مزايا استخدام تصميم IPM وما يجب مراعاته عند الاختيار

مزايا استخدام تصميم IPM وما يجب الانتباه إليه عند الاختيار

نورمان داي

مقدمة مختصرة

نظرًا لأن بنية دائرة القدرة التي يقودها محرك أحادي الطور أو ثلاثي الطور أصبحت ناضجة ومستقرة إلى حد كبير، فقد أحدثت وحدة القدرة التي تدمج مفتاح القدرة ودائرة القيادة لهذا الجزء أثرًا ثوريًا في مفهوم تصميم أنظمة محولات التردد بعد طرحها. ومع نضج تقنية تغليف الوحدات والانخفاض السريع في التكلفة، ظهر اتجاه لاستبدال المكونات التقليدية تدريجيًا لتصبح الخيار السائد في تصميم الأنظمة. وتُسمى هذه الوحدة المتكاملة عالية الذيوع بوحدة القدرة المتكاملة/الذكية، ويُختصر اسمها إلى IPM [1]. وللأسف، لا يزال معظم المصممين ينظرون إلى هذه المكونات بوصفها صندوقًا أسود؛ فإما يتخلون عنها خشية عدم القدرة على التعامل مع المشكلات التي قد تنشأ عنها، أو يكتفون بتبنّي تأثير بعض الشركات الرائدة وتكوين مفاهيم غير دقيقة. لكن لا ينبغي لا هذا ولا ذاك؛ إذ يجب على المصممين تبنّي موقف واضح تجاه اتجاه التغليف المتكامل لوحدات القدرة. ولا بد من اختيار مفهوم تصميم يتمتع بميزة تنافسية، مع الإلمام الكامل بخصائص المكونات المستخدمة وحدودها، لضمان عدم استبعادها من السوق المتغيرة بسرعة.

مزايا استخدام تصميم IPM

من حيث تكلفة المكوّن الواحد، يصعب على IPM منافسة عناصر التغليف المنفصل التي أصبحت معيارية وتنتج بكميات كبيرة. لكن النظر إلى تصميم المنتج ككل من زاوية تكلفة المواد فقط ليس الرؤية التي ينبغي أن يتحلى بها المصمم، لذا يجب توسيع نطاق النقاش في هذا الموضوع. وهنا يقسّم المؤلف ذلك إلى ثلاثة مستويات: الأداء، والموثوقية، والسعر، لاستكشاف الفروق الناتجة عن استخدام IPM في تصميم النظام.

الأداء:

(1) تقليل عدد المكوّنات والمساحة المطلوبة للوحة PCB بشكل كبير

(2) توفير حلول ذات عزل عالٍ وأداء جيد في تبديد الحرارة

(3) تقليل تعقيد تخطيط المسارات بشكل كبير

(4) تقليل أثر المحاثة الطفيلية في توصيل الشريحة القدرة ودائرة القيادة

(5) تتمتع الشرائح المدمجة داخليًا بخصائص كهربائية متقاربة

(6) يمكنها الاستجابة لمختلف حالات الحماية غير الطبيعية في الوقت الفعلي

فوائد النقطة الأولى واضحة. يقدّم الشكل (1) بيانات كمية للرجوع إليها. أما الميزة الثانية فتنبع من الفروق التي توفرها العمليات المختلفة. فعند استخدام العنصر المنفصل التقليدي في التصميم، وبما أن مصدر أو مجمّع شريحة القدرة الداخلية يكون موصولًا مباشرةً بالغلاف المعدني العاري، فإن تحقيق تصميم ذي عزل عالٍ وسهولة في نقل الحرارة يتطلب، إلى جانب اختيار حشية عازلة مرتفعة السعر للوحدة، أن تصبح عملية الإنتاج أكثر تعقيدًا، كما يصعب التحكم في حالات عدم المطابقة في المنتج النهائي بعد التجميع،

...وزمن التجميع. تكسر IPM فكرة أن التصميم التقليدي لا يستطيع إلا الدوران في المشكلات المذكورة أعلاه، وتوفر حلًا حقيقيًا يجمع بين العزل العالي وأداء جيد في تبديد الحرارة. ويعرض المخطط في الشكل (2) الاستنتاج أعلاه بصورة أكثر تحديدًا.

يوضح الشكل (3) مخطط تصميم الدائرة باستخدام المكونات التقليدية، بينما يوضح الشكل (4) مخطط تصميم الدائرة باستخدام IPM. يحقق كلاهما الوظيفة نفسها، لكن الدائرة الناتجة عن استخدام نظام تصميم IPM أبسط نسبيًا. وفي الواقع، يركّز مخطط الشكل (IV) أعلاه أساسًا على المقارنة المبسطة بين دائرة القدرة ودائرة القيادة. وإذا عُرضت أيضًا النتائج المبسطة الإضافية للدائرة التي تستخدم مصدر التغذية المساعد واستشعار التيار المقابل لـ IPM في الشكل (IV)، فسيكون الفرق في تبسيط الدائرة أكبر.

في معايير تصميم المكونات التقليدية، كان تقليل محاثة التسرب في التوصيل بين الخطوط وتقليص الحلقة بين IGBT وIC القيادة قدر الإمكان للحصول على إجهاد تبديل أقل وتداخل خطي أقل هو دائمًا اتجاه مصممي الأنظمة. غير أن توصيل مجمّع وباعث IGBT، كما في الشكل (5)، يملك آثار محاثة طفيلية متفاوتة. ولتقليل هذه الآثار، يجب أن يكون المسار بين العبوات التقليدية قصيرًا وسميكًا. لذلك لا بد من استخدام لوحة PCB متعددة الطبقات أو زيادة مساحة PCB لتلبية هذه المتطلبات. ويمكن لـ IPM معالجة هذه التأثيرات الطفيلية بكفاءة على مستوى التغليف. والسبب هو أنه مهما اقتربت شريحة القيادة IC من مفتاح القدرة (IGBT أو MOSFET القدرة) باستخدام تخطيط PCB، فلن تكون أقرب من وضعها مباشرة بجوار مفتاح القدرة على هيئة شريحة عارية. وبالمثل، إذا تم توصيل كل مفتاح قدرة مباشرة على إطار الأسلاك باستخدام الربط السلكي، فسيكون ذلك أقل بكثير من التوصيل عبر طرف المكوّن التقليدي نفسه ثم عبر الرقاقة النحاسية على PCB.

الميزة المذكورة في النقطة الخامسة هي أن IPM يمكنه معالجة مشكلة التحكم غير الطبيعي في التجميع التي تُربك مصمم النظام مباشرةً على مستوى الرقاقة.

عادةً ما يتبنّى المصنّعون اليابانيون موقفًا صارمًا تجاه تجميع الأنظمة. والممارسة المتّبعة هي قياس خصائص كل شريحة قدرة قبل التجميع على الخط. وأثناء الإنتاج والتجميع، يجب تجميع المكوّنات ذات الخصائص المتشابهة على لوحة PCB نفسها لتقليل المشكلات المحتملة الناتجة عن انحراف معاملات المكوّنات في النظام أثناء الإنتاج الكمي. على سبيل المثال، إذا كان تأخير الإيقاف وزمن الإيقاف للذراع العلوية يطابقان المواصفات لكنهما يقتربان من الحدّ الأعلى لها، بينما كانت خصائص التشغيل للذراع العلوية معاكسة تمامًا، ومع إضافة التأثير اللاخطي الناتج عن ارتفاع درجة حرارة التشغيل، فسترتفع كثيرًا احتمالية توصيل الذراعين العلوية والسفلية في الوقت نفسه أثناء التبديل، مما يؤدي إلى استهلاك طاقة إضافي. علاوةً على ذلك، فإن الأساس الأصلي لتصميم المبدّد الحراري كان قائمًا على افتراض أن القدرة الحرارية لكل شريحة متكافئة، لكن إذا انطبق الافتراض السابق أيضًا على المعلمة V(CE)، فإن التوزيع غير المتساوي للحرارة قد يسبب مزيدًا من الانفلات الحراري ويؤدي إلى فشل النظام. ولكن في هذه الحالة، وبسبب استثناء المطابقة

المشكلات المحتملة الناتجة إما يتجاهلها المصممون أو ترفضها الإدارة بسبب تأثيرها على الأرباح والتكاليف. وحتى إذا وُجد هذا المفهوم، فلا يمكن للمصمم إلا استخدام هامش تصميم أكبر للتغلّب عليه، مثل زيادة زمن الميت وزيادة مساحة المبدّد الحراري للحصول على درجة تشغيل أقل، إلخ، لكن الثمن النسبي المطلوب هو خفض أداء النظام وزيادة تكلفة المواد. في الواقع، بعد اختبار كل رقاقة، يكون قد وُجد أصلًا مخطط لتوزيع الخصائص لكل شريحة عارية، لكن هذه المعلومات تختفي عندما تُغلَّف كل شريحة عارية على الرقاقة بصيغة TO-220 أو TO-247، وكذلك الحال بالنسبة إلى الدارة المتكاملة عالية الجهد المستخدمة لقيادة شريحة القدرة. وتبدأ عملية تصنيع IPM من الرقاقة الكاملة، لذا يمكنها ضمان تماثل ومطابقة خصائص الشرائح الثلاثية الطور داخل الوحدة نفسها في مرحلة تثبيت الشرائح عبر استخدام أسلوب اختيار الشرائح العارية المتجاورة ذات الخصائص الأقرب. وباستخدام تفكير تصنيعي مختلف، يمكننا حل هذه المشكلة الصعبة في التصميم التقليدي بسهولة.

إن نتيجة البند السادس ناتجة عن تحسين البند الرابع. فسرعة الاستجابة للحماية تأتي من فرق على مستوى الميكروثانية أو حتى النانوثانية. وغالبًا ما يكون تجنّب تعطل النظام وتسريع سرعة الحماية معضلة أمام مصممي الأنظمة. لذلك، فإن تقليل الحثّ الطفيلي لا يخفف فقط من زمن انتقال الإشارة غير الطبيعية نفسها، بل يقلل أيضًا من ثابت خط المرشح، وبذلك يحسّن سرعة استجابة الدارة المتكاملة للإشارة غير الطبيعية. وبهذه الطريقة يمكن أيضًا خفض معدل الأعطال الناتجة عن عدم وصول إشارة الحماية غير الطبيعية في الوقت المناسب.

الاعتمادية

(1) خفض واضح لاحتمال الأعطال الناتجة عن تعقيد عملية التجميع لدى العاملين في الإنتاج

(2) توفير بنية أكثر متانة من التغليف التقليدي

(3) سيصبح معدل الأعطال في النظام ككل أقل

إن تحسّن البند الأول واضح جدًا. فطريقة تجميع المكونات التقليدية ليست معقدة فحسب، بل تتكرر مرات عديدة أيضًا، ولذلك يصعب منع بعض المشكلات مثل اختلال المحاذاة، وعدم قفل صامولة العزل، والتشققات الداخلية الدقيقة في الشريحة، وتلف الصفيحة العازلة. إضافةً إلى ذلك، قد لا تُكتشف هذه المشكلات المحتملة بفعالية. لذلك، إذا كان لابد من توصيل المكوّنات شبه الموصلة على التوازي بسبب متطلبات التصنيف، فقد يتغير عدد الشرائح من ست إلى اثنتي عشرة شريحة أو أكثر، وتصبح احتمالية الأعطال المحتملة الناتجة عن التجميع أكبر. ويوضح الشكل (6) الشرح أعلاه بصورة أوضح.

بوجه عام، تمتد إجهادات الاهتزاز في المكونات الموزعة بسهولة إلى الشريحة العارية الداخلية عبر السنّ، سواء عند شدّ المسمار أو طيّ الساق أو حتى أثناء نقل المنتج النهائي. أما الإجهاد الميكانيكي الذي تتحمله الشرائح العارية فينجم في الغالب عن الانفعال الناتج من التغيرات الحرارية في الشريحة الداخلية أو في بيئة تشغيل العبوة. لذلك، سواء كان ذلك مباشرةً في مرحلة التجميع أو بصورة غير مباشرة بسبب الانفعال الناتج عن الإجهاد الحراري المفاجئ، فإن IPM يوفّر حلاً بنيويًا أكثر متانة من المكوّنات المنفصلة الأصلية.

أما الحجة الثالثة فتستند إلى أنه إذا كان معدل فشل IPM مكافئًا لمعدل فشل المكوّنات التقليدية، فسيكون من الضروري استخدام 20 أو 30 مكوّنًا لتحقيق نمط وظيفي مكافئ. وبالتالي فإن معدل الفشل المحتمل للنظام بأكمله يكون بطبيعة الحال أعلى بكثير من معدل فشل مكوّن واحد فقط. ومع ذلك، فإن مدى صحة هذه المزية من عدمه مسألة تتعلق بجوانب واسعة. وربما يمكن تخصيص موضوع خاص لمناقشتها مستقبلًا.

التكلفة الإجمالية

(1) خفض تكاليف الجودة بفضل زيادة الاعتمادية

(2) تقليص وقت تطوير المنتج للمصممين بشكل كبير

(3) خفض تكلفة حفر المبدّد الحراري ولوحة PCB

(4) تقليل ساعات العمل الخاصة بالتجميع والفحص لدى العاملين في الإنتاج

ليس من الصعب التنبؤ بالمزايا المذكورة أعلاه، لكن النتائج الكمية يجب أن تُحتسب بصورة أدق وفقًا لإجراءات التطوير وتكاليف الجودة لدى كل شركة. ويرى الكاتب أنه حتى لو لم تدعم النتائج التخلي عن الحل التقليدي الناضج واختيار IPM، فإن هذا الإجراء مفيد للغاية في توسيع التفكير في اختيار الحلول وتصميم النظام.

احتياطات اختيار IPM

على الرغم من وجود مزايا عديدة لاستخدام IPM في التصميم، فإنه لا يزال أقل سهولة في الإتقان من المكونات المنفصلة التقليدية من حيث نضج التحقق في السوق وتعقيد المكوّنات نفسها، لذلك فإن اختيار وحدة IPM

يجب أن يكون تصميم الوحدات حذرًا للغاية. ويمكن أن توفر المناقشة التالية بعض المراجع للمصممين.

اعتبارات موجّهة إلى سلسلة التوريد

(1) قدرة المورّدين والمصنّعين على التحكم في الاستثناءات العملية

(2) هل يوجد بديل عند نفاد مخزون المورّد

(3) الدعم الفني من المورّد وآلية ضمان الجودة الشاملة في سلسلة التوريد للعملاء

(4) تحسين وإدارة ملاحظات تطبيقات السوق والتحكم فيها

اعتبارات تصميم الوحدة

(1) بنية التغليف

(2) ما إذا كان توزيع المكونات الداخلية منطقيًا

(3) ما إذا كان تصميم الدارة المحيطية المساندة سهل الإتقان

(4) قوة دارة القيادة والشرائح شبه الموصلة للقدرة

نظرًا لمحدودية المساحة، ستتناول الفقرات التالية فقط النقاط الرئيسية للأجزاء ذات الصلة من تصميم الوحدة.

بنية التغليف

خصائص تصميم تغليف قدرة جيد

ينبغي أن يتسم تصميم تغليف القدرة الجيد بقوة بنيوية عالية، وسهولة في عملية التصنيع، وعزل مرتفع، وسهولة في انتقال الحرارة، ومقاومة حرارية منخفضة.

إن مدى ارتفاع قوة البنية يحدد ما إذا كانت أسطح الوصل داخل الوحدة ونظام المواد عرضةً للعيوب والفشل تحت ظروف التغير الحراري السريع والاهتزاز الميكانيكي طويل الأمد.

تشير العملية البسيطة إلى أن العملية تتمتع بقدرة جيدة على التحكم في الشذوذ، كما يمكن اكتشاف العيوب المحتملة في العملية بسهولة.

إن متطلب سهولة انتقال الحرارة يعني أنه عندما تولّد العنصر شبه الموصل استهلاكًا عاليًا للطاقة على الفور (مثل حالة القصر أو التبديل غير الطبيعي)، يمكن نقل الحرارة فورًا، بحيث لا يسبب العنصر شبه الموصل تأثير البقعة الساخنة، مما يؤدي إلى احتراق فوري.

الهدف من انخفاض المقاومة الحرارية هو تصريف الحرارة بعد وصول الجسم الساخن إلى حالة الاتزان الحراري المستقر، حتى لا تتسبب في تراكم الحرارة وفشل المكوّن مبكرًا.

اختلافات هياكل تغليف القدرة المختلفة

الشكل 7 الشكل 8 الشكل 9

تمثل الأشكال (7) و(8) و(9) عدة هياكل تغليف نموذجية لوحدات IPM المتداولة في السوق. وفيما يلي نستخدم الاستنتاجات المذكورة أعلاه للتحقق من مزايا وعيوب هذه البنى الثلاث.

تقوم بنية الشكل (7) على وضع دائرة القيادة المتكاملة IC والموصل شبه الموصِّل على الإطار المعدني نفسه وعلى المستوى نفسه، وتُستخدم الركيزة الخزفية مباشرةً كمادة للعزل ونقل الحرارة إلى المبدد الحراري، ثم تُغطى البنية بالكامل بمركب التغليف المماثل لعناصر التغليف المنفصلة. ويمكن وصف هذا النوع من التغليف بأنه بسيط وعالي المتانة، لكن توجد عدة نقاط يجب الانتباه إليها كما يلي.

أولاً، رغم أن الركيزة الخزفية مادة عالية العزل، فإنها ليست مادة سهلة توصيل الحرارة، ولذلك يكون تأثيرها في تبديد البقع الساخنة اللحظية ضعيفاً نسبياً. لذا فإن قدرة الإطار الناقل للمكوّنات شبه الموصلة على تحقيق التوصيل الحراري اللحظي من دون تكوّن بقع ساخنة مسألة تحتاج إلى عناية خاصة. وفي الوقت نفسه، فإن المقاومة الحرارية للركيزة الخزفية وبالسماكة نفسها أعلى بكثير من الألمنيوم، فضلاً عن النحاس. لذلك فإن درجة حرارة المبدد الحراري نفسها تعني أن درجة حرارة بلورة القدرة داخل الوحدة أعلى من تلك الموجودة في وحدة تستخدم الألمنيوم أو النحاس. وباختصار، فإن نطاق التشغيل الآمن للوحدة سيتقلص نسبياً. والطريقة الوحيدة التي تجعل المصمم يطمئن تماماً هي أن تكون المواصفة قد تحققت بالقياس، لا بالتقدير.

ثانياً، يتعلق الأمر بالمواد والتقنية المستخدمة في سطح الربط للركيزة الخزفية، لأن ذلك يرتبط بما إذا كان الاستخدام طويل الأمد سيؤدي إلى انفصال الطبقات، وهو ما قد يسبب عدم قدرة حرارة أشباه الموصلات على الخروج بصورة طبيعية ثم احتراقها. ويمكن للمصمم أن يطلب من المورّد شروط الاختبار في هذا الجانب، ثم يطابقها مع

يشكل الإطار الناقل مستويين مختلفين. وهدف خفض الإطار الناقل هو جعل مستوى بلورة القدرة الحاملة قريباً جداً من سطح جلّ IPM الملامس للمبدد الحراري. ويجعل هذا التصميم البنيوي الإطار الناقل قابلاً للقولبة والتغليف مباشرةً من دون الحاجة إلى مواد مطابقة أخرى أو عمليات مشتقة بعد اكتمال زرع البلورات في الإطار الناقل.

إضافةً إلى سماكة العزل، فهي أيضاً البنية الأكثر اقتصادية. ويوصى بمطابقة مبدد حرارة النظام، وأعلى درجة حرارة تشغيل ممكنة، وجهد التشغيل للنظام الفعلي لمعرفة النطاق المحدود للوحدة.

هل توزيع المكونات الداخلية منطقي؟

تحقق مما إذا كان توزيع المكونات الداخلية منطقياً، بما في ذلك ما إذا كان مصدر الحرارة، ومعظمه بلورات قدرة، موزعاً على الإطار الناقل لتحقيق توزيع حراري متجانس، وما إذا كان تأخير القيادة لبلورات القدرة ثلاثية الطور متسقاً، وما إذا كانت دائرة التيار لبلورات القدرة في الذراعين العلوي والسفلي متناظرة.

ومن الجدير بالذكر أن المصممين كثيراً ما يرون في مواصفات IPM التوصيةَ، كما هو موضح في الجدول 1، بألا يتجاوز جهد وصلة التيار المستمر في النظام 450 فولت، وألا يتجاوز جهد التبديل 500 فولت. ويرجع ذلك إلى وجود محاثة تسرب مكافئة تتكون من الأسلاك والإطار الناقل داخل IPM،

وقد يكون هبوط الجهد أكبر بكثير من الجهد المقاس على طرف IPM. ولضمان ألا يتجاوز هبوط الجهد عبر بلورة القدرة الداخلية الجهد المقنن البالغ 600 فولت، وُضع هذا النطاق المحدد.

لكن في الواقع، يرجع ذلك إلى أن محاثة التسرب في الإطار الناقل والأسلاك تبلغ نحو 10-20 نانوهينري، وأن معدل تغير تيار مفتاح IPM نادراً ما يتجاوز 400 أمبير/ميكروثانية (عادةً بين 200 أمبير/ميكروثانية و300 أمبير/ميكروثانية). وبذلك، ينبغي أن يكون فرق الجهد بين جهد الطرف والـ IGBT الداخلي الناتج عن تغير الجهد أقل من 10 فولت، ونتائج القياس الفعلية تؤكد ذلك. إضافةً إلى ذلك، فإن معظم IGBT المقننة 600 فولت لها هامش يزيد على 100 فولت. وباختصار، من غير المرجح أن يتجاوز جهد طرف IGBT داخل IPM نطاقه المحدد ثم ينهار بسبب التبديل. ويجب التنبيه إلى أنه، ولإتاحة هامش إضافي بحيث لا تتجاوز القدرة المستهلكة داخل IPM أثناء التبديل نطاق التشغيل الآمن، فإن احتمال تجاوز حد القدرة أكبر بكثير من احتمال تجاوز حد الجهد. ومع ذلك، يمكن توقع أنه كلما كان هامش التصميم أكبر، انخفض معدل الفشل في التطبيق الحقلي. وعندما يصعب تقدير التيار اللحظي، فإن خفض الجهد عبر وصلة p-n يعد معياراً تصميمياً ضرورياً.

في الواقع، فإن العلاقة بين تعريف منطقة التشغيل الآمن للبلورة القدرة وقياسها وتطبيقها الحقلي ومعدل الفشل ليست موضوعاً خاصاً بـ IPM فحسب، بل هي أيضاً موضوع عميق وواسع في التغليف المنفصل الناضج. وربما يمكن مناقشته في مقال خاص آخر في المرة القادمة.

هل من السهل إتقان تصميم خطوط المطابقة الطرفية؟

معظم تصاميم دوائر المطابقة الطرفية لـ IPM لا تختلف كثيراً. وبوجه تقريبي، يكتمل الأمر ما دامت مزودات الطاقة الثلاثية العائمة ومقاومات الحماية من القصر للذراع العلوي موضوعة بالمكونات الصحيحة وفق التصميم المرجعي، كما هو موضح في الشكل (11)، ثم تُوصّل إشارات القيادة للأذرع الستة. لكن ليس بالضرورة أن يكون تصميم كل وحدة سهلاً كما يذكر دليل المرجع. ففي الواقع، يجب تحديد أساس الحكم في هذا الجزء وفق مكوّنات أشباه الموصلات المختارة للوحدة وظروف تطبيق النظام. وعلى وجه الخصوص، ينبغي الانتباه إلى ضرورة منع المشكلات التي قد تنشأ من دائرة القيادة المتكاملة الخاصة التي يختارها IPM. وقد نوقش هذا الجزء بالتفصيل في المرجع [2].

إضافةً إلى ذلك، يجدر ذكر ما إذا كانت منطقية القيادة إيجابية أم سلبية أكثر موثوقية. فقد التقى الكاتب مدير تصميم رفيع المستوى جداً، وكان يؤمن بما تقوله الشركات اليابانية الرائدة، ويعتقد أن القيادة بالمنطق الإيجابي أكثر موثوقية بكثير من القيادة بالمنطق السلبي. في الواقع، يتميز المنطق السلبي بمتانة عالية

عندما يكون مصدر تغذية IPM غير طبيعي، يمكن إيقاف المفتاح بأمان. ولكل من نمطي القيادة مزايا وعيوب، ولا يمكن الجزم بأن أحدهما أكثر موثوقية.

بالرجوع إلى الشكل (XII)، عندما يتجاوز مستوى الضوضاء مستوى القيادة الذي يتعرف عليه IPM، فإن آلية المنطق السلبي تقوم بإيقاف IGBT، بينما يقوم المنطق الإيجابي بتشغيل IGBT. وبوجه عام، تكون حالات التبديل في الذراعين العلوي والسفلي متكاملة في الغالب. لذلك، بالنسبة إلى IPM المقتاد بالمنطق السلبي، فإن إيقاف IGBT الذي كان ينبغي تشغيله لبضع ميكروثوانٍ لا يؤدي إلا إلى خفض استغلال الجهد، أما بالنسبة إلى IPM المقتاد بالمنطق الإيجابي فهناك خطر التوصيل في الأعلى والأسفل في الوقت نفسه، مما يؤدي إلى قصر مباشر في الذراع. علاوة على ذلك، ففي تصميم القيادة المباشرة، رغم أن القيادة بالمنطق السلبي تحتاج إلى مقاومة سحب لأعلى، فإن قدرة الإخراج العامة للـ MCU تكون عادةً أضعف من قدرة السحب إلى الأسفل، وبنحو 1/5 إلى 1/10. لذلك، يظهر خطر القيادة بالمنطق الإيجابي عندما يتطلب منفذ خرج MCU تيار خرج مرتفعاً، وقد يتم تحفيز مستوى القيادة

أما عندما يخرج المنطق السلبي مستوى عالياً، فإن منفذ القيادة يكون ذا معاوقة عالية، ويُزوَّد تيار القيادة من مصدر تغذية مقاومة السحب لأعلى، لذلك لا توجد مشكلة القيادة بالمنطق الإيجابي.

موثوقية عالية لدائرة القيادة المتكاملة IC وأشباه الموصلات القدرة

على الرغم من أن IPM يوفر مزايا عديدة لا تمتلكها المكونات التقليدية من خلال تغيير نوع التغليف، يجب الانتباه إلى أنه لا يغيّر وظيفة وخصائص جوهر أشباه الموصلات. لذلك، إذا كانت دائرة القيادة المتكاملة IC والبلورة شبه الموصلة القدرة المختارتان تعانيان من قيود تطبيقية وعيوب، فإن IPM

فهذه القيود والعيوب لا بد أن تكون موجودة. على سبيل المثال: إذا تم اختيار IPM من الشركة المصنعة A

فإن مفتاح القدرة فيه هو IGBT بتقنية غير نافذة NPT، بينما يكون IGBT المختار من الشركة المصنعة B بتقنية نافذة PT، وبالتالي ستكون خصائص وحدتي IPM مختلفتين. كما أن تقنية الأخدود trench الشائعة حديثاً هي أيضاً تقنية مشتقة من النوع النافذ. ورغم أنها تحسن كثيراً من عيب بطء سرعة التبديل في IGBT التقليدي من النوع النافذ، فإنها تتميز أيضاً بقدرة أضعف على تحمل تيار القصر وحساسية المعلمات لتغيرات الحرارة. وتُستخدم دائرة القيادة المتكاملة نفسها. لذلك، إذا أمكن الإحاطة تماماً بالنطاق المحدود لشبه الموصل المختار لـ IPM من حيث تغير الحرارة وdi/dt وdv/dt والجهد السالب اللحظي، ومن ثم اختيار IPM المناسب لمتطلبات تطبيق النظام، فإن التصميم يكون قد حقق أكثر من نصف النجاح.

وبحسب خبرة الكاتب الشخصية، فإن التحقق البيئي المختلط يمكنه بسهولة اكتشاف عيوب تصميم النظام لأنه يجمع إجهادات الحرارة والاهتزاز والجهد والتيار، لكنه يسبب متاعب كبيرة في تحليل أسباب الفشل. وإذا كان المصمم قد أدرك بوضوح منذ البداية تأثير خصائص المكوّنات المختلفة في النظام ضمن مخطط المكونات المنفصلة، فيُوصى بأن يقدّم المورّد خصائص المواصفات والتحقق من الموثوقية وخبرة التطبيق السوقي لأشباه الموصلات المختارة في IPM ضمن المكونات التقليدية ذات التغليف، ويُعتقد أن ذلك سيساعد كثيراً في التحقق من موثوقية IPM وأسباب الفشل في الحالة المنفصلة.

الخلاصة

على الرغم من أن IPM يوفر حلاً لمحرك محرك ثلاثي الطور أو نظام UPS بطوبولوجيا ثلاثية الأذرع لتبسيط تصميم النظام وزيادة كثافة القدرة، فإنه، بسبب مواصفات التغليف وطرائق التصنيع الفريدة لديه، لا يزال يبدو من الصعب منافسة المكونات المنفصلة ذات التغليف المعياري والإنتاج الكمي من حيث تكلفة القطعة الواحدة. ومع ذلك، وبموجب القاعدة الثابتة التي تفيد بأن تكلفة أي تقنية ناشئة لا بد أن تُحل مع الوقت، فإن اتجاه التغليف المتكامل للقدرة ليحل محل التغليف التقليدي لن يمكن تجاهله. وإلى جانب الشرح الواضح للفروق في الأداء والموثوقية والتكلفة الإجمالية الناتجة عن استخدام IPM في تصميم النظام؛ كما تم الجمع

تفكير مصممي الشركة المصنعة للوحدة ومصممي النظام يقدّم للقراء مستويات مختلفة من اتجاهات التفكير عند فهم IPM واختياره. وفي الوقت نفسه، يوضح المقال بعض الأفكار الملتبسة بشكل أكبر. ونأمل أن يزداد فهم القراء المهتمين باستخدام IPM أو الذين استخدموه بالفعل لهذا النوع من المكوّنات

المراجع:

1. Dai zhizhan، «مقدمة إلى تغليف وتطبيق وحدة القدرة الذكية»، شبكة التعليم الإلكتروني لتقنية المحركات، العدد 94، سبتمبر 2004

2. Dai zhizhan، «تصميم دائرة قيادة خاصة للدارة نصف الجسر/الجسر الكامل»، شبكة التعليم الإلكتروني لتقنية المحركات، العدد 184، يونيو 2006

3. «إلكترونيات القدرة: المحولات والتطبيقات والتصميم»، Mohan وUndeland وRobbins، Wiley، 1989

4. «أشباه موصلات القدرة لمغيرات التردد»، B. Jayant Baliga، 1994

5. T. Fukami وH. Senda وT. Onishi وT. Kushida وT. Shoji وM. Ishiko، «اقتراح لتقنية فرز حالات الفشل في منطقة التشغيل الآمن عند الانحياز العكسي باستخدام التبديل الحثي غير المثبّت»، وقائع IEEE، الصفحات 2053-2059، 2005؛ 6. مذكرة تطبيق Fairchild 9016، K. S. Oh، فبراير 2001

7. «وحدة قدرة للتحكم في الأجهزة المنزلية» مجلة تطبيقات IEEE، ص 26-34، يوليو 2002

8. تقنية تشيانكون، «ندوة تقنية حول وحدة إمداد طاقة ذكية لمحرك عالي القدرة»، مارس 2005

9. داي تشي تشان، «مضخّم قدرة تبديل جديد لنظام الرفع المغناطيسي عالي الكفاءة»، رسالة ماجستير، معهد الهندسة الكهربائية، جامعة تسينغهوا، يونيو 1995