Силовая электроника №1'2006

Силовые сборки SEMISTACK – серийная продукция SEMIKRON

Андрей Колпаков


Более 45 лет французское отделение компании SEMIKRON занимается разработкой и производством узлов мощных преобразователей, содержащих силовые полупроводниковые ключи, силовые конденсаторы, драйверы, шины, датчики. За эти годы выпущено более 15 тыс. подобных изделий, спроектированных на основании технических заданий. Создание международной проектной сети SEMIKRON позволило компании укрепить позиции мирового лидера в области производства силовых сборок для конкретного применения по требованиям, определяемым заказчиком.


Готовые блоки и сборки для сложных и энергоемких промышленных применений востребованы современным рынком в гораздо большей степени, чем дискретные силовые модули. Это подтверждается, в частности, тем, что на ежегодной международной выставке производителей силовой электроники PCIM (Power Control In Motion), проходящей в Нюрнберге, все больше фирм представляют не только силовые модули, но и функционально законченные узлы на их основе.

Данное утверждение достаточно справедливо и по отношению к отечественному рынку. Многие российские предприятия, находящиеся на волне промышленного роста, работающие над перспективными проектами или получившие выгодный государственный заказ, не обладают достаточным количеством времени на проведение полного цикла разработки и испытаний или не имеют соответствующих специалистов. Ни для кого не секрет, что активное развитие силовой электроники и появление новых технологий производства силовых ключей на Западе совпало по времени с глобальным кризисом в России. Одним из самых трагических последствий деструктивных процессов в промышленности стал массовый отток ведущих российских специалистов в бизнес и потеря ими квалификации.

Основные рынки и применения, для которых предназначены разрабатываемые SEMIKRON изделия, — это энергетика, транспорт и мощная приводная техника. Имея в своей базе несколько тысяч выполненных проектов, долгие годы компания производила разработку продукции только на основе технических заданий. Для заполнения стандартной формы технического задания, доступной на сайте www.semikron.com, необходимо определить следующие требования:

  • область применения, конфигурация схемы, выполняемые функции;
  • условия эксплуатации, уровень климатических и механических воздействий;
  • характеристики питающей сети: диапазон входных напряжений, cos φ, частота входного сигнала, уровень пульсаций и перенапряжений напряжения питания;
  • вид и параметры нагрузки (трансформатор, двигатель постоянного тока, двигатель переменного тока, вентильный индукторный двигатель), диапазон выходных напряжений и токов, cos φ, характеристики режима перегрузки, частота ШИМ, диапазон частот выходного сигнала;
  • напряжение изоляции, виды защит;
  • функции драйвера, тип интерфейса, опции (датчики тока, температуры, напряжение питания силовой шины);
  • тип и параметры охлаждающей системы: скорость потока и температура охлаждающего воздуха или жидкости, параметры теплоотвода и т. д.;
  • показатели надежности.

Следует отметить, что и теперь для заказа готового узла, даже присутствующего в базе, требуется заполнение технического задания. Это необходимо специалистам SEMIKRON для того, чтобы иметь возможность предложить заказчику наилучшее решение задачи. При этом заполнение технического задания является достаточно простой процедурой, не отнимающей много времени. Специалистами российского отделения SEMIKRON подготовлена версия бланка заказа с русскими комментариями, ее можно получить у дистрибьюторов компании и в центрах технической поддержки в Санкт-Петербурге и Новосибирске.

Создание единой и доступной базы данных выполненных проектов значительно упрощает процедуру заказа и дальнейшие отношения между разработчиками и потребителями. Осуществление этой задачи стало возможным благодаря появлению дизайнерской сети SEMIKRON. В марте 2005 года было завершено формирование международного подразделения компании, объединившего 9 исследовательских лабораторий, которые расположены в разных странах. В глобальную сеть SEMIKRON вошли дизайнерские центры, находящиеся в Южной Африке, США, Франции, Англии, Бразилии, Южной Корее, Австралии, Индии и Словении. Образование сети позволило проводить работы по проектированию готовых сборок SEMISTACK с максимальной эффективностью, качеством и уровнем сервиса.

Все отделения, работающие в составе сети, имеют свои «команды» инженеров-разработчиков и специалистов по применению, каждый из которых отвечает за свое направление. В составе этих групп есть и сотрудники, задачей которых является проведение испытаний и подтверждение соответствия технических характеристик заданным условиям.

Символом нового подразделения SEMIKRON стал хорошо знакомый логотип компании — тукан, но теперь он предстал в качестве повара, использующего в качестве ингредиентов силовые модули.

Номенклатура и классификация сборок SEMISTACK

Одним из важнейших результатов деятельности дизайнерской сети SEMIKRON стало создание базы данных выполненных проектов, выпуск технической документации, необходимой для размещения информации в каталоге и на сайте. Внешний вид страницы сайта www.semikron.com, посвященной сборкам SEMISTACK, на которой показаны основные классы предлагаемых изделий, приведен на рис. 1.

Рис. 1. Развитие технологии IGBT
Рис. 1. Группы и типы выпускаемых сборок SEMISTACK

Номенклатура силовых блоков SEMISTACK включает 4 основные группы:

  • сборки с использованием диодных модулей;
  • сборки с использованием тиристорных модулей;
  • сборки с использованием стандартных силовых модулей IGBT и интеллектуальных силовых модулей SKiiP;
  • сборки специального назначения.

Для спецификации сборок разработана стандартная система обозначений, показанная на рис. 2. Теперь все изделия, как разработанные ранее, так и новые, получают название, содержащее следующие группы символов:

Рис. 2. Система обозначений сборок SEMISTACK
Рис. 2. Система обозначений сборок SEMISTACK

1. Тип сборки:

  • SKS — стандартный;
  • SKAI — (SEMIKRON Advanced Integration) модуль электропривода электромобиля или гибридомобиля;
  • SEMKUBE — семейство модулей электропривода переменного тока [2-3].

2. Рабочий ток: максимальный продолжительный выходной ток без учета перегрузки. В зависимости от конфигурации схемы он обозначается в документации как Irms, Id, Iac, out .

3.  Система охлаждения:

  • N — естественная конвекция;
  • F — принудительное воздушное охлаждение;
  • G — блок не укомплектован системой охлаждения, она должна быть установлена заказчиком (принудительное воздушное охлаждение);
  • Н — масляное охлаждение;
  • W — жидкостное охлаждение.

4. Конфигурация схемы: возможные схемы сборок и их обозначения приведены в таблице 1.

5. Мощность: максимальная выходная мощность преобразователя в кВА.

6. Обратное напряжение: пиковое обратное напряжение модулей, используемых во входных каскадах.

Таблица 1. Конфигурации стандартных сборок SEMISTACK
Таблица 1. Конфигурации стандартных сборок SEMISTACK

Подробные технические параметры сборок SEMISTACK можно получить на сайте www.semikron.com. В настоящее время предлагается несколько десятков блоков подобного типа. Для того чтобы не перегружать статью информацией, доступной в Интернете, мы привели в таблице 2 основные параметры лишь некоторых наиболее мощных блоков в каждой конфигурации. Больший интерес в данной группе вызывают сборки семейства SEMIKUBE thyristor, представляющие собой серию малогабаритных 3-фазных неуправляемых и управляемых выпрямителей. Внешний вид модуля с креплением на DIN-рейку приведен на рис. 3.

Рис. 3. Внешний вид диодно-тиристорной сборки серии SEMIKUBE thyristor
Рис. 3. Внешний вид диодно-тиристорной сборки серии SEMIKUBE thyristor

Техническая документация на все сборки содержит необходимые значения параметров и графики, позволяющие рассчитать рабочие режимы в конкретных условиях эксплуатации.

На рис. 4 приведены графики, определяющие зависимость номинального тока от длительности перегрузки и тока перегрузки от номинального тока для диодно-тиристорных сборок в конфигурациях W3C и В6. Как, например, показывают кривые на рис. 4а, при увеличении времени двойной перегрузки с 0 до 60 с допустимый ток падает с 870 до 800 А. По семейству графиков рис. 4б можно определить, что при длительности перегрузки 60 с и номинальном токе 900 А допустимый ток перегрузки составляет 2100 А.

На рис. 5 показаны графики зависимости мощности потерь тиристорного ключа от величины постоянного тока и характеристики динамического теплового импеданса для сборок в конфигурациях B6C и W3C. Приведенные кривые позволяют определить, что, например, для 3-фазного АС-коммутатора (W3C) при токе 1400 А потери мощности составляют 880 Вт. Это значение необходимо для расчета перегрева кристаллов, который определяется с помощью значения динамического теплового импеданса «кристалл — окружающая среда» Zthja (рис. 5б). В данном примере Zthja = 0,07 °С/Вт при длительности импульса проводимости t = 10 с. В случае, когда тиристор открыт в течение времени, значительно превышающего тепловую постоянную времени (10 000 с), динамический импеданс становится равным тепловому сопротивлению (Zthja = R-thja = 0,17).

С помощью приведенных на рис. 5 кривых мы можем рассчитать перегрев кристалла тиристора при заданных номинальных условиях эксплуатации и в режиме перегрузки. Например, при 1пот = 600 A:

ΔTnom = RthxPnom = 0,17x300 = 51°C

Соответственно, при температуре окружающей среды ТaтЪ = 35 °С, температура кристалла в стационарном режиме: Т„от = 35 + 51 = 86 °С.

При 200-процентной перегрузке в течение 10 с мощность потерь Рт1 = 700 Вт (1т1 = 1200 A) и тепловой импеданс Zthja = 0,07. В этом случае дополнительный перегрев определяется следующим образом:

 ΔTovl=Zthx(Povl-Pnom)=0,07x400=28°C

Таким образом, в режиме перегрузки температура кристалла может достигнуть 114 °С.

На рис. 6 показаны некоторые конфигурации блоков SEMISTACK, производимых с применением силовых модулей IGBT и интеллектуальных силовых модулей SKiiP. В таблице 3 приведены основные характеристики изделий, являющихся самыми мощными для каждого семейства. В данном классе изделий наибольшей мощностью обладают сборки 3-фазных инверторов, выполненные на основе интеллектуальных силовых модулей SKiiP.

Таблица 3. Основные характеристики сборок с использованием модулей IGBT (приведены наиболее мощные варианты для каждого семейства IGBT)
Таблица 3. Основные характеристики сборок с использованием силовых модулей IGBT (приведены наиболее мощные варианты для каждого семейства IGBT)

Недавно в производственной программе SEMIKRON появились силовые модули IGBT новейшего поколения SEMiX и драйверы для управления ими SKYPER [4]. Обратите внимание на то, что на основе этих компонентов уже выпущен ряд блоков в различных конфигурациях.

Модули электропривода новейшего поколения SEMIKUBE [2-3] в конфигурации B6U (В6НК) + B6CI также относятся к данному типу изделий. Однако эти блоки, предназначенные для применения в инверторах мощностью до 900 кВт, представляют собой принципиально новую концепцию фирмы, поэтому есть смысл остановиться на них подробнее.

Сборка SEMIKUBE, представляющая собой универсальную платформу инвертора электропривода, является первой разработкой международной дизайнерской сети SEMIKRON. Она обеспечивает:

  • оптимальное использование объема силового модуля — SEMIKUBE не имеет аналогов по компактности, плотности мощности и уровню интеграции;
  • гибкость конструкции — горизонтальное, вертикальное или смешанное расположение единичных модулей позволяет адаптировать конструкцию изделия под конкретные требования с минимальными затратами;
  • высокую надежность и минимальные затраты при изготовлении за счет применения электронных элементов с лучшими характеристиками эффективности и стандартных надежных механических частей;
  • простоту сборки, монтажа, ремонта и изменения конфигурации за счет уникальной конструкции единичных модулей и соединительных шин.

Внешний вид и основные характеристики шести выпускаемых типоразмеров SEMIKUBE приведены в таблице 4.

Таблица 4. Основные характеристики и внешний вид блоков SEMIKUBE
Таблица 4. Основные характеристики и внешний вид блоков SEMIKUBE

В документации на сборки группы IGBT, как и в предыдущем случае, приведены все графики, необходимые для расчета рабочих режимов. Например, кривые на рис. 7а позволяют определить, что при номинальном токе инвертора, равном 600 А, ток перегрузки может достигать 900 А в течение 60 с. А графики на рис. 7б характеризуют частотные свойства 3-фазного инвертора IGBT. Например, при частоте 6 кГц предельный выходной ток достигает 600 А в условиях 110-процентной перегрузки в течение 60 с.

Рис. 7. а) зависимость тока перегрузки от номинального тока, б) зависимость выходного тока инвертора от частоты
Рис. 7. а) зависимость тока перегрузки от номинального тока, б) зависимость выходного тока инвертора от частоты

На рис. 8 показаны графики, характеризующие нагрузочную способность инвертора при различной температуре окружающей среды и напряжении DC-шины при коэффициентах перегрузки, равных 110% и 150%.

Рис. 8. а) зависимость номинального тока от температуры окружающей среды, б) зависимость номинального тока от напряжения DC-шины
Рис. 8. а) зависимость номинального тока от температуры окружающей среды, б) зависимость номинального тока от напряжения DC-шины

Модули специального применения, конфигурации которых не вписываются в стандартные рамки, не зря выделены в отдельную группу сборок SEMIKRON. Данные изделия являются наиболее сложными, энергонасыщенными, они отличаются очень высоким уровнем конструкторской проработки и являются предметом особой гордости компании. Особенный интерес среди товаров группы представляют блоки электропривода гибридомобиля SKAI [5] и преобразователи для ветроэнергетических установок [6]. Внешний вид сборки SKAI, за которую в 2004 году компания SEMIKRON получила приз «Поставщик года» от General Motors, и 4-квадрантного модуля инвертора - конвертора для ветрогенератора мощностью 1 МВт показаны на рис. 9. Типы нестандартных сборок, их краткое описание и основные характеристики приведены в таблице 5.

Рис. 9. a) модуль электропривода SKAI, б) 4$квадрантный модуль инвертора-конвертора для ветрогенератора
Рис. 9. a) модуль электропривода SKAI, б) 4х-квадрантный модуль инвертора - конвертора для ветрогенератора
Таблица 5. Специальные конфигурации SEMISTACK
Таблица 5. Специальные конфигурации SEMISTACK

Пользователи продукции SEMIKRON хорошо знают программу теплового расчета и выбора компонентов SemiSel (см. статью «Полезный софт от компании SEMIKRON» в этом номере журнала). Одновременно с созданием базы данных блоков SEMISTACK была выпущена и новая версия программы 3.0.8, предоставляющая пользователям ряд интересных дополнительных возможностей (см. рис. 10).

Рис. 10. Режимы работы программы SemiSel 3.0.8 и меню ввода исходных данных StackSel
Рис. 10. Режимы работы программы SemiSel 3.0.8 и меню ввода исходных данных StackSel

Как видно из рисунка, теперь SemiSel имеет 4 режима работы:

  • Step by Step design — основная программа расчета мощности потерь и температуры кристаллов;
  • StackSel — программа предварительного выбора сборки SEMISTACK на основании заданных рабочих режимов;
  • Device Proposal — программа выбора силового модуля на основании заданных рабочих режимов;
  • Driver Select — программа расчета режимов и выбора типа драйвера.

Внешний вид меню локальной версии SemiSel 3.0 и меню ввода исходных данных StackSel показаны на рис. 11. Таким образом, теперь пользователь имеет возможность, задав требуемую конфигурацию схемы и значение выходного тока, получить ссылки на все сборки SEMIKRON, удовлетворяющие заданным условиям. Меню ввода исходных данных врежиме StackSel, также показанное на рис. 10 и 11, содержит 4 пункта:

Рис. 11. Меню локальной версии SemiSel 3.0, меню ввода исходных данных StackSel
Рис. 11. Меню локальной версии SemiSel 3.0, меню ввода исходных данных StackSel
  • Topology — тип преобразователя (DC/AC, AC/DC, AC/AC), в данном случае выбран DC/AC;
  • Circuit — схема, в данном случае это 3-фаз-ный инвертор;
  • Nominal current — номинальный ток преобразователя;
  • Device Blocking voltage — обратное напряжение силовых ключей.

После нажатия на кнопку Find или Calculate мы получаем результат — ссылку на блок, параметры которого в первом приближении удовлетворяют заданным условиям. Далее, пользуясь подробным техническим описанием изделия, необходимо произвести тщательный расчет его рабочих режимов.

Заключение

Разработка конструкции преобразователей средней и большой мощности является сложнейшей задачей, требующей тщательного подхода к анализу распределенных параметров конструкции. Специалистами SEMIKRON накоплен многолетний опыт проектирования мощных конверторов, создана база данных, включающая документацию на несколько тысяч выпущенных изделий. Все это позволяет компании в кратчайшие сроки выполнять уникальные работы, ориентированные на конкретного заказчика.

За годы работы фирмы в области проектирования силовых преобразовательных устройств на основании технических заданий было разработано более 15 тыс. блоков, предназначенных для применения в различных отраслях промышленности. В настоящее время SEMIKRON является мировым лидером в области производства силовых сборок. Ярким примером лидерства является то, что в 57% ветрогенераторов в энергосистемах по всему миру используются преобразователи, разработанные и изготовленные компанией SEMIKRON.

Образование единой дизайнерской сети SEMIKRON позволило объединить все имеющиеся у компании ресурсы в области проектирования, производства и маркетинга. Философией исследовательской сети является «глобальная работа в рамках локальной задачи», такая концепция позволяет максимально приблизить все имеющиеся ресурсы к решению конкретной проблемы. Поручая разработку дизайнерскому центру SEMIKRON, заказчик находится в постоянном контакте с непосредственным разработчиком проекта, он получает помощь на всех стадиях проектирования, производства и эксплуатации готового изделия.

Одним из наиболее важных результатов работы нового подразделения SEMIKRON является формирование базы данных с технической документацией на большое количество проектов, выполненных компанией как на основании технических заданий, так и в инициативном порядке.

Литература

  1. Dejan Schreiber. High Power IGBT STACKs Produced by SEMIKRON. Presentation materials.
  2. SEMIKUBE — SEMISTACK inverter by SEMIKRON solution centres. Presentation materials.
  3. Колпаков А. Инверторная платформа SEMIKUBE — quadratisch, praktisch, gut! // Компоненты и технологии. 2005. № 6.
  4. Колпаков А. SEMiX + SKYPER = адаптивный интеллектуальный модуль IGBT // Силовая электроника. 2005. № 1.
  5. Колпаков А. Модули SKAI/SKADS — предельный уровень интеграции // Силовая электроника. 2005. № 3.
  6. Колпаков А. Энергия, принесенная ветром // Силовая электроника. 2005. № 3.

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_01_28.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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