Силовая электроника №3'2005

Силовые конденсаторы EPCOS для IGBT инверторов мощных преобразователей напряжения

Сергей Шишкин


Любой силовой конденсатор — элемент электрической цепи, предназначенный для использования его емкости, обладает набором потребительских свойств, определяемых совокупностью параметров эквивалентной схемы. Хотя история существования данного устройства и насчитывает более двух с половиной столетий, изготовить универсальный вариант силового конденсатора пока не удалось. Однако в силовом конденсаторостроении это не препятствует созданию все новых конструкций и специальных приложений, а также усовершенствованию исходных материалов. Сегодня на мировом рынке разработки и внедрения технологий пассивных электронных компонентов накопления электроэнергии компания EPCOS AG занимает лидирующие позиции.


Силовые конденсаторы оборудования систем электроснабжения, спроектированных на базе автономных инверторов напряжения и использующих в качестве элементов коммутации биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT инверторы), классифицируются по технологическим группам, согласно области возможного применения, режиму работы и особенностям конструкции. Проблема обеспечения надежности подобных энергосистем, обусловленная тенденцией роста их единичной мощности, включает требования, предъявляемые к топологии соединений блока накопительных силовых конденсаторов и конфигурации снабберного (демпфирующего) звена IGBT инвертора. Так, комплектная сборка 3-фазного преобразователя асинхронного генератора ветроэнергетической установки мощностью более 1 МВт содержит инвертор на интеллектуальных силовых модулях SkiiP (Semikron integrated intelligent Power) 240GB172 с силовыми транзисторами Trench IGBT (2400 B/ 1700 A) и монтируемый непосредственно на DC-шину встроенный блок SKCB электролитических конденсаторов (ЭК), снабженный балластными (выравнивающими) резисторами и снабберами [1]. Суммарная емкость последовательно-параллельного соединения ЭК, в зависимости от I~r — допустимого тока пульсации (табл. 1), составляет 1500-6300 мкФ, а число силовых конденсаторов варьируется от 48 до 72 [1]. Оптимизировать схемное решение блока, сократив при этом количество выравнивающих резисторов, можно за счет установки силовых конденсаторов больших номинальных емкостей и напряжений.

 Известно, что в сильноточных цепях силовой части IGBT инвертора собственная индуктивность (ESL — Capacitor self-inductance) — Lc (рис. 1), и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR — Equivalent series resistance) силового конденсатора должны быть как можно ниже, а значение I~r, с учетом коэффициентов температурной и частотной коррекции, — как можно выше.

Рис. 1. Блок-схема контура тока коммутации полумоста IGBT-модулей
Рис. 1. Блок-схема контура тока коммутации полумоста IGBT силовых модулей

 Несколько серий технологического ряда алюминиевых электролитических конденсаторов EPCOS AG [2] с пониженным значением ESL (табл. 1) разработаны преимущественно для сглаживания пульсаций промежуточного напряжения постоянного тока мощных преобразователей напряжения [3]. Модернизировав конфигурацию выводов активной части — специальный изгиб, одновременно уменьшающий расстояние «обкладка — корпус», длину винтовых зажимов и промежуток между ними [3], удалось в 1,3-1,5 раза (табл. 1) сократить величину L c и импеданс силового конденсатора — Z, равный [2, 3]:

(1)

где tgS — тангенс угла потерь, Cн — номинальная емкость, со — угловая частота цепи включения силового конденсатора.

Тепловая модель ЭК повышенной мощности (табл. 1) предусматривает преимущественную (80-85% от общего теплового баланса) продольную теплопередачу между основанием корпуса силового конденсатора и поверхностью монтажа (принудительно охлаждаемым радиатором). В результате уменьшения теплового сопротивления (К/Вт) данного соединения [2], можно повысить токовую нагрузку на ЭК и коэффициент заполнения объема блока SKCB.

При переключении транзисторов VT1, VT2 IGBT силовых модулей 1, 2 (рис. 1), из-за наличия L cиLш — паразитной индуктивности шин питания, высокая крутизна фронта di/dt (du/dt) коммутационных импульсов приводит к появлению переходного перенапряжения Uk, одновременно индуцируемого на блок электролитических конденсаторов Uc и переход «эмиттер — коллектор» закрывающегося транзистора VT2 модуля 2 — U к-э. Наложение амплитуды индуцированного коммутационного перенапряжения ДUm, рассчитываемой по выражению [3]:

(2)

где Mk/Д.t— скорость изменения переходного тока при закрытии IGBT биполярного транзистора, на напряжение питания — Uп силового модуля: Uk = ДUm + Uп, способствует быстрому росту мощности рассеяния на переходе «эмиттер-коллектор», выходу из строя транзисторного ключа в процессе переключения и моментальному внутреннему короткому замыканию ЭК (рис. 1). В это время опосредованный индуктивностью нагрузки Lн, ток i L замыкается через шунтирующий (оппозитный) диод VD1 модуля 1 и не влияет на величину переходного тока Ik в контуре коммутации (рис. 1). Вот почему в силовой цепи пакета шин питания преобразователя снижение индуктивности Lk = Lc + Lш (2) приобретает первостепенную значимость, но если Lш зависит от топологии силовых связей [1], то Lc полностью определяет Z(1) блока силовых конденсаторов. Например, тестирование IGBT силовых модулей полумоста ступени инвертора (1700 В/300 А) после замены двух последовательно соединенных алюминиевых электролитических конденсаторов 6800 мкФЧ400 В серии В43456 (Lc около 20 нГн) на идентичные по номиналу усовершенствованные образцы В43456-А9688-М (Lc до 10 нГн) показало в среднем снижение пиковых значений U к-э на 12%, а Uc — на 25% [3].

Простейший способ ограничения ДUm (2) — установка на шины питания IGBT силовых модулей (точки А, С— рис. 1) снабберных емкостей Cs, поглощающих до допустимого предела переходного перенапряжения ДU k, запасенную в Lk энергию W, соразмерную рабочему току I [1]:

Накопленная емкостью Cs энергия, численно равная W и пропорциональная квадрату абсолютной разности напряжений | Uk - ДU k |, в паузы циклов коммутации сбрасывается на шину питания. Таким образом, по заданному уровню ДU k можно оценить требуемую номинальную емкость снабберного конденсатора [1]:

подключение которой одновременно не должно вызвать генерации добавочного сигнала при последовательном соединении с Lk в контуре тока коммутации (рис. 1). В схемах мощных IGBT инверторов, составленных из комбинации одиночных силовых модулей, на DC-шине питания устанавливается несколько снабберов [1]. Необходимая высокая скорость отклика перезаряда (изменения напряжения) силового конденсатора снабберного звена — du/dt (табл. 2), определяемая частотой переключения транзисторных ключей (соразмерной длительности импульса формируемого IGBT инвертором), обеспечивается минимизацией собственной индуктивности, низким ESR (табл. 2), а также, как отмечено выше, максимально близким расположением к силовому модулю.

 Заключенные в пластиковый корпус прямоугольной формы и герметизированные нетоксичным компаундом (UL94V0), снабберные конденсаторы EPCOS AG (табл. 2) выполнены по рулонной МКР-технологии (односторонне металлизированной полипропиленовой пленки). Причем при необходимости увеличения Сн в силовом конденсаторе параллельно объединяется до четырех цилиндрических обмоток [4] или используется MFP-технология (односторонняя металлизация пленки + фольга) с последовательным внутренним соединением пары обмоток [5]. Восемь геометрических модификаций крепежных выводов силовых конденсаторов различных номиналов адаптированы к креплению на шины IGBT силовых модулей производства EUPEC, Fuji Electric Device Technology, SEMIKRON, Toshiba Corporation [4], Mitsubishi Electric, ОАО «Электровыпрямитель».

До последнего времени высокая удельная мощность (1000-10 000 Вт/кг) обеспечивала практически безальтернативное применение ЭК в блоках накопителей мощных преобразователей напряжения. Совершенствование свойств полимерных пленок в сочетании с новыми технологиями производства металлопленочных силовых конденсаторов, в том числе запатентованной EPCOS AG МКК-технологии (рис. 2) — одновременного расширения и повышения прочности контактной поверхности выводов слоя металлизации обкладок, за счет сочетания ровного и волнового среза кромок пленки, уложенной с небольшим равномерным смещением витков [6, 7], — нарушило эту тенденцию.

 По сравнению с ЭК неполярные пленочные МКК-конденсаторы, работающие на постоянном напряжении, намного более устойчивы к пульсирующим и импульсным составляющим выпрямленного тока, имеют гораздо лучшие массогабаритные (устраняется необходимость в последовательном соединении силовых конденсаторов) и энергетические (отсутствие выравнивающих резисторов, меньшее значение tgS) параметры [2, 6, 7, 8]. Усиленная кромка цинкового напыления торцов слоя металлизации (рис. 2), к которой припаиваются выводы силового конденсатора, минимизирует действие краевого эффекта (pinch effect) — скопление точечных зарядов на периферийных частях электродов, увеличивающих эндемическую напряженность Е электрического поля у края обкладок. В случае пробоя диэлектрика мгновенная концентрация в месте дефекта энергии заряда силового конденсатора

(табл. 3) вызовет резкое повышение температуры (до 6000 К) и давления, инжекцию плазмы и образование на месте пробоя изоляционной области — так называемое свойство самовосстановления (self-healing), сохраняющее работоспособность силового конденсатора [6]. Многослойная пакетная или рулонная укладка пленки (рис. 3) предусматривает разбивку одной из двух поверхностей металлизации электродов на отдельные равномерные сегменты, соединяемые между собой несколькими перемычками (токовыми коридорами). Функционально это эквивалентно матрице плавких вставок пакета параллельного набора секций высоковольтных силовых конденсаторов, наиболее эффективно локализующих место пробоя в конденсаторах большой единичной мощности (табл. 3) при лавинообразном процессе самовосстановления. Радиус R (рис. 3) сопряжения углов периметра емкостного сегмента способствует равномерной плотности распределения заряда. Симметричное продольное разграничение сегментированного слоя металлизации ровной полимерной пленки (рис. 3) позволяет сформировать относительно обкладки электрода со сплошным слоем металлизации и волновым срезом края два плоско сложенных последовательно соединенных емкостных пакета, попарно перераспределяющих приложенное к выводам силового конденсатора напряжение Uн, снижая таким образом значение Lc (табл. 3). Кроме того, поскольку одновременный пробой в двух пакетах конденсатора мало вероятен, при каждом пробое одного из пакетов последовательное сопротивление второго будет ограничивать величину разрядного тока. Плоская поверхность многослойных обкладок емкостного пакета обеспечивает разнообразие композиции корпуса [6, 7].

Рис. 3. Структура сегментации слоя металлизации пленки для последовательного внутреннего соединения обмоток РСС-конденсатора

Рис. 3. Структура сегментации слоя металлизации пленки для последовательного внутреннего соединения обмоток РСС-конденсатора:

1 — ровный срез; 2 — усиленная кромка зоны контакта слоя металлизации; 3 — волновой срез; 4 — полоса разделения слоя металлизации

двух МРМ-пакетов; 5 — емкостной сегмент; 6 — неметаллизированный край пленки; а — толщина пленки; В — размер сегментного  промежутка; d — ширина токового коридора; е — расстояние между сегментами; R — радиус сопряжения углов периметра емкостного сегмента; s — расстояние между токовыми коридорами; U — сплошной слой металлизации

Таблица 3. Основные технические параметры пленочных DCконденсаторов В25650 — стандарты IEC 1071-1/2, EN, VDE 0560 часть 120, 121 [8] и PCC для IGBT-преобразователей стандарты IEC 1071-1, NFF-16-101/102, IEC 68 [6, 7] производства «EPCOS AG»

Таблица 3. Основные технические параметры пленочных DC-конденсаторов В25650 — стандарты IEC 1071-1/2, EN, VDE 0560 часть 120, 121 [8] и PCC для IGBT преобразователей напряжения стандарты IEC 1071-1, NFF-16-101/102, IEC 68 [6, 7] производства «EPCOS AG»

 Для сглаживания пульсаций цепи постоянного тока IGBT инверторов компания EPCOS AG выпускает пленочные DC-конденсаторы (табл. 3), как традиционного исполнения — в прямоугольном металлическом корпусе, на котором расположены два проходных изолятора штыревых выводов (В25650), так и специальных серий — РСС LP (Power Capacitor Chip Low Power) и РСС HP (Power Capacitor Compact High Power), адаптируемые к конкретному варианту построения преобразователя напряжения, вплоть до интеграции непосредственно в конструкцию IGBT инвертора [6, 7].

В системах электроснабжения промышленной частоты (50 Гц) совокупность требований синусоидальности напряжения и формирующего его меандр дискретного спектра импульсов различной длительности, генерируемого IGBT инвертором, обеспечивается установкой выходного LC-фильтра. Искажения синусоидальности формы выходного сигнала, обусловленные крутизной фронта чередующихся мпульсов широтно-импульсной модуляции — du/dt, активируют выброс пиков — I п = СЧ(du/dt )макс., и появление экстремумов — Iа = СЧdu/dt [8] высокочастотных гармонических составляющих тока нагрузки, которые абсорбируются силовыми конденсаторами схемы фильтрации, вызывая их повышенный нагрев. Хорошая внутренняя теплопроводность АС-конденсаторов (табл. 4), использующих MKV-технологию построения активной части — двухсторонне металлизированную конденсаторную бумагу, пропитку минеральным маслом и изоляцию электродов пропиленовой пленкой [8], а также стабильность контакта торцевого слоя с бумагой (известную по технологии МР — «металл — бумага»), гарантирует импульсную прочность. Слои конденсаторной бумаги обеспечивают высокое качество пропитки, при этом ее пористая структура способствует равномерности распределения продуктов разложения, образующихся на месте пробоя металлизированного покрытия в процессе самовосстановления. Выбор диэлектрической системы определил и конструктивную форму силовых конденсаторов (табл. 4) — цилиндрическую. Встроенное устройство аварийного отключения токовой цепи предотвращает разрыв алюминиевого корпуса при превышении избыточного внутреннего давления [8]. Практика эксплуатации показала надежность работы в выходных фильтрах IGBT инверторов АС-конденсаторов, выполненных по МКV-технологии.

Таблица 4. Основные технические параметры пленочных АС-конденсаторов производства «EPCOS AG», стандарты IEC 1071-1/2, EN 61071-1/2, VDE 0560 часть 120, 121 [8]
Таблица 4. Основные технические параметры пленочных АС-конденсаторов производства «EPCOS AG», стандарты IEC 1071-1/2, EN 61071-1/2, VDE 0560 часть 120, 121 [8]

 Линейка силовых конденсаторов, выпускаемых компанией EPCOS AG, не исчерпывается представленным материалом. Вне рамок статьи остались группы силовых конденсаторов, используемые в тиристорных частотно-регулируемых электроприводах и управляемых выпрямителях, установках компенсации реактивной мощности, импульсных генераторах, источниках бесперебойного питания.

Литература

  1. Колпаков А. Многослойная шина и модули SEMISTACK от SEMIKRON // Силовая электроника. № 1’2004. С. 32-36.
  2. Aluminum Electrolytic Capacitors. Published by EPCOS AG. Ordering No. EPC: 27009-7600. Germany. 2002. 521 p.
  3. Roumen J., Will N. Simplifying frequency converter design // Components focus power supplies. Published by EPCOS AG. Ordering N EPC: 50120-7600. N 1’2002. P. 17-19.
  4. Snubber series for IGBTs. // EPCOS COMPONENTS. N 1’2004. P. 65.
  5. Film Capacitors. Published by EPCOS AG. Ordering N EPC: 60007-7600. Germany. 2004. 404 p.
  6. PCC HP High-Power Capacitors for Heavy-Duty Applications. Product Profile 2000. Published by EPCOS AG. Ordering No EPC: 26005-7600. Germany. 2000. 13 p.
  7. PCC LP Power Capacitor Chip for Low-Power Inverter Applications. Product Profile 2002. Published by EPCOS AG. Ordering N EPC: 26009-7600. Germany. 2002. 9 p.
  8. Power Capacitors. Published by Siemens Matsushita Components GmbH&Co. Ordering N B426-P2612-X-X-7600. Printed in Germany. 1999. 357 р.

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_03_18.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо