Силовая электроника №3'2005

Интеллектуальные силовые модули (IPM) серии L: низкие потери и помехи, новое управление

Нобутаке Танигучи
Такахиро Иноуе
Ойген Штумпф
Андрей Скачков
Андрей Корнев


Новейшая разработка Mitsubishi Electric Corporation — серия L интеллектуальных силовых модулей (IPM) выделяется меньшими размерами корпуса, имеет малые потери благодаря применению 5-го поколения IGBT кристаллов (CSTBT) и низкие помехи благодаря новой схеме управления.


Технология IGBT кристаллов

Для сокращения потерь в L-серии используется биполярный транзистор с trench («канавочным») затвором с накоплением носителей заряда (CSTBT) 5-го поколения IGBT в новой схеме интеллектуальных силовых модулей (IPM). CSTBT — это силовой кристалл новейшего типа, дающий превосходный компромисс между низким прямым падением напряжения и динамическими потерями IGBT на выключение.

Для снижения помех при выключении обратного диода новый IPM использует ту же самую технологию управления временем жизни заряда, что и 4-е поколение интеллектуальных силовых модулей.

Использование новых силовых кристаллов в сочетании с новым способом управления, описанным ниже, и образует 5-е поколение интеллектуальных силовых модулей, отличающееся значительным снижением потерь и помех.

Технология схемы управления

Хотя снижение потерь на переключение часто связано с ростом электромагнитных помех, и, наоборот, снижение электромагнитных помех часто означает рост потерь на переключение, метод управления IGBT был пересмотрен, после чего были разработаны новые интегральные схемы управления, обеспечивающие 5-му поколению интеллектуальных силовых модулей IPM наилучшие показатели для этих двух характеристик.

В стандартной технологии управляющей схемы, применявшейся вплоть до 4-го поколения S-DASH интеллектуальных силовых модулей, параметры, определяющие скорость переключения (выходное напряжение драйвера, сопротивление затвора Rg), не могли быть изменены. Поэтому, устанавливая скорость переключения так, чтобы уменьшить электромагнитные помехи, тем самым увеличивали динамические потери инвертора.

Однако в цепях нового силового модуля скорость переключения может меняться между двумя уровнями тока коллектора IGBT. Рис. 1 представляет блок-диаграмму схемы управления 5-го поколения интеллектуальных силовых модулей, а рис. 2 — временную диаграмму для схемы управления. На рисунке: Vin — управляющий входной сигнал, Ic — ток коллектора, Vics — напряжение детектора коллекторного тока и Ig — ток затвора. Если ток коллектора Ic меньше порогового тока компаратора, IGBT включается единственным источником тока (SW1: ON, SW3: OFF), но когда ток коллектора Ic больше порогового тока компаратора, IGBT включается двумя источниками тока SW1 и SW3.

Рис. 1. Схема управления для 5-го поколения IPM
Рис. 1. Схема управления для 5-го поколения интеллектуальных силовых модулей
Рис. 2. Временная диаграмма работы схемы управления
Рис. 2. Временная диаграмма работы схемы управления

В результате напряжение затвора возрастает в области малого коллекторного тока более плавно, обеспечивая «мягкое включение» и возможность снижения электромагнитных помех, уменьшая dv/dt при выключении обратного диода. С другой стороны, в сильноточной области переключение происходит с обычной скоростью, делая возможным снижение потерь.

Рис. 3 демонстрирует зависимость dv/dt от тока коллектора с мягким включением и без него. В области малого коллекторного тока мягкое включение существенно уменьшит dv/dt при выключении обратного диода.

Рис. 3. Зависимость dv/dt от тока коллектора при выключении обратного диода
Рис. 3. Зависимость dv/dt от тока коллектора при выключении обратного диода

Рис. 4 показывает траекторию Vec при выключении обратного диода с мягким переключением и без него. При токах меньше 50% номинального тока достигается уменьшение dv/dt, когда IGBT включается. На рис. 5 представлены результаты измерения помех радиочастотного диапазона, когда работает электродвигатель с  интеллектуальными силовыми модулеями 4-го и 5-го поколения.

Рис. 4. Зависимость Vec от тока коллектора при выключении обратного диода
Рис. 4. Зависимость Vec от тока коллектора при выключении обратного диода

Эти помехи в новых силовых модулях сокращены примерно на 10 дБ. Описанный выше подход предлагает метод, который уменьшает как помехи, так и потери в новом модуле.

Технология корпусирования

Было разработано три новых типа корпуса для 5-го поколения интеллектуальных силовых модулей (рис. 6 и 7).

Рис. 6. Серия L 5-го поколения IPM
Рис. 6. Серия L 5-го поколения интеллектуальных силовых модулей

Силовые модули номиналом 50~300 A/600 B и 25~150 A/1200 B выпускаются в двух корпусах с силовыми контактами на болтах (тип А и С на рис. 7). Выбор расширен серией изделий в корпусе со штырьковыми силовыми контактами для номиналов 50~75 A/600 B и 25~75 A/1200 B (тип B на рис. 7).

Корпус силовых модулей пятого поколения на 32% меньше корпуса 4-го поколения (S-DASH серия) в отношении площади монтажной поверхности для модулей на 50~150 A/600 B и 50~75 A/1200 B. Уменьшение размера и веса силовых модулей достигнуто благодаря оптимизации топологии кристаллов и размещения электродов.

Для корпусов модулей на 200~300 А/600 В и 100~150 A/1200 B положение силовых и управляющих контактов такое же, как в 4-м поколении серии S-DASH, при этом размер подложки уменьшен и сохранена совместимость по геометрии креплений с предыдущим поколением силовых модулей.

Таким образом, при улучшении параметров, а также общей производительности и  технологии корпусирования, обеспечивающей сокращение размеров корпуса и совместимость с предыдущим  поколением, новые интеллектуальные силовые модули 5-го поколения способствуют повышению производительности силового оборудования.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_03_80.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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