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【演讲】三菱电机:面向机器人驱动应用的IPM解决方案

2018-01-11 16:25 高工机器人网 阅读:14958
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摘要机器人伺服驱动技术正向着共用整流器,更多功能、更低损耗,更紧凑的外观发展;对功率半导体器件来说,需要更高可靠性的功率模块,开发更多的新功能,提升性能形成差异化;需要更加简洁的驱动/保护回路和更小的驱动和保护电路,从而降低功率器件的开关损耗。

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【文/廖文清】机器人伺服驱动技术正向着共用整流器,更多功能、更低损耗,更紧凑的外观发展;对功率半导体器件来说,需要更高可靠性的功率模块,开发更多的新功能,提升性能形成差异化;需要更加简洁的驱动/保护回路和更小的驱动和保护电路,从而降低功率器件的开关损耗。

在这一趋势下,三菱电机为伺服驱动器提供了各种解决方案,其中,包括IPM方案、DIPIPM/DIPIPM+方案、CIB方案。

三菱电机面向机器人驱动应用的解决方案都有哪些特点和优势?2018年1月11日,以“新时代•新机会•新使命”为主题的2017高工机器人年会在东莞•观澜湖度假酒店会议中心隆重举行。在由三菱电机冠名的“核心技术升级推动机器人换代”专场中,三菱电机半导体大中国区应用技术经理马先奎发表了《面向机器人驱动应用的IPM解决方案》的主题演讲。

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作为一家技术主导型的企业,在功芯片和功率模块方面,三菱电机已经拥有60年的经验,三菱电机拥有多项领先技术,在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据着重要的地位。

三菱电机半导体的成功来自四个专业化的领域——功率半导体器件、高频器件、光器件和TFT-LCD液晶屏。三菱电机功率半导体模块主要包括IGBT、IPM、DIPIPMTM、HVIGBT和EV/HEV专用模块等产品。

据悉,1986年,三菱电机最先将IPM实现产品化。IPM并非简单地把IGBT和控制电路放到一个模块中,而是根据系统要求设计IPM使用的IGBT硅片,以及能够在最佳状态下驱动、保护IGBT的专用IC,还要考虑耐噪声和浪涌电压,并融合高集成度的封装技术。

相比IGBT,IPM优势在于简化设计、高性能、高可靠性。目前三菱电机已经研发出了第7代IPM,该产品内置损耗更低的第7代 IGBT/FWDi芯片,采用SLC封装技术,可靠性更好;全新驱动电路进一步降低损耗及EMI噪声并且可与G系列 IPM封装尺寸兼容;此外,G1系列的控制端子与G/L1 系列兼容,可使用相同接口电路。第7代IPM具有驱动电路、保护电路和故障处理等功能。 

马先奎表示,采用第7代IGBT/FWD功率芯片和SLC封装技术的第7代IPM已经商业化,其损耗低、 EMI噪声低、故障信号可辨识、热循环寿命长。第7代IPM可针对不同的保护功能输出不同的脉宽信号,使用户端故障识别成为可能,当系统发生故障时更容易查找原因。通过采用开关速度自动调节技术,第7代IPM具有更低损耗,更低噪声。

此外,第7代IPM的SLC封装技术采用DP树脂,减小对绑定线、硅片间的机械应力;单一衬底设计,去掉绑定线连接;铜片厚度增加,优化走线宽度,减小内部杂散电感;去除焊接层,去掉热循环薄弱点,提高热循环寿命。传统结构设计的半导体器件在500次循环后(-40<->125 ℃),焊接层开裂;但是三菱电机第7代IPM在7000次循环后(-40<->125℃),焊接层都没有开裂。

为适应变频市场高可靠性、低成本、小型化等应用要求,三菱开发了一系列的DIPIPM产品,它是一种双列直插型封装的IPM, 其内置了HVIC, 使其外围电路变得更加简单而节约成本,现已被广泛应用于包括家电、小型变频器、工业伺服等产品中。在IPM的应用控制部分,使用DIPIPM,可以省去隔离电路和3路15V电源。

事实上,三菱电机是压注模封装IPM产品的先锋!三菱电机针对不同应用优化功率硅片,以卓越的性能以及合理的价格和拥有最宽的产品线(电流等级和封装)等优势,在IPM设计上积累了无与伦比的经验,具备高可靠性和低故障率的保证。截止到2017年12月份,三菱电机的DIPIPMTM累计发货已经超过5.6亿颗。

据悉,伺服驱动的体积越小越好,对于PCB尺寸的要求,电子元器件的要求更高,如果要减少电子元器件,相应的中间的电路设计要简化,对于系统里面部件的集成度,集成的高度化应该要求更高。

“第6代DIPIPMTM(超小型/小型/大型)内置自举电阻/二极管和LVIC模拟温度输出,具有极高的性价比和应用可靠性,是开发小功率机器人伺服驱动器的理想选择。” 马先奎如是说。

其中,第6代超小型DIPIPM采用最新的第7代IGBT技术实现更高的性能,同一封装下覆盖5~35A,提升性能降低价格的同时保持封装的一致性;第6代小型DIPIPM采用第6代IGBT功率芯片(CSTBT),内置自举二极管和LVIC温度模拟量输出,具有高度集成的特点;第6代大型DIPIPM使用第6代IGBT实现低损耗,集成更多功能(内置自举二极管和LVIC温度模拟量输出),电流覆盖5A~75A。

在DIPIPM+方案中,全集成压注模封装CIB DIPIPM高度集成自举二极管、Vot温度输出、3相整流桥,简化电路设计,缩减PCB面积,可以有效降低成本。

此前,三菱电机发布基于SiC功率器件的全新CNC伺服驱动器,对比上一代MDS-DM Series特定产品,主轴电机力矩提升15%,主轴电机转速提升100%,驱动器体积下降20%。

目前,三菱电机正在研发超小型Full-SiC DIPIPM,该产品使用SiC MOSFET实现低导通压降和二极管正向压降,降低损耗;使用SiC MOSFET自身体二极管作为FWDi,减低反向恢复电流和噪声;可与超小型DIPIPM使用相同PCB。超小型Full-SiC DIPIPM效率显著提升,并且由于良好的反向恢复特性,辐射噪声水平显著降低。

马先奎指出,Full-SiC IPM & DIPIPMTM 已导入企业预研项目,它们将进一步提升机器人伺服驱动器的功率密度。


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