CC BY
41Томас ГРАССОФ (Thomas GRASSHOFF) Перевод: Андрей КОЛПАКОВ
Привод на все случаи жизни.
Масштабирование и стандартизация — путь к снижению стоимости и габаритов силовых преобразователей
Электрические приводы используются практически во всех областях нашей жизни: в промышленности, на транспорте, в бытовой технике. Приводы работают в металлообрабатывающих станках, насосах, лифтах, подъемных машинах и т. п. Постоянно растет потребность в специализированных инверторах, предназначенных для решения конкретных задач, однако обеспечение высокой экономической эффективности невозможно без применения стандартных решений. Одним из возможных путей создания недорогого устройства управления двигателем, способного решать широкий круг задач, является разработка унифицированных платформ. Масштабирование подобных платформ для работы в различных диапазонах мощности должно осуществляться с помощью минимального набора базовых блоков.
Введение
Современная преобразовательная система должна иметь конкурентную цену и малые габариты. Уже почти 60 лет компания SEMIKRON, один из ведущих мировых производителей компонентов силовой электроники, старается активно внедрять стратегию так называемых платформ, разрабатывать конструктивы модулей и сборок, максимально унифицированные для различных диапазонов мощности. Это дает возможность пользователям создавать готовые изделия
в короткие сроки при минимальных расходах на проектирование.
Сегодня в мире только 10% моторов управляются от частотно-регулируемых приводов (ЧРП), хотя общеизвестно, что их применение дает возможность сэкономить до 30% электроэнергии. Замена неуправляемых приводов на управляемые позволяет существенно повысить эффективность использования энергии и увеличить ресурс двигателей, кроме того, массовый переход на ЧРП способствует снижению выброса парниковых газов.
Для достижения максимальной эффективности работы силового преобразователя необходимо обеспечить наилучшее сочетание характеристик инвертора, устройства управления и системы охлаждения. Для этой цели следует использовать оптимальные алгоритмы контроля, резонансные или близкие к ним режимы работы силовой секции, повышать частоту коммутации. Увеличение рабочей частоты позволяет снизить требования к выходным фильтрам, стоимость и габариты которых вносят заметный вклад в общие показатели системы. Современные требования по динамическим характеристикам сетей и электромагнитной совместимости (EMC) могут быть обеспечены только при высоком качестве выходного сигнала. Для решения этой задачи применяются все более сложные схемы фильтрации и алгоритмы управления.
Концепция
конструктивных платформ
Наглядным примером подобных изделий являются семейства модулей IGBT, получившие в производственной программе SEMIKRON название MiniSKiiP и SEMiX. Компоненты серии MiniSKiiP, выпускаемые в 4 типах корпусов, покрывают диапазон мощности от 1 до 37 кВт (рис. 1). Каждый типоразмер имеет 3 токовых класса, таким образом, в рамках одного конструктива можно разработать несколько вариантов преобразователей. Токовые характеристики модулей MiniSKiiP 2 и соответствующие мощности инверторов приведены в таблице 1 [1].
Масштабируемость — не единственное требование для построения универсальной платформы, желательно также, чтобы каждый типоразмер силового ключа содержал несколько стандартных типов схем. Модули MiniSKiiP выпускаются в виде 3-фазных инверторов
Таблица 1. Номинальный ток и соответствующая мощность инвертора для 3-фазных (6-раск) модулей ЮВТ MiniSKiiP
Тип модуля MiniSKiiP 1 MiniSKiiP 2 MiniSKiiP 3
Номинальный ток, А 35 50 75
Мощность инвертора, кВт 7,5 11 15
150
100
75
70
50
35
25
15
8
4
Six Pack
CIB
55 кВА, 37 кВт
8 кВА, 4 кВт
Рис. 1. Типы корпусов и номинальные токи модулей серии MiniSKiiP для диапазона мощности 1—37 кВт Рис. 2. Унифицированная конструкция модулей IGBT SEMiX 2, 3 и 4
IGBT-модули
А
------V------
Выпрямители
Рис. 3. Типоразмеры компонентов семейства SEMiX — одинаковый форм-фактор для различных диапазонов мощности
(АС) и в приводной конфигурации С1В (выпрямитель + инвертор + тормозной чоппер).
Особенностью компонентов серии является использование пружинных контактов для подключения сигнальных и силовых цепей, в последнем случае они объединяются в группы с учетом токовой нагрузки. Сетка контактов позволяет для каждого типа модуля и диапазона мощности инвертора подобрать наиболее удобное их расположение с точки зрения разводки цепей интерфейсной платы.
Еще одним примером конструктивной унификации служит семейство SEMiX [2], все компоненты которого имеют одинаковый дизайн, высоту и способ подключения. Как показано на рис. 2, модули разных типоразмеров отличаются только длиной, при этом унифицирована и внутренняя структура компонентов. Все они построены с использованием одинаковой полумостовой DBC-платы с чипами ЮВТ и диодов: в модулях 2-го, 3-го и 4-го типоразмера соединены параллельно 2, 3 и 4 такие платы соответственно. Симметричные и короткие связи чипов обеспечивают хорошее выравнивание токов параллельных цепей в статике и динамике, а также низкий и согласованный уровень коммутационных перенапряжений. Такая концепция позволяет использовать минимальный набор комплектующих и упростить процесс производства.
Подобная конструкция позволяет создавать инверторы в диапазоне средней мощности 15-200 кВт, используя одинаковый дизайн звена постоянного тока. Еще одним достоинством концепции SEMiX является наличие унифицированного драйвера SKYPER 32, подключаемого через различные интерфейсные платы. На рис. 3 показан полный состав компонентов семейства SEMiX, содержащего также тиристорные и диодные модули. Возможность подключения идентичных по конструкции модулей выпрямителя и ин-
вертора к общей DC-шине — еще одна важная веха на пути решения проблемы стандартизации силовой системы.
Аналогичная идея использована в интеллектуальных силовых ключах серии SKiiP (рис. 4) — самых мощных 1РМ на рынке силовой электроники [3]. В отличие от предыду-
щего случая, здесь на общем радиаторе соединяются в параллель базовые полумостовые каскады, управляемые от одного драйвера. Схемы и предельные характеристики силовых секций для вариантов 3GB, 4GB и 6GB показаны в таблице 2. Так же как и SEMiX, ключи семейства SKiiP имеют одинаковые устройства
Таблица 2. Номенклатура и предельные характеристики SKiiP 4
Внешний вид Схема силового каскада 1200 В 1700 В
Біге 1/і
400 В перегрузка 110%, 60 с 110 кВт 200 А 120 кВт 385 А 375 кВт 655 А 400 кВт 760 А 560 кВт 1040 А 900 кВт 1500 А N
400 В 90 кВт 160 кВт 300 кВт 355 кВт 500 кВт 710 кВт \
150%, 60 с 160 А 305 А 525 А 600 А 850 А 1200 А
690 В 150 кВт 270 кВт 450 кВт 520 кВт 700 кВт 1100 кВт
перегрузка 110%, 60 с 150 А 270 А 450 А 520 А 700 А 1090 А
690 В 120 кВт 220 кВт 370 кВт 400 кВт 600 кВт 860 кВт
перегрузка 150%, 60 с 120 А 220 А 380 А 400 А 600 А 860 А
Рис. 4. Типоразмеры, номинальный ток и мощность силовых сборок SEMIKUBE при различных коэффициентах перегрузки
управления, сигнальный интерфейс и способ подключения. Унифицирована у них и система охлаждения: жидкостный (опция или воздушный (опция L) радиатор для разных типоразмеров модулей отличаются только длиной.
Для еще более мощных приводов дизайнерским центром SEMIKRON разработана унифицированная платформа SEMIKUBE, построенная на базе стандартных модулей ЮВТ в конструктиве 62 мм [4]. Отличие концепции SEMIKUBE состоит в том, что диапазон мощностей от 100 кВт до 1 МВт перекрывается с помощью параллельного соединения базовых сборок, каждая из которых представляет собой функционально законченное изделие, включающее силовую секцию, звено постоянного тока, плату управления и датчики. Способы соединения блоков платформы SEMIKUBE и предельные характеристики при различных коэффициентах перегрузки показаны на рис. 4.
Тепловое моделирование
Важную роль для обеспечения надежной работы привода играет мониторинг состояния силовых ключей. Поскольку перегрев кристаллов является основным критерием правильности выбора режимов работы, необходимо производить постоянный контроль температуры модулей. Все упомянутые в статье компоненты имеют встроенный датчик температуры, в качестве которого используется РТС-терморезистор. В интеллектуальных модулях SKiiP сопротивление сенсора преобразуется в аналоговый сигнал 0-10 В.
При анализе режимов работы силовой секции необходимо учитывать побочные явления, такие как перекрестная тепловая связь, краевые эффекты, неравномерность распре-дения тепла. Моделирование тепловых процессов на этапе проектирования позволяет оптимизировать конструкцию компонента
и свести к минимуму риск возникновения локальных перегревов.
Развитие технологии тонкопленочных кристаллов ЮВТ идет по пути снижения потерь проводимости и переключения и увеличения скорости коммутации. Непрерывное уменьшение толщины кремния, наблюдаемое в течение последних лет, уже привело к тому, что активная площадь кристаллов сократилась более чем на 60% при сохранении токовых характеристик. Сегодня очевидно, что возможности тонкопленочных технологий близки к пределу, обусловленному недостаточной эффективностью существующих систем охлаждения и требованиями области безопасной работы в режиме короткого замыкания. Из-за невозможности рассеяния в тонком кристалле колоссальной энергии, выделяемой при КЗ, нормированное время перегрузки для 70-мкм чипов ЮВТ (= 600 В) сокращено с 10 до 6 мкс.
Уменьшение активной площади кристаллов привело к росту удельных характеристик, плотность мощности для современных ЮВТ достигает 8-10 Вт/см2. Дальнейшее увеличение мощностных характеристик невозможно без внедрения новых, более эффективных
систем отвода тепла, что, однако, может существенно повлиять на экономические показатели изделия.
Снижение удельной стоимости силового электронного модуля может быть достигнуто за счет повышения рабочей температуры кристаллов и улучшения условий их охлаждения. Развитие полупроводниковых технологий идет по обоим направлениям, например, рабочая температура чипов ЮВТ и диодов новых поколений повышена со 150 до 175 °С. Физические пределы в этом случае, как и во многих других, определяются требованиями ОБР в режиме КЗ (SCSOA), поскольку с ростом температуры ток выключения растет экспоненциально.
Оптимизация технологии корпусирования
Повышение максимальной температуры кристаллов ЮВТ на 25 °С эквивалентно увеличению выходного тока на 10-15% в зависимости от частоты коммутации. С другой стороны, дополнительный перегрев ускоряет процесс старения материалов, что неизбежно приводит к сокращению срока службы силового модуля. Эта проблема может быть решена с помощью внедрения новых теплостойких материалов и технологий корпусирования.
Более всего от перегрева страдают паяные слои (базовая плата и керамическая подложка, кристаллы и подложка) и сварные соединения выводов чипов. Постоянные термомеханические стрессы из-за разницы КТР приводят к повреждению жестких связей, разрушение начинается с появления микротрещин на краях, после чего они распространяются к центру соединения. Вследствие этого происходит фатальное увеличение теплового сопротивления, лавинообразно растут зоны локального перегрева, отрываются выводы проводниковых чипов.
Одним из путей решения проблемы, предложенным компанией SEMIKRON в начале 1990-х годов, стала технология прижимного контакта, при которой базовая плата исключается из конструкции модуля, а все электрические и тепловые связи осуществляются
140 150 160
Температура кристаллов ЮВТ, “С
Рис. 5. Зависимость выходного тока инвертора от максимальной температуры кристалла и температуры радиатора Ткк (большая мощность инвертора достигается при увеличении температуры теплостока и чипов ЮВТ)
только за счет прижима. Одним из элементов прижимного силового ключа является так называемая «мостовая» пластина, создающая давление на керамическую плату в местах локального тепловыделения, что обеспечивает эффективный и равномерный отвод тепла на радиатор. Благодаря отсутствию «биметаллического эффекта» у компонентов прижимного типа, номинальная толщина слоя теплопроводящей пасты для них может быть снижена до 20-30 мкм. Для модулей традиционной конструкции это значение примерно в 3 раза выше, что необходимо для компенсации указанного эффекта и возможной технологической неравномерности базы. Напомним, что вклад теплопроводящего материала в общее значение теплового сопротивления Rth составляет около 70%, поэтому уменьшение толщины слоя пасты позволяет существенно снизить перегрев кристаллов.
Исключение базовой платы и уменьшение толщины слоя пасты позволяет снизить величину Rth более чем на 25% по сравнению со стандартными модулями. В дополнение к этому внедрение технологии низкотемпературного спекания [5], впервые в мире использованной SEMIKRON для установки чипов, дало возможность устранить послед-
ний паяный слой. Температура плавления спеченного серебра в 6 раз выше, чем у любого из используемых в промышленности припоев, новое соединение обладает более высокой гибкостью и теплопроводностью. Применение процесса спекания позволило в 5 раз повысить стойкость к термоциклиро-ванию и расширить диапазон рабочих температур.
На сегодня у силовых ключей прижимного типа со спеченными кристаллами осталось только одно «слабое место» — подключение алюминиевых выводов чипов к керамической подложке, традиционно выполняемое методом ультразвуковой сварки. Над решением этой проблемы работают все крупнейшие производители силовых компонентов.
Заключение
Описанная в статье концепция базовых платформ дает возможность создавать преобразователи широкого диапазона применения, используя компоненты с идентичным конструктивом и одинаковым способом подключения. Например, потребности рынка общепромышленных и сервоприводов могут быть обеспечены с помощью двух типов си-
ловых ключей: MiniSKiiP (1-37 кВт) и SEMiX (15-200 кВт).
Оба семейства компонентов разработаны на основе концепции стандартных платформ, распространяющейся на габаритные размеры, расположение силовых и сигнальных выводов, а также способ соединения с платой управления.
Разработка и внедрение новых технологий, таких как низкотемпературное спекание, а также использование чипов новых поколений позволяет повышать плотность тока, расширять температурный диапазон, увеличивать надежность и ресурс силовых ключей. ■
Литература
1. Колпаков А. Миниатюрные модули привода MiniSKiiP II // Силовая электроника. 2005. № 4.
2. Колпаков А. О семействе SEMiX и не только // Электронные компоненты. 2007. № 6.
3. Колпаков А. SKiiP 4 — новая серия №М высокой мощности // Силовая электроника. 2009. № 4.
4. Колпаков А. Инверторная платформа SEMIKUBE // Компоненты и технологии. 2005. № 6.
5. Гобл К. Технология низкотемпературного спекания в силовых модулях // Компоненты и технологии. 2009. № 7.
