CC BY
15
УДК 621.314.63
Остренко В. С.
Канд. техн. наук, Запо^зька державна нженерна академiя, Украна, E-mail: [email protected]
ОЦ1НКА ЧАСУ ЕКСПЛУАТАЦП IGBT4 МОДУЛ1В В РЕЖИМ1 ЦИКЛ1ЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ
Запропонована методика виконання розрахунюв визначення режимiв роботи IGBT модулiв дворiвневого твертора напруги. Запропоноват формули розрахунюв для визначення максимальноi та мтмалъноЧ темпера-тури IGBT чМв при ци^чному навантажент. На основi експерименталъних до^дженъ фiрми SEMIKRON розроблена формула визначення кiлъкостi ци^в до вiдмови IGBT4 модулiв в залежностi вiд перепаду темпера-тури та середнъоХ температури в циклi.
Ключов1 слова: IGBT модулъ, час експлуатаци та температура IGBT, ци^чне навантаження, ктъюстъ циклiв.
T = (T + T
j m V j max j г
ВСТУП
Характерним для циктчного навантаження силових нашвпровщникових приладiв е те, що при цьому температура внутршшх деталей приладу коливаеться в певних межах. У зв'язку з тим, що щ внутршт деталi зробленi з рiзних матерiалiв, вони мають, вщповщно, рiзнi значення коефщенпв температурного розширення. Тому при змш температури контактнi обласп з'еднання цих рiзнорiд-них деталей знаходяться пiд впливом термомеханiчних напружень, як1 пiсля певно! кiлькостi циктв приводять до деградаци електричних та теплових параметрiв модуля з послщуючим його пошкодженням.
Фiрма SEMIKRON провела дослвдження по визначен-ню кшьюсп циклiв до вщмови Nf IGBT модулш, якi зроб-ленi за технолоriею Trench 4. Результати цих дослвджень наведенi на рис 1 [1].
Lifetime 1GBT4 modules
Power cycling lifetime as a function of ATj and Tjm
1Е+Э
При проведет дослвджень виявлено, що цик-лостшюсть модулiв залежить не тшьки ввд значення перепаду температури IGBT чша ATj, а i вiд значення серед-ньо! температури IGBT чша протягом циклуTj m, яш виз-начаються за формулами:
дт = T — T ■
j j max j min >
(1) (2)
- максимальне та мшшальне значення
j min ) ^ 2
TT ' '
де j max' j min
температури IGBT чша тдчас циктчного навантаження, вщповвдно.
Використання результапв експериментальних досль джень фiрми SEMIKRON для оцшки часу експлуатацп модшв IGBT4 потребуе знания алгоритму визначення
month
1Е+4
10 100 ATj [К] 1000
Рисунок 1 - Юлькост циктв до вщмови IGBT4 модутв в залежност вщ перепаду температури ATj та середньо!
© Остренко В. С., 2015
температури T в цикл ISSN 1607—6761. Електротехтка та електроенергетика. 2015. № 1
значень
AT та T
-j ач -jm , як1 мають складну залежшсть в1д
багатьох параметр1в модшв та режим1в !х експлуатаци. Отримання формул, що зв'язують час експлуатаци IGBT модшв з 1х параметрами та параметрами системи охо-лодження е метою uiei стат.
ФОРМУЛИ, ЩО ВИЗНАЧАЮТЬ РЕЖИМ РОБОТИ IGBT МОДУЛЯ
Значення Tj max визначаеться за формулою, що аналогична формулi для тиристорiв, яка наведена у [2]:
t t
T max = Pt • [f ■ Rh ÖS)T + (1 - f) • Gs)T (tp + tc) -
c c
Z th (js)T(tc) + Z th (js)T (tp)] +
t t + k • ( Pt + PD) •[-*■ • Rth sa + (1 -f) • Z th sa(tp + tc) -
tc
tc
Zth sa (tc ) + Zth sa (tp )] + Tamb ,
(3)
де PT - втрати потужностi у IGBT чiпi; tp та tc - три-валiсть часу навантаження в циклi та тривалють циклу, вiдповiдно; Rh (js)T - тепловий опiр IGBT чш-конгактна поверхня охолоджувача; Zth + tc), Zth ^уг(0,
Z th (js)T (tp) - значення перехiдного теплового опору
IGBT чш-конгактна поверхня охолоджувача для моменпв часу (tp + tc) , (tc) , (tp), вщповвдно, як1 визначаються за формулою:
z th (js)T (t) = Z R • (i -^'Ti)
(4)
i=1
де t - момент часу, для якого визначаеться перехщний тепловий отр; R, %i - параметри перех1дного теплового опору, що наведет у довiдникових даних IGBT; k -к1льк1сть силових клкшв в модулi, PD - втрати потуж-ностi в чш дiоду зворотного струму; Rjh sa - тепловий
опiP охолоджувача; Zth sa (tp + ^X Zth sa(tc), Zth sa (tp)
- значения перехщного теплового опору охолоджувача для моменпв часу (tp + tc), (tc), (tp), вiдповiдно, як1 визначаються за формулою (4) з використанням параметрiв переходного теплового опору охолоджувача, що визначаються за алгоритмом та програмою наведеними у [3], [4]; Tamb - температура охолоджуючого середовища.
Примака Значення Tj max не повинне перевищувати значення максимально допустимо1 температури в три-валому режимi роботи для чшв IGBT, що створенi за технолопею Trench 4, яке дорiвиюе Tj (op) =150°C.
Значення Tj min визначаеться за формулою, що аналогична формулi для тирист^в, яка наведена у [5]: tp tp
Tj mm = PT • ' Rh (js)T + (1 - ' Z th (js)T(tc) -
- Z th (js)T (tc - tp)] + tp
(5)
+ k • (Pt + Pd) • [-*- • Rth sa + (1 • Zth sa(tc) -
Zth sa (tc tp )] + Tamb ,
де Zth (js)T (tc - lp
(tc - tp) -
значення перехвдного теплового
опору IGBT чш-контактна поверхня охолоджувача для моменту часу (tc - tp); Zth sa(tc - tp) - значення пе-рехiдного теплового опору охолоджувача для моменту часу (tc - tp).
Втрати потужиостi в IGBT чш визначаеться за формулою:
Pt = Pcond T + Psw, (6)
де Pcond T - втрати потужносп в IGBT у проводному стаиi; Psw - втрати потужносп в IGBT при комутацп струму
Втрати потужиостi в IGBT у провщному станi при роботи у складi дворiвневого iнвертора напруги, з ура-хуванням синусоидально! залежносп робочого циклу у часi в режимi Ш1М, визначаються за формулою [6]:
TJ г
Pcond т = 0,5 • (^ • I m + rf • 12) + m • cos ф. п 4
(Up1 • Im + I2), (7)
8 3 • п
де UCE0, rCE - порогова напруга та динамiчний отр транзистора, вщповщно, при максимально допустимому значенш робочо! температури чипа Tj (op); I m- ампл-iтудне значення струму на виходi iнвертора;
I =42• I t, (8)
m v out' v '
де Iout - дмче значення струму навантаження шверто-ра; m - коефiцiент модуляцл; cos ф - коефiцiеит потужносп навантаження швертора (електродвигуна).
Втрати потужносп в дiодi зворотного струму у про-вiдному станi визначаються за формулою [6]:
U г
Pcond D = 0,5 • (^ • Im + 4 • Im) - m • cos ф-п 4
• Zm + З^Х (9)
де TTF0, rF- порогова напруга та динамiчний опiр дiоду зворотного струму, вiдповiдно, при максимально допу-
c
c
стимому значеннi робочо! температурi нашвпровщни-ковiй структури Т- (ор).
Сумарш втрати потужностi в транзисторi та дiодi у провiдному станi визначаються за формулою;
^сопё = (Pcond Т + РсоМ б). (10)
Для ЮБТ модуля без металево! основи втрати потуж-носп при максимальному значеннi частоти комутацп тах визначаються за формулою [7]:
Psw
_ Tj (op)Tamb - Pcond T ' Rth (js)T - k ' Pcond ' Rth sa maX Rth (js)T + k '[1 + (Err m / Esw m )]' Rth sa
(11)
де Err m - втрати енергп при вiдновлюваннi замикаючо!
спроможностi дiоду зворотного струму та Esw m - втрати енергп при комутацп транзистора, яю визначаються за формулами [6]:
Err m _ 4 + -• Im + 4 • I2) Udc/ Unom, (12) 2 П 4
Q
Esw m _ G + -•Im •Im)^ Udc/ Unom , (13)
а Ь
"2+П т 4
де а, Ь, с, й, е,/- коефiцieнти полiномiв , що апроксиму-ють залежнiсть втрат енергп при комутацп транзистора та при вщновленш замикаючо! спроможносп дiоду вiд значення струму, як1 визначаються за методом, який зас-тосовано в робоп [8]; ипот - значення напруги, при яко!
визначаються динамiчнi параметри модуля; Udc - напру-га ланки постшного струму iнвертора, яка визначаеться за формулою:
и _ и
и dc I— и o
(14)
т■ -\/з
де - значення напруги на виход1 швертора.
Максимальне значення частоти комутацп ЮБТ виз-начаеться за формулою:
/s
_ P / E
sw max sw ma^ sw m'
(15)
Втрати потужносп в дiодi зворотного струму при вщновленш замикаючо! спроможностi Prr визначають-ся за формулою:
Prr _ /sw Err m. (16)
Заrальнi втрати потужностi в дiодi зворотного струму при тривалому режимi роботи визначаються за формулою:
P _ р + р
D 1 cond D ^ 1 rr •
(17)
Таким чином визначаються уа параметри, що харак-теризують режим циктчного навантаження ЮБТ модуля i за допомогою д1аграм, що зображеш на рис. 1, мож-на оц1нити час експлуатацп в певному режимi цикл1чно-го навантаження.
ВИКОНАННЯ РОЗРАХУНК1В
В процесi проектування шверторш, в яких застосову-ються ЮБТ модш, користування графiчними залежно-стями е не зручним. Тому три верхшх дiаграми рис. 1 були апроксимоваш наступною формулою:
N = ехр((1п А0 -кТт)-Б1п АТ-) =
= ехр ((39,82 - 0,055 ■ Т- т) - 5,055 ■ 1п АТ-), (18)
де N - шльюсть циклiв навантаження ЮБТ4 модуля до вщмови.
Час експлуатацi! ЮБТ4 модул1в в режимi цикл1чного навантаження I № визначаеться за формулою:
(19)
tw1 _ tc -Nf /3600 (годин),
або при рiчному ресурсi роботи 7000 годин (без урахуван-ня часу простою, профшактики та ремонту) за формулою:
= ¿с^/252405 (рок1в) (20)
В таблиц 1 наведенi результати розрахуншв, як1 свдаать про адекватнiсть формули (18) до дiаграм рис. 1 та деяю переваги при застосувант цiе! формули при про-ектуванш iнверторiв. Точнiсть розрахунк1в кiлькостi цимв до вiдмови д визначалась за формулою:
5 _ (Nf cal Nf d) 400%, Nf
(21)
"f d
де ^са1 - шльшсть циклiв за формулою (18); Nfd -юльюсть цикл1в за даграмами рис. 1.
Оцiнка часу експлуатацп модшв визначалася при умовi тривалостi циклу 30 с.
Аналiз результатiв розрахункiв, що наведенi в таблищ 1, св1дчить:
1. Формула (18) визначення шлькосп цикл1в до в1дмо-ви з точнiстю до 4% адекватно вщповщае д1аграмам, що стосуються модул1в ЮБТ4.
2.Використовування формули (18) дозволяе визначати
значення N при будь -яких значеннях Тт в межах диапазону температури ввд (Г^ь + АТ- / 2) до (Т- ^ - А7- / 2).
3. Розроблений метод виконання розрахунк1в може бути застосовано для визначення режимiв роботи ЮБТ модшв та для оц1нки часу !х експлуатацi! в складi iндус-трiальних приводiв змiнного струму, приводiв електро-мобiлiв та вiтроенергетичних установок.
4. Перепад температури ЮВТ чша АТ- б1лын 50 °С
значно скорочуе термiн експлуатацi! модулiв до недопустимого рiвня (менше 2 роюв при тривалосп циклу 30 с.).
5. Середня температура ЮБТ чша протягом циклу Т та максимальне значення температури ЮБТ чша Т- тах суттево впливають на термш експлуатацi! модул1в.
6. Застосування ЮБТ4 модулв в юмплекп з рданними охо-лоджувачами, при яких мшмальна температура в циклi Т- т1п не перевишуе 50е'С значно пщвишуе термш к експлуагащ.
36
ISSN 1607—6761. Електротехтка та електроенергетика. 2015. № 1
Таблиця 1 - Результати розрахунюв
jm? °с Tj , j max 5 Tj . , j mm 5 Nf cal , циклш Nf d, циклш 5, % t 2, w2 ' рок1в
77,5 30 92,5 62,5 101 186 022 1E+8 1,2 119
77,5 50 102,5 52,5 77 288 8E+6 - 3,4 9,5
77,5 60 107,5 47,5 3 086 274 3E+6 2,9 3,5
77,5 80 117,5 37,5 725 049 7E+5 3,6 0,8
77,5 90 122,5 32,5 400 696 4E+5 0,2 0,47
90 20 100 80 391 888 533 4E+8 - 2 476
90 30 105 75 50 879 527 5E+7 1,8 59
90 70 125 55 714 134 7E+5 2 0,8
90 90 135 45 201 482 2E+5 0,8 0,24
102,5 20 112,5 92,5 197 033 929 2E+8 - 1,5 238
102,5 40 122,5 82,5 6 010 340 6E+6 0,2 7
102,5 50 127,5 77,5 1 954 146 2E+6 - 2,3 2,3
102,5 90 147,5 57,5 101 312 1E+5 1,3 0,12
105 30 120 90 22 297 189 26,5
100 40 120 80 6 896275 8,1
95 50 120 70 2 951 913 3,5
90 60 120 60 1 551 876 1,8
115 30 130 100 12 864 359 15,3
110 40 130 90 3 978 804 4,7
105 50 130 80 1 703 106 2
130 20 140 120 43 422 487 51
125 30 140 110 7 422 089 8,8
120 40 140 100 2 295 570 2,7
115 50 140 90 982 606 1,1
135 30 150 120 4 282 173 4,7
130 40 150 110 1 324 428 1,5
50 30 65 35 459 188 419 546
50 40 70 30 107 875 889 127
60 40 80 40 62 238 973 73
60 50 85 35 20 235 806 24
60 60 90 30 8 080 587 9,6
70 40 90 50 35 968 764 42
70 50 95 45 11 675 044 13
70 60 100 40 4 662 093 5,5
ВИСНОВКИ
1. Розроблена методика виконання розрахунюв для визначення циктчних режим1в роботи IGBT модшв у склад1 двор1вневих 1нвертор1в напруги, що дозволило оцшити !х час експлуатацп при будь яких температурах та при застосуванш будь якого охолоджувача.
2. Розроблеш формули для визначення максимально! та мшмально! температури IGBT чЫв при циклчно-му навантажеш струмом.
3. На основ1 результапв експериментальних дослщ-жень спещалюпв ф1рми SEMIKRON, розроблена формула визначення шлькосп циктв до вщмови IGBT4 мо-дул1в в залежносп ввд перепаду температури та серед-ньо! температури в циклг
екрану.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Application Manual Power Semiconductors [Електрон-ний ресурс] = Шдручник до застосування силових
натвпровщникових прилада / Arendt Wintrich, Ulrich
Nicolai, Werner Tursky, Tobias Reimann/SEMIKRON
International GmbH [2011] - Режим доступу:
http: //www. semikron.com/download/assets/pdf/
application_handbook/
application_manual_complete.pdf втний, - Загол. з
екрану.
2. Джентри Ф., Гутцвиллер Ф., Голоньяк Р., Э. фон За-стров. Управляемые полупроводниковые вентили. Из-во «Мир», М. : -1967.- 456 с.
3. Остренко В. С. Алгоритм визначення парамет^в ек-спонент, що апроксимують перехiдний тепловий опiр охолоджувача. Науковий журнал «Радiоелектронiка 1нформатика Управлiння», 1(24)'2011, C. 23-29.
4. Остренко В. С., Егунова Е. С. Определение параметров экспонент аппроксимирующих кривую переходного теплового сопротивления. «Техшчна електро-динамта», тематичний випуск «Силова електротка та енергоефективнiсть», - 2012. Ч. 2, - С. 147-150.
5. Остренко В. С. Василенко О. В. Определение температуры полупроводниковой структуры тиристора при циклической нагрузке. Науковий журнал «Елект-ротехшка та електроенергетика», №»1.- 2012., С. 13-16.
6. Applying IGBT Application Note 5SYA 2053-04 [Елек-тронний ресурс] = Застосування IGBT / Bjorn Backlund, Raffael Schnell, Ulrich Schlapbach, Roland Fischer, Evgeny Tsyplakov / ABB Semiconductors -Електрош данш (1 файл). - Switzerland [ 2012] - Режим доступу: http://www09.abb.com/global /scot/scot256.nsf/veritydisplay/
ab119704d4797bc283257cd3002ac5e0/$file/ Applying%20IGBTs_5SYA%202053-04.pdf вiльний, -Загол. з екрану.
7. Остренко В. С. Определение максимально допустимого значения частоты коммутации модуля IGBT. Науковий журнал «Електротехшка та електроенер-гетика», №№2, -2012, С. 28-33.
8. Остренко В. С., Критська Т. В. Визначення температури IGBT модуля при пуску асинхронного двигуна. Науковий журнал «Електротехшка та електроенер-гетика», №№2, - 2013, С. 47-53.
Стаття надiйшла до редакцп 18.05.2015
Остренко В С Пiсля доробки 25.05.2015
Канд. техн. наук, доцент, Запорожская государственная инженерная академия, Украина
ОЦЕНКА ВРЕМЕНИ ЭКСПЛУАТАЦИИ IGBT4 МОДУЛЕЙ В РЕЖИМЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
Предложена методика выполнения расчётов для определения режимов работы IGBT модулей двухуровневого инвертора напряжения. Предложены формулы расчетов для определения максимальной и минимальной температуры IGBT чипов при циклической нагрузке. На основе экспериментальных исследований фирмы SEMIKRONразработана формула определения количества циклов до отказа IGBT4 модулей в зависимости от перепада температуры и средней температуры IGBT чипов в цикле.
Ключевые слова: IGBT модуль, SKiiP4, циклическая нагрузка, количество циклов
Ostrenko V. S.
Ph.D., Associate Professor, Zaporizhia State Engineering Academy, Ukraine
TIME EVALUATION OF THE EXPLOITATION OF IGBT4 MODULES UNDER CYCLIC LOAD MODE
The method of calculation to determine the mode of IGBT module operation for the two-level voltage inverter is proposed. IGBT module does not have a metal base plate in the calculation assumed. The intensity of the cooling module takes into account the thermal impedance of the heat sink.
The maximum permissible switching frequency of IGBT at limited ambient temperature, thermal resistance of the heat sink, load current of the inverter and the maximum permissible IGBT chip temperature are given.
Calculation formulae for determination of the maximum and minimum IGBT chips temperatures under cyclic loading are proposed for use.
On the basis of experimental research done by SEMIKRON firm the formulae for determination of the number of cycles to failure IGBT4 modules, which are dependent on the temperature differences and the mean temperature of the IGBT chip in cycle, are proposed.
Keywords: IGBT module, SKiiP4, cyclic loading, power cycling, number of cycles
REFERENCES
1. Application Manual Power Semiconductors [Electronic resource] Manual/ Arendt Wintrich, Ulrich Nicolai, Werner Tursky, Tobias Reimann/SEMIKRON International GmbH [2011] - access mode:
http : //www. semikron.com/download/assets/pdf/ application_handbook/ application_manual_complete.pdf (free). - Title Screen.
2. Gentry F. E., Gutzwiller F. W., Holonyak N., jr, E. E. von Zastrow Semiconductor Controlled Rectifiers /Prentice-Holl, Inc. N. J. 1964.
3. Ostrenko V. S. Algoritm vyznachennia parametriv eksponent, shcho aproksymuiut perekhidnyi teplovyi opyr okholodzhuvacha. Radioelektronika, Informatyka, Upravlinnia, 1(24)'2011,pp. 23-29.
4. Ostrenko V. S., Egunova E. S. Opredelenie parametrov eksponent approksimiruyushchikh krivuyu perekhodnogo teplovogo soprotivleniya. «Tekhnichna elektrodynamika», tematychny vypusk «Sylovaia elektronika ta energoefektyvnist», 2012 r. CHastyna 2, pp. 147-150.
5. Ostrenko V S., Vasilenko O. V Opredelenie temperatury poluprovodnikovoy struktury tiristora pri tsiklicheskoy nagruzke. Elektrotekhnska ta elektroenergetika, 1'2012 pp. 13-16.
6. Applying IGBT Application Note 5SYA 2053-04 [Electronic resource] / Bjorn Backlund, Raffael Schnell, Ulrich Schlapbach, Roland Fischer, Evgeny Tsyplakov / ABB Semiconductors - Elektronni danni (1 file). -Switzerland [ 2012] - access mode:
http: //www0 9. abb. com/global/scot/scot2 56.nsf/ veritydisplay/ab119704d4797bc283257cd3002ac5e0/ $file/Applying%20IGBTs_5SYA%202053-04.pdf (free), - Title Screen.
7. Ostrenko V. S. Opredelenie maksimalno dopusmogo znacheniya chastity kommutatsii modulia IGBT.
Elektrotekhnska ta elektroenergetika, 2'2012 pp. 28-33.
8. Ostrenko V. S., Kritska T. V Vyznachenya temperatury IGBT modulia pry pusku asynkhronogo dvyguna.
Elektrotekhnska ta elektroenergetika, 2'2013 pp. 47-53.
38
ISSN 1607—6761. Електротехшка та електроенергетика. 2015. N° 1
