CC BY
93Малогабаритный модуль IGBT
для 3-уровневого инвертора UPS
Марко ди ЛЕЛЛА (Marco Di LELLA) Рикардо РАМИН (Riccardo RAMIN)
Перевод: Андрей КОЛПАКОВ
Стоимость электрической энергии неуклонно повышается, спрос на нее также растет лавинообразно. Исследования показывают, что с 2001 года потребление электроэнергии возросло на 16,1% (источник: BP Statistical Review of World Energy, июнь 2007 г.). Ограниченные возможности энергетических станций и рост цен на нефть обусловили появление новых приоритетов на рынке силовой электроники. Основными направлениями новых разработок стали энергосбережение, а также поиск и совершенствование альтернативных источников энергии. Решение первой задачи неразрывно связано с повышением эффективности преобразования в устройствах силовой электроники.
Когда мы говорим об эффективности работы электронного устройства, то прежде всего имеем в виду эффективность преобразования электрической энергии. В области силовой электроники основной целью производителей элементной базы является создание и совершенствование модулей, обеспечивающих минимальные электрические и тепловые потери, выполняющих требования по EMC (электромагнитной совместимости), а также имеющих максимальный уровень интеграции при минимальных габаритах.
Выполнение указанных задач происходит в условиях жесткого ценового давления и необходимости обеспечения минимального времени разработки. Таким образом, главной проблемой современного рынка является создание все более мощных и эффективно работающих модулей при одновременном снижении их стоимости и размеров.
Малогабаритные изолированные силовые модули серии SEMITOP, производимые итальянским отделением компании SEMIKRON, обеспечивают хороший баланс указанных качеств. При разработке этих компонентов используются новейшие технологии и материалы, что позволяет успешно решать задачи повышения технической и эконо-
мической эффективности. Компоненты SEMITOP, крепление которых к радиатору осуществляется с помощью одного крепежного винта, имеют прижимную конструкцию и выпускаются без медной базовой платы. Подобная конструкция обеспечивает отличные тепловые характеристики и высокую стойкость к термоциклированию. Надежность модулей SEMITOP подтверждается в ходе квалификационных испытаний, включающих 17 видов тестов, продолжающихся в течение более 10 000 часов.
Элементы серии выпускаются практически во всех известных конфигурациях схем, что позволяет пользователю выбрать для себя элемент требуемого назначения. Изолированные модули SEMITOP предназначены для применения в диапазоне мощностей до единиц киловатт, при этом один такой элемент заменяет от 2 до 12 дискретных корпусов типа ТО и подобных.
Тип схемы модуля включен в его обозначение, возможные варианты приведены ниже.
• Тиристорные, диодные модули:
- KD — полумост;
- ND — два диода с общим анодом;
- KQ — однофазный АС-ключ;
- KT — полумост;
- UT — трехфазный АС-ключ;
- NT — два тиристора с общим анодом;
- KH, KL — полууправляемый полумост;
- В/D — однофазный/трехфазный диодный мост;
- BT/DT — однофазный/трехфазный тиристорный мост;
- BH/DH — однофазный/трехфазный полууправляемый мост;
• Модули MOSFET/IGBT (первая буква G — IGBT, M — MOSFET):
- GA — одиночный ключ;
- GB/GH/GD — полумост/мост/трехфазный мост;
- GAH — несимметричный полумост;
- GAL/GAR — чоппер нижнего/верхнего плеча;
- GM — два IGBT-транзистора с общим эмиттером;
• Модули CIB (Converter — Inverter — Brake):
- BGDL/DGDL — одно-/трехфазный выпрямитель, чоппер, трехфазный инвертор;
- BGB — однофазный выпрямитель, полумост;
- DGL — трехфазный выпрямитель, чоппер;
- DGAH — трехфазный выпрямитель, чоппер верхнего и нижнего плеча.
В 2008 году линейка SEMITOP пополнилась новой схемой MLI, предназначенной для применения в трехуровневых инверторах.
Рис. 1. Типовая схема двух- (2L) и трехуровневого (3L) инвертора
Наиболее часто подобная схема используется в источниках бесперебойного питания (ИРБ) мощностью 5-40 кВт, и ее популярность для данного применения неуклонно растет.
Принцип работы многоуровневой схемы довольно прост: ЮБТ-модули соединяются последовательно, за счет этого напряжение питания устройства может быть выше рабочего напряжения отдельных ключей. Данная концепция, впервые использованная в высоковольтных преобразователях высокой мощности, позволяет использовать стандартные низковольтные ЮБТ в устройствах с напряжением питания, достигающим десятков киловольт. Применение многоуровневых инверторов является наиболее простым путем повышения эффективности БС/АС-преоб-разования. Использование подобных схем позволяет формировать близкое к синусоидальному выходное напряжение с низким уровнем гармонических искажений. Отсюда следуют их два очевидных преимущества: частота переключений и уровень гармонических потерь получаются гораздо ниже, чем у традиционных двухуровневых преобразо-
вателей, следовательно, снижаются динамические потери и отпадает необходимость в использовании дорогостоящих и громоздких выходных фильтров.
Типовые схемы двух- (2Ь) и трехуровневых (3Ь) инверторов приведены на рис. 1. В первом случае выходное напряжение может принимать только два значения, равных по амплитуде напряжению питания. Топология 3Ь позволяет сформировать сигнал, каждая из полуволн которого состоит из трех уровней. Естественно, что каждый из ключей при этом должен управляться гальванически изолированным сигналом.
Проведем анализ, позволяющий определить, в чем состоит принципиальная разница между двумя описываемыми типами схем [1]. Полная трехфазная 3Ь-структура, показанная на рис. 2, содержит 12 ЮБТ-ключей. Сигнал в каждой фазе изменяет свое значение между уровнями (+Уас/2, 0, -Уас/2). Напряжение на ключах ограничено величиной, равной половине напряжения питания Удс/2, поскольку каждый ЮБТ подключен к средней точке (МР) через два быстрых диода, называемых фиксирующими или ограничительными.
Для управления 2L-инвертором используются известные ШИМ-алгоритмы [1], они же могут быть реализованы и для многоуровневых схем. В трехуровневых инверторах целесообразно применять алгоритмы формирования ШИМ с опорным напряжением треугольной формы, дающие выигрыш по уровню гармонических искажений. В общем случае количество опорных сигналов несущей частоты должно быть равно L-1, где L — количество уровней преобразователя. Таким образом, для управления одной фазой 3L-инвертора необходимо два треугольных высокочастотных и один синусоидальный сигнал основной частоты.
Существуют три альтернативные концепции ШИМ, отличающиеся различными фазовыми соотношениями между опорными напряжениями:
• APOD (Alternative Phase Opposition Disposition): соседние опорные треугольные сигналы отличаются по фазе на 180°;
• POD (Phase Opposition Disposition): опорные треугольные сигналы, расположенные в положительной и отрицательной области относительно нулевой точки, отличаются по фазе на 180°;
• PD (Phase Disposition): все опорные треугольные сигналы являются синфазными. Первые два варианта позволяют получить
минимальный уровень пульсаций тока нагрузки, однако на практике наиболее часто используется простейшая PD-концепция, обеспечивающая низкие искажения формы линейного выходного напряжения. Эпюры несущих треугольных и основного синусоидального сигналов, соответствующих данному случаю, а также токи IGBT и диодов показаны на рис. 3.
Схема многоуровневого инвертора на первый взгляд кажется намного сложнее, чем традиционного двухуровневого. Однако данная топология дает неоспоримые технические и экономические преимущества, что делает ее использование во многих случаях более предпочтительным. Для доказательства этого утверждения сравним эффективность работы двух стандартных модулей в одинаковых условиях эксплуатации [2]:
• мощность Р — 20 кВА;
• выходной ток Iout rms — 29 A;
• ток перегрузки Ipk — 40,8 A;
• выходное напряжение Vout rms — 400 В;
• частота ШИМ fsw — 20 кГц;
• tos ф — 0,85;
• глубина модуляции М — 1;
• температура радиатора Ts — 80 °C.
В таблице 1 приведены основные электрические характеристики двух модулей IGBT SEMITOP, ориентированных на применение в 2L и 3L схеме, а в таблице 2 — результаты расчетов потерь проводимости и переключения, произведенных в соответствии с формулами из таблицы 3 [3, 4].
Трехуровневый инвертор в рассматриваемом случае построен на IGBT с рабочим
Таблица 1. Основные характеристики модулей SK 30MLI 066 и SK 60 GB128
Тип модуля Рабочее напряжение Vce, В Ток коллектора Ic, A Напряжение насыщения VCEsat, B (Ic = 50 A) Энергия потерь E0n + Eoff, мДж (Ic = 50 A) Тепловое сопротивление Rth(j-s), С/Вт
SK 30MLI 066 600 31 1,65 4,2 (300 В, 150 °C) 1,8
SK 60 GB128 1200 44 1,9 12,5 (600 В, 125 °C) 0,6
Таблица 3. Формулы для расчета потерь проводимости и переключения для 21_ и 31_ инверторов [4]
3-уровневый инвертор (3L)
Потери проводимости IGBT (Q1/Q4) Pcon = U0xiavg+rfxi(m
iavg = (Mxi/4ж)^іп|ф|+(ж-|ф|)^ф]
i;m = (Mxi '!/4ж)[1+(4/3)^2ф+(1/3)^(2ф)]
Потери проводимости IGBT (Q2/Q3) Pcon = Uoxiavg+r,xi'!m
iavg = (І "ДИМ xi/4ж)^іп|ф|-|ф|^ф]
i‘ms = (i ,!/4)-(Mxi '!/4ж)[1-(4/3)^ф+(1/3^(2ф)]
Потери переключения IGBT (Q1/Q4) P, = (1/n)(£on+fo,r V,,
2-уровневый инвертор (2L)
Потери проводимости IGBT (Q1/Q2) Pon = (1/2)((Vc£o/n)x/'+(rc£/4)x/'!)+mxcosф((Vc£o/8)x/'+(rc£/3n)x/,!)
Потери переключения IGBT (Q1/Q2) P, = f„x£„(V2/i)(ii/i„r )(Vcc/Vrer)"
Суммарные потери в 1 стойке, Вт 350
300
250
200
150
100
50
0
10 15 20 25 fsw, кГц 30
Рис. 4. Зависимость рассеиваемой мощности от частоты для 21_ и 31_ схем
напряжением 600 В, в двухуровневом использованы ключи 12-го класса. В общем случае чипы ЮБТ с меньшим рабочим напряжением имеют более тонкую структуру и являются более быстродействующими, что обеспечивает меньший уровень потерь проводимости и переключения 3Ь-инвертора. Как показано в таблице 2, общий уровень рассеиваемой мощности одного плеча инвертора в схеме 3Ь на 60% ниже, чем в схеме 2Ь. При этом потерями переключения ЮБТ Q2 и Q3 можно пренебречь, незначительны также потери проводимости диодов Б1 и Б4, поскольку ток ЮБТ Q1 замыкается через диод Б5,
а ток ЮБТ Q4 — через Б6. В данном случае рассматривается процесс коммутации тока между Q2 и Q3. Следует отметить, что потери ограничительных диодов достаточно высоки, так как они работают под полной нагрузкой.
На рис. 4 показана зависимость мощности, рассеиваемой в одном плече инвертора, от частоты переключений для двухуровневого и трехуровневого преобразователей. С целью снижения уровня шумового загрязнения при работе ИРБ мощностью 20 кВА в качестве оценочной выбрана частота коммутации (20 кГц), находящаяся выше порога слыши-
Таблица 2. Расчетные значения потерь для 2L и 3L инверторов
Тип модуля Общие потери (IGBT на 1 плечо инвертора), Вт Общие потери (диоды D5/D6), Вт Общие потери на 1 плечо инвертора, Вт
SK 30MLI 066 118 28 146
SK 60 GB128 176,1 53 229
мости. Как показывают графики, суммарный уровень потерь 3L схемы существенно ниже, чем в варианте 2L. Кроме того, форма выходного напряжения трехуровневой схемы близка к синусоидальной, это позволяет резко снизить требования к выходному фильтру. Уменьшение индуктивности фильтра способствует дальнейшему снижению токовой нагрузки на IGBT и диоды, повышению общей эффективности и надежности преобразовательного устройства.
Трехуровневая схема является более предпочтительной и с экономической точки зрения, так как общая стоимость 600-вольтовых силовых ключей в 3L-инверторе примерно на 25% ниже, чем для традиционной схемы, компоненты которой должны иметь рабочее напряжение не ниже 1200 В.
Модули прижимного типа SEMITOP не имеют базовой несущей платы, соответственно отсутствует градиент температуры, создаваемый тепловым сопротивлением Rthcs «корпус - теплоотвод». В основании модуля находится керамическая DCB-плата из оксида алюминия Al2O3, на которой расположены силовые кристаллы IGBT. Прижимная технология предусматривает, что керамическое основание располагается непосредственно на радиаторе и тепловая связь с ним осуществляется только с помощью механического прижима. При этом за счет оптимального распределения прижимающего усилия и исключения базовой платы обеспечивается низкое тепловое сопротивление «кристалл - теплосток» и, соответственно, высокое значение плотности тока. Исключение базовой платы из конструкции модуля обеспечивает высокую стойкость силовых ключей к термоциклированию.
Для установки на радиатор модулей SEMITOP во всех исполнениях служит один кре-
Рис. 5. Типы корпусов модулей SEMITOP
пежный винт. Равномерное распределение прижимного усилия и хороший отвод тепла обеспечиваются конструкцией корпуса модуля. Типы корпусов SEMITOP и их габаритные размеры показаны на рис. 5.
Применение малогабаритных изолированных модулей серии SEMITOP вместо дискретных компонентов в корпусах ТО и IMS позволяет:
• упростить процесс монтажа готового изделия и снизить его стоимость;
• обеспечить меньшее на 18-30% значение теплового сопротивления;
• снизить габариты преобразовательного устройства.
Компоненты серии SEMITOP отличаются многообразием топологий схем, включающих различные типы выпрямителей, инверторов, чопперов. Разработка ново-
го элемента конфигурации МЫ, предназначенного для использования в трехуровневых преобразователях, позволяет существенно упростить и ускорить процесс разработки источников бесперебойного питания.
Основными преимуществами трехуровневой схемы по сравнению с традиционными решениями являются пониженный уровень потерь, соответственно меньшая нагрузка на силовые ключи, близкая к синусоидальной форма выходного сигнала, позволяющая использовать небольшие выходные фильтры. Меньшее значение рассеиваемой мощности в свою очередь означает пониженные требования к системе охлаждения и больший срок службы силовых ключей. Снижение размеров радиаторов и фильтров позволяет создавать компактные ИРБ, отличающиеся высо-
кими техническими и экономическими показателями. ■
Литература
1. Holmes D. G., Lipo T. A. Pulse Width Modulation for Power Converters. Principles and Practice // IEEE Press Series on Power Engineering. 1. Auflage. Oktober 2003.
2. SK60GB128 datasheet. http://www.semikron.com/internet/ ds.jsp?file=2469.html (referenced 13.02.2007).
3. Tomta G., Nielsen R. Analytical Equations for Three Level NPC Converters // 9th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2001. Graz, 27-29 August.
4. Semikron application manual. http://www.semikron.com/internet/ index.jsp?sekId=13 (referenced 14.9.2005).
