Силовая электроника №4'2006

MELCOSIM - эффективный инструмент для вычисления потерь и теплового расчета.

Eugen Stumpf
Роман Фукалов


MELCOSIM — программа для расчета потерь и нагрева силовых модулей, незаменимая при разработке преобразовательной техники на базе продукции Mitsubishi Electric. Первая версия программы была выпущена этой японской корпорацией в 2004 году. С тех пор программа постоянно совершенствовалась, в нее добавлялись новые возможности и более детальная информация о продукции. Благодаря этому программному обеспечению разработчик может эффективно анализировать работу силовых модулей, что сокращает время, затрачиваемое на проектирование. Данная статья описывает особенности программы MELCOSIM и принципы ее использования на примере анализа работы модуля IGBT CM100DY-24A.


Введение

При создании силовых преобразователей инженеры должны решать задачи расчета и анализа потерь в силовых модулях (динамических и статических), а также температуры кристалла применительно к условиям работы разрабатываемой системы. В дополнение к поставкам высокопроизводительных и надежных силовых модулей, для увеличения эффективности процесса разработки Mitsubishi Electric предлагает мощный инструмент, позволяющий выбрать силовые модули и проанализировать потери. Анализ потерь может быть проведен в DC/AC инверторе и в DC/DC преобразователе для синусоидального и постоянного выходного тока. В сравнении с другими доступными средствами MELCOSIM имеет некоторые преимущества, такие как совместимость с семейством операционных систем Windows, независимость от другого программного обеспечения, учет особенностей силовых модулей Mitsubishi и интуитивно понятный интерфейс. MELCOSIM предоставляет результаты расчетов как в графическом, так и в текстовом форматах.

Особенности работы с программой MELCOSIM

Начало работы с программой MELCOSIM

Последняя версия программы MELCOSIM всегда доступна пользователям на веб-сайте корпорации Mitsubishi. Это программное обеспечение полностью совместимо с Windows98/ NT/2000/XP. Для доступа к программе необходимо пройти регистрацию (после нее можно получать информацию о выходе новых версий программы на свой e-mail), а затем скачать MELCOSIM на компьютер. После короткой процедуры установки вы можете начать использовать данное программное обеспечение.

Выбор модулей и ввод условий работы

Первое, что необходимо сделать при использовании программы MELCOSIM, оценить самый тяжелый вариант рабочих условий. Пользователь может задать такие рабочие параметры, как напряжение шины постоянного тока (VCC), выходной ток (IO), частота коммутации (fSW), косинус фи (PF) и глубина модуляции (D) или скважность ШИМ (для режима чоппера).

На рис. 1 изображено основное окно программы. В левой части окна указаны параметры работы устройства: напряжение шины постоянного тока (VCC) и частота коммутации(fSW) важны для расчета динамических потерь, тогда как глубина модуляции (D) и коэффициент мощности (PF) влияют на распределение статических потерь между IGBT и антипараллельным диодoм. Выходной ток (IO) необходим как для расчета статических, так и динамических потерь.

Рис. 1. Основное окно программы MELCOSIM
Рис. 1. Основное окно программы MELCOSIM

 В верхней части окна показан выбранный силовой модуль и его тепловые сопротивления.

Для предварительного выбора модулей необходимо руководствоваться наиболее тяжелыми условиями работы. Основные критерии для предварительного выбора модулей:

  • Номинальный ток (IC) модуля должен быть больше половины пикового выходного тока (ICP).
  • Блокирующее напряжение модуля (VCES) должно быть в 1,5 раза больше напряжения на шине постоянного тока( VCC).

После того как определены значения VCES и IC, модуль может быть выбран из числа доступных в текущей линейке продукции с помощью меню выбора модуля. Текущая версия включает обновленную информацию о 45 новых модулях, в том числе высоковольтные IGBT до 2400 А/1700 В и 600 А/6500 В и новые 600 В DIP-IPM-модули четвертого поколения (Super Mini-DIP-IPMs). Теперь MELCOSIM может быть использован для проверки выбранного устройства по перегреву.

Выбранное устройство показано в основном окне программы. На рис. 1 показан пример расчета потерь. В зависимости от условий работы устройства пользователь может выбрать тип модуляции, такой как 3-фазная модуляция, 2-фазная модуляция (векторная ШИМ) и режим чоппера (обычно используется в DC/DC-преобразователях). На рис. 2 представлена типичная схема, использующая 3-фазный ШИМ и основные параметры, необходимые для расчета потерь. Текущая версия MELCOSIM (версия 3.0), способна вычислить среднюю температуру кристалла Tjav транзистора (IGBT) и антипараллельного диода (FWDi). Разницей между максимальной Tjmax и средней Tjav температурами кристалла можно пренебречь, если выходная частота fout больше 30 Гц. В случае если выходная частота меньше 30 Гц, требуется рассчитывать максимальную температуру кристалла Tjmax.

Рис. 2. 3_фазный ШИМ (основные параметры)
Рис. 2. 3х-фазный ШИМ (основные параметры)

 Следующая версия MELCOSIM 4 будет содержать возможность ввода выходной частоты fout и расчета Tmax. Mitsubishi Electric планирует представить версию 4 в конце 2006 года.

Все вводимые параметры проверяются программой MELCOSIM на соответствие предельным значениям для данного модуля указанным в спецификации, если же они выходят за данную границу, выводится предупреждающее сообщение.

Расчет потерь

Общие усредненные потери в IGBT при синусоидальном выходном токе — это сумма статических и динамических потерь в кристалле. То же верно для потерь в антипараллельных диодах. Статические потери в IGBT рассчитываются по формуле (1), динамические по формуле (2). Формулы (3) и (4) предназначены для расчета статических и динамических потерь в антипараллельных диодах.

где ICP — пиковое значение синусоидального выходного тока; PF— коэффициент мощности; VCE(sat) — напряжение насыщения IGBT при ICPи Tj = 125 °C; D — глубина модуляции; ESW(on) и ESW(off) — энергия потерь IGBT на включение и выключение при пиковом токе через коллектор ICp и Tj = 125 °C; Irr — пиковый ток обратного восстановления диода; trr — время обратного восстановления диода; VCE(peak) — пиковое напряжение на диоде при обратном восстановлении; VEC— прямое падение напряжения на диоде.

По результатам расчета выводятся суммарные потери на модуль, суммарные потери на IGBT-диоде и отдельно динамические и статические потери на IGBT-диоде. Результаты расчета могут быть выведены в графическом виде как:

  • усредненные потери (P) от пикового выходного тока (ICP) (рис. 3);
  • усредненные потери (P) от частоты коммутации (fsw).
Рис. 3. MELCOSIM, график зависимости P от ICP
Рис. 3. MELCOSIM, график зависимости P от ICP

 В правой части графического окна представлены статические параметры. Красная линия показывает результаты для IGBT, синяя — для диода. Изменяемый параметр Icp (рис. 3) ограничен двукратным номинальным током Icp(max) = 200 A для CM100DY-24A. Это ограничение соответствует ООБР.

Рис. 4 показывает часть главного окна программы с результатами расчета потерь и температуры кристалла IGBT и диода для модуля CM100DY-24A.

Рис. 4. Пример результатов расчета программой MELCOSIM
Рис. 4. Пример результатов расчета программой MELCOSIM

 Расчет температуры кристалла

Расчет температуры кристалла необходим для проверки возможности работы предварительно выбранного модуля в заданных пользовательских условиях, для выбора радиатора охлаждения и также для анализа построения температурной защиты.

На рис. 5 показана эквивалентная тепловая модель IGBT и антипараллельного диода, предназначенная для расчета температуры кристалла. Взаимное влияние потерь в IGBT и диоде на температуру кристалла происходит в основании модуля. Для расчета MELCOSIM использует значения тепловых сопротивлений в IGBT и антипараллельном диоде, измеренные непосредственно под кристаллом. Температура радиатора охлаждения должна быть измерена непосредственно под кристаллом IGBT диода. В дополнение к расчету температуры кристалла MELCOSIM рассчитывает среднюю разницу температур между кристаллом IGBT-диода и основанием модуля и между основанием модуля и радиатором охлаждения. Все результаты теплового расчета выводятся в основное окно программы (рис. 4).

Рис. 5. Тепловая модель IGBT и антипараллельного диода
Рис. 5. Тепловая модель IGBT и антипараллельного диода

 В дополнение к вышеупомянутым результатам, рассчитанным для одной точки, MELCOSIM предоставляет возможность построения графиков с изменяемыми значениями Icpиfsw(рис. 6):

  • температура кристалла (Tj) от пикового выходного тока (ICP);
  • температура кристалла (Tj) от частоты коммутации (fsw).
Графический анализ температуры кристалла IGBT и диода
Рис. 6. Графический анализ температуры кристалла IGBT и диода

 Линия красного цвета показывает температуру IGBT, а линия синего цвета — температуру диода. Заштрихованная область на рис. 6 обозначает зону, не рекомендованную для работы с температурой более Tj = 125 °C. Максимальная специфицированная температура кристалла Tj = 150 °C.

График, представляющий пиковый выходной ток от частоты коммутации при фиксированной температуре кристалла, интересен для выбора необходимого силового модуля. Этот график показан на рис. 7. Заданная температура Tj может быть скорректирована в отдельном окне. На рис. 7 график построен для температуры Tj = 125 °C и показывает максимальное значение выходного тока для диапазона частот коммутации от 0 до 20 кГц при заданной температуре кристалла. Например, по графику на рис. 7 можно определить, что если температура кристалла не превышает Tj = 125 °C, то максимальный ток через коллектор будет равен Iср = 150 A.

График ICP от fsw при заданной Tj
Рис. 7. График ICP от fsw при заданной Tj

 В конце работы данные расчета могут быть сохранены как в графическом, так и в текстовом формате. Результаты расчета с разными условиями удобно сравнивать, создавая для каждого варианта свое окно и используя кнопку new window на панели инструментов.

Заключение

MELCOSIM облегчает процесс выбора подходящего силового модуля Mitsubishi под заданные пользователем условия. MELCOSIM также обеспечивает расчет потерь и температуры кристалла, для этого достаточно выбрать необходимый модуль и исправить значения по умолчанию в соответствии с пользовательскими условиями. Программа мгновенно рассчитает температуру кристалла и потери в IGBT и антипараллельных диодах в соответствии с заданными пользователем условиями.

При применении программы MELCOSIM необходимо учитывать, что:

  • информация о модулях основана на существующих спецификациях. Данные, используемые в программе MELCOSIM, могут быть изменены без предварительного уведомления пользователя;
  • расчет основан на линейной аппроксимации.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_04_84.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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