô-đun nguồn truyền thống yêu cầu một tấm đế để kết nối lớp cách nhiệt bằng gốm với bộ tản nhiệt. Ngược lại, MiniSKiiP sử dụng thiết kế không có tấm đế, sử dụng hệ thống ép trực tiếp để tạo tiếp xúc nhiệt giữa tấm gốm đồng liên kết trực tiếp (DBC) và bộ tản nhiệt. Thiết kế này giúp giảm đáng kể điện trở nhiệt và mang lại hiệu suất làm mát vượt trội.

2. Giới thiệu SKiiP 26NAB065V1

SKiiP 26NAB065V1 là một IPM hiệu suất cao được thiết kế đặc biệt cho các bộ biến tần nhỏ gọn. Nó không chỉ là một chip IGBT, mà là một giải pháp nguồn điện hoàn chỉnh, tích hợp IGBT, điốt, mạch điều khiển cổng và mạch bảo vệ vào một khối duy nhất.

Mô-đun này có cấu trúc nguồn điện toàn diện, được gọi là Bộ chuyển đổi-Biến tần-Ngắt (CIB). Thiết kế tích hợp này giúp đơn giản hóa đáng kể hệ thống và danh sách vật tư (BOM) của người dùng cuối, với các ứng dụng điển hình bao gồm:

• Mạch chỉnh lưu cầu ba pha 5
• Phanh Chopper 5
• Biến tần cầu ba pha 5 pha
• Bộ điều khiển động cơ biến tần (VFD) nhỏ gọn

3. Giới thiệu công nghệ SKiiP.

Cốt lõi của công nghệ SKiiP (Semikron Integrated Intelligent Power) nằm ở cấu trúc không tấm mang tính cách mạng và phương pháp kết nối có độ tin cậy cao, điều này rất quan trọng đối với độ tin cậy cao của SKiiP 26NAB065V1.

Thiết kế không cần đế và tiếp xúc áp lực: Các mô-đun nguồn thông thường sử dụng phương pháp hàn để kết nối đế gốm với đế đồng. Công nghệ SKiiP tiên phong trong thiết kế không cần đế, thay vào đó sử dụng hệ thống áp lực trực tiếp để tạo tiếp xúc nhiệt giữa đế gốm DBC và tản nhiệt. Cấu trúc này đảm bảo điện trở nhiệt rất thấp và mang lại hiệu suất tản nhiệt tuyệt vời.

Hệ thống tiếp điểm lò xo (kết nối không cần hàn): Một cải tiến quan trọng của mô-đun này là việc sử dụng các tiếp điểm lò xo có độ tin cậy cao để thay thế các điểm hàn truyền thống cho tất cả các kết nối điện và phụ trợ. Hiện tượng mỏi mối hàn là một cơ chế chính gây ra hỏng hóc mô-đun điện do thay đổi nhiệt độ. Việc loại bỏ các điểm hàn giúp SKiiP 26NAB065V1 có khả năng chống chịu đặc biệt với sự thay đổi nhiệt độ và tác động của môi trường, kéo dài đáng kể tuổi thọ và độ bền của nó trong điều kiện tải dao động.

Công nghệ chip IGBT và Diode: SKiiP 26NAB065V1 sử dụng các IGBT siêu nhanh không xuyên thủng (NPT) kết hợp với các diode tự do mạnh mẽ với công nghệ CAL (Tuổi thọ trục được kiểm soát). Việc ứng dụng các công nghệ chip tiên tiến này giúp tăng cường đáng kể hiệu suất chuyển mạch của mô-đun và giảm thiểu hiệu quả cả tổn thất dẫn điện và tổn thất chuyển mạch.

4. Phân tích các chỉ số hiệu quả điện năng chính.

Dựa trên thông số kỹ thuật, SKiiP 26NAB065V1 thể hiện hiệu năng điện được tối ưu hóa cho các ứng dụng công suất trung bình:

Các chỉ số này làm nổi bật mục tiêu thiết kế của mô-đun là đạt được tổn thất điện năng thấp và hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao. Ví dụ, tổn thất điện năng thấp trong quá trình bật nguồn (Eon = 1,3 mg/s) và tắt nguồn (Eoff = 0,9 mg/s) cho phép mô-đun hoạt động ở tần số chuyển mạch cao hơn trong khi vẫn duy trì mức tăng nhiệt độ thấp.

5. Tích hợp các chức năng bảo vệ thông minh.

Là một hệ thống bảo vệ tích hợp (IPM), SKiiP 26NAB065V1 tích hợp mạch bảo vệ toàn diện để đảm bảo hoạt động an toàn và độ tin cậy cao của hệ thống trong nhiều điều kiện môi trường bất lợi. Các tính năng bảo vệ này bao gồm:

• Bảo vệ ngắn mạch: Chức năng bảo vệ ngắn mạch của IGBT được thực hiện thông qua cơ chế giám sát điện áp cực góp-cực phát (VCE).
• Giám sát nhiệt độ: Mô-đun này tích hợp cảm biến NTC (Hệ số nhiệt độ âm), được sử dụng để giám sát nhiệt độ tản nhiệt theo thời gian thực.6 Bộ điều khiển bên trong sẽ tắt IGBT và thiết lập nhật ký lỗi nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡng được xác định trước (ví dụ: 115°C ± 5°C).
• Giám sát điện áp bus DC: Hệ thống kiểm tra xem điện áp DC có vượt quá giới hạn tối đa (UZmax) hay không. Khi điện áp vượt quá giới hạn này, trình điều khiển sẽ tắt hệ thống và đặt cờ lỗi.
• Bảo vệ điện áp thấp: Bộ điều khiển giám sát xem điện áp có giảm xuống dưới mức giới hạn đã đặt khi sử dụng nguồn điện 15 VDC hoặc 24 VDC hay không.

Các cơ chế bảo vệ tích hợp này giúp đơn giản hóa đáng kể thiết kế mạch bảo vệ cấp hệ thống, đảm bảo khả năng tự bảo vệ của mô-đun trong các tình huống bất thường và do đó kéo dài tuổi thọ tổng thể của hệ thống.

6. Kích thước SKiiP 26NAB065V1

SKiiP 26NAB065V1 Kích thước

Dưới đây là kích thước vật lý và trọng lượng của mô-đun SKiiP 26NAB065V1, sử dụng vỏ MiniSKiiP 2:

7. Sơ đồ chân của SKiiP 26NAB065V1

Thiết kế chân cắm của mô-đun SKiiP 26NAB065V1 tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn dòng MiniSKiiP, với đặc điểm tích hợp cao và sử dụng hệ thống tiếp điểm lò xo không cần hàn cho tất cả các kết nối.

Sơ đồ chân SKiiP26NAB065V1

Mô-đun này sử dụng cấu trúc CIB (Bộ chuyển đổi-Bộ biến tần-Phanh) 5 chân, do đó sơ đồ chân bao gồm đầu vào nguồn, bus DC, đầu ra biến tần ba pha và các tín hiệu điều khiển và bảo vệ điện áp thấp.

I. Điện cực

Các kết nối này được liên kết trực tiếp với nguồn điện và động cơ thông qua các tiếp điểm lò xo có độ tin cậy cao.

II. Các thiết bị đầu cuối phụ trợ và thiết bị đầu cuối điều khiển

SKiiP 26NAB065V1 là một mô-đun nguồn thông minh (IPM) tích hợp mạch điều khiển cổng và mạch bảo vệ. Các tín hiệu điều khiển này được kết nối với bo mạch điều khiển thông qua một bộ tiếp điểm lò xo áp suất thấp riêng biệt:

8. Sử dụng SKiiP 26NAB065V1

Các kịch bản ứng dụng chính của SKiiP 26NAB065V1 tập trung vào các hệ thống truyền động và chuyển đổi điện công nghiệp đòi hỏi hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và độ tin cậy vượt trội:

1. Bộ điều khiển động cơ biến tần (VFD) nhỏ gọn.

Đây là lĩnh vực sử dụng chính và điển hình nhất của dòng sản phẩm MiniSKiiP1.

• Tự động hóa và điều khiển công nghiệp: Cấu trúc mô-đun tích hợp, bao gồm bộ chỉnh lưu cầu ba pha, bộ ngắt mạch và bộ biến tần cầu ba pha (CIB) 2, làm cho mô-đun này trở thành thành phần cốt lõi lý tưởng để xây dựng các bộ biến tần hoàn chỉnh. Nó được sử dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ trong các thiết bị công suất trung bình đến thấp như máy bơm, quạt và hệ thống băng tải. Các ứng dụng này đòi hỏi độ tin cậy rất cao của mô-đun, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt độ thay đổi.
• Yêu cầu mật độ công suất cao: Thiết kế không đế và khả năng quản lý nhiệt tối ưu của MiniSKiiP cho phép cung cấp công suất cao trong kích thước nhỏ nhất có thể. Điều này cho phép khách hàng thiết kế các bộ biến tần công suất cao hơn trong cùng thể tích hoặc nhỏ hơn, phù hợp với xu hướng thu nhỏ thiết bị công nghiệp hiện đại.

2. Biến tần và bộ nguồn đa năng.

Mặc dù chủ yếu được thiết kế để sử dụng với các bộ điều khiển động cơ, hiệu suất cao và khả năng tích hợp của nó cũng làm cho nó phù hợp với các hệ thống chuyển đổi năng lượng tầm trung và thấp khác:

• Hệ thống biến tần đa năng: Mô-đun này tích hợp các IGBT, điốt, mạch điều khiển cổng và ba mạch bảo vệ, giúp giảm số lượng linh kiện bên ngoài và đơn giản hóa thiết kế tổng thể cũng như danh sách linh kiện (BOM) của bộ chuyển đổi nguồn.
• Môi trường hoạt động cực kỳ đáng tin cậy: Do công nghệ SKiiP sử dụng các tiếp điểm lò xo thay vì các điểm hàn truyền thống, nó thể hiện khả năng chống chịu tuyệt vời với sự thay đổi nhiệt độ và các tác động từ môi trường. Vì vậy, nó rất phù hợp để sử dụng làm lõi điện trong môi trường công nghiệp với sự biến động nhiệt độ khắc nghiệt hoặc chu kỳ hoạt động thay đổi liên tục. Các ứng dụng được hưởng lợi từ độ tin cậy vượt trội của các tiếp điểm lò xo bao gồm các bộ truyền động tiêu chuẩn, bộ truyền động servo, bộ biến tần năng lượng mặt trời, hệ thống UPS và các ứng dụng chuyên biệt như xe nông nghiệp hoặc bộ truyền động điều chỉnh góc cánh quạt trong tua bin gió.

9. Ưu điểm của SKiiP 26NAB065V1

Dòng sản phẩm SKiiP 26NAB065V1 và MiniSKiiP mang đến cho khách hàng nhiều ưu điểm vượt trội ở cấp độ ứng dụng hệ thống:

• Tích hợp hệ thống đơn giản hóa: Việc kết hợp các chức năng hiệu chỉnh, đảo pha, phanh, dẫn động và bảo vệ vào một thiết bị duy nhất giúp giảm số lượng linh kiện hệ thống và đơn giản hóa thiết kế. Bộ điều khiển kỹ thuật số tích hợp cung cấp khả năng cách ly tín hiệu an toàn, chuyển mạch và đo lường thông số, giúp giảm hơn nữa độ phức tạp trong thiết kế.
• Mật độ công suất cao: Thiết kế không có tấm đế và khả năng quản lý nhiệt tối ưu cho phép tạo ra công suất cao hơn trong không gian nhỏ gọn hơn, giúp khách hàng thiết kế các bộ chuyển đổi công suất cao hơn với cùng diện tích hoặc thậm chí diện tích nhỏ hơn.
• Giảm chi phí sản xuất: Thiết kế tiếp điểm lò xo giúp đơn giản hóa các bước hàn phức tạp, làm cho việc lắp ráp mô-đun nhanh hơn và dễ dàng hơn (thường chỉ cần một hoặc hai ốc vít để cố định). Trong một số ứng dụng, thiết kế này có thể giúp giảm số lượng gói biến tần và chi phí sản xuất lên đến 15%.

10. Nhà sản xuất SKiiP 26NAB065V1

Các sản phẩm SKiiP 26NAB065V1 và dòng MiniSKiiP được phát triển và sản xuất bởi công ty SEMIKRON của Đức . SEMIKRON có bề dày lịch sử và chuyên môn sâu rộng trong lĩnh vực mô-đun bán dẫn công suất.

Tháng 8 năm 2022, SEMIKRON chính thức sáp nhập với Danfoss Silicon Power, một công ty con của Tập đoàn Danfoss, để thành lập Semikron Danfoss. Mục đích của việc sáp nhập này là kết hợp chuyên môn và khả năng đổi mới của cả hai bên—hơn 90 năm kinh nghiệm—với cam kết đầu tư đáng kể vào đổi mới, công nghệ và năng lực sản xuất. Liên doanh này hướng đến mục tiêu trở thành đối tác hàng đầu trong lĩnh vực điện tử công suất, với hơn 3.500 chuyên gia điện tử công suất làm việc.

Tóm tắt

Tóm lại, mô-đun IGBT SKiiP 26NAB065V1 không chỉ là một thiết bị bán dẫn công suất cao mà còn là một giải pháp nguồn thông minh được thiết kế tỉ mỉ. Với độ tin cậy cao nhờ công nghệ không cần hàn, mật độ công suất tuyệt vời và khả năng tích hợp hệ thống đơn giản, nó thiết lập một tiêu chuẩn mới cho thị trường biến tần công suất trung bình đến thấp.

Câu hỏi thường gặp

Ưu điểm chính của SKiiP 26NAB065V1 là gì?

Ưu điểm chính là công nghệ tiếp điểm lò xo không cần hàn, giúp tăng cường đáng kể độ tin cậy trong điều kiện nhiệt độ khác nhau và đơn giản hóa việc lắp ráp hệ thống.

Module 26NAB065V1 có những ứng dụng chính nào?

Chúng chủ yếu được sử dụng trong các bộ biến tần (VFD) nhỏ gọn, công suất trung bình đến thấp, cũng như các bộ biến tần đa năng có độ tin cậy cao cho các hệ thống tự động hóa công nghiệp như điều khiển bơm và quạt.

CIB topology là viết tắt của từ gì?

CIB là viết tắt của Converter-Inverter-Brake (Bộ chuyển đổi-Biến tần-Phanh). Mô-đun này tích hợp bộ chỉnh lưu AC, bộ biến tần liên kết DC và bộ chuyển mạch phanh vào một thiết bị duy nhất.

Giá trị dòng điện và điện áp định mức là bao nhiêu?

Dòng điện cực góp định mức (ICnom) là 50 A và được thiết kế cho nền điện áp 650 V.

Mô-đun MiniSKiiP được lắp đặt lên tản nhiệt như thế nào?

MiniSKiiP sử dụng thiết kế không đế và các tiếp điểm lò xo. Mô-đun được gắn chắc chắn chỉ bằng một hoặc hai ốc vít, tích hợp bo mạch điều khiển, mô-đun và tản nhiệt trong một bước duy nhất.

Ai đã sản xuất mô-đun này?

Nhà sản xuất là Semikron Danfoss, một công ty được thành lập vào tháng 8 năm 2022 thông qua sự sáp nhập của Semikron và Danfoss Silicon Power.

Mô-đun này có những tính năng bảo vệ tích hợp nào?

Là một mô-đun Quản lý Nguồn Thông minh (IPM), nó tích hợp các chức năng bảo vệ toàn diện như bảo vệ ngắn mạch (giám sát VCE), giám sát quá nhiệt (NTC tích hợp) và bảo vệ quá áp bus DC.