Силовая электроника №1'2009

Инверторная платформа SEMIKUBE — вопросы выбора

Андрей Колпаков

По данным исследований рынка силовой электроники, проводимых британским исследовательским институтом IMS (British Market Research Institute), доля частотно-регулируемых электроприводов составляет более 50% мирового оборота. Этот факт объясняет рост популярности специализированных компонентов, ориентированных на применение в частотно-регулируемых электроприводах. Общая тенденция современного рынка мощных преобразовательных устройств — это рост предложения готовых узлов и подсистем. Функционально законченные блоки, предназначенные для решения конкретных задач, в ряде случаев оказываются востребованными в большей степени, чем дискретные силовые модули. Примером такого изделия является универсальная платформа SEMIKUBE, ориентированная на построение электроприводов в диапазоне мощности до 1 МВт.


Введение

В 2004 году компания SEMIKRON, известная своими уникальными разработками в области преобразовательной техники, объединила 9 научных центров, расположенных в Южной Корее, Австралии, Южной Африке, США, Франции, Англии, Бразилии, Индии и Словении, в глобальную международную дизайнерскую сеть (Solution Centers Network). Главной задачей нового центра стало создание базовых конструкций для основных промышленных применений. Включение исследовательских лабораторий, разбросанных по всему миру, в единую систему проектирования позволило соединить их возможности в области разработки, испытаний, маркетинга, логистики и технического сопровождения.

Первым проектом, выполненным в рамках глобальной сети, стала платформа конфигурации B6U + B6CI (3-фазный выпрямитель + инвертор), предназначенная для построения приводов мощностью 75–1000 кВт. Новый конструктив, получивший название SEMIKUBE, представляет собой компактный, стандартизированный универсальный модуль, предназначенный для решения широкого круга приводных задач. Разработка первой в мире универсальной инверторной платформы — это результат более чем 35-летней работы в области проектирования силовых сборок. Особенностям конструкции платформы SEMIKUBE посвящено много публикаций [1–3]. В предлагаемой статье рассматриваются вопросы выбора кон- кретного типа модуля и расчета его рабочих режимов.

Концепция SEMIKUBE заключается в возможности обеспечения широкого диапазона мощности за счет небольшого набора стандартных базовых блоков, или «кубиков», отсюда и его название. Кроме того, единичный модуль изделия действительно представляет собой куб с размером грани около 40 см. Блок состоит из силового каскада со звеном постоянного тока, платы драйвера, осуществляющего функции управления, защиты и мониторинга, а также набора датчиков, формирующих основные аналоговые сигналы, необходимые для выработки импульсов управления.



Рис. 1. Функциональная схема и внешний вид блока SEMIKUBE 1

Как правило, SEMIKUBE применяется в приводах асинхронных двигателей и системах выработки энергии (рис. 2). Использование модулей SEMIKUBE не рекомендуется в условиях высоких механических нагрузок и большого количества термоциклов, что характерно для транспортного привода. В производственной программе SEMIKRON для подобных режимов эксплуатации предназначены модули прижимного типа SKiiP и сборки на их основе.



Рис. 2. Основные области применения: привод асинхронного двигателя, преобразователь энергетической станции



Рис. 3. Варианты исполнения и выходные характеристики SEMIKUBE с модулями 12 и 17 класса

На рис. 3 представлены основные варианты исполнения модулей SEMIKUBE и их мощностные характеристики с учетом 10% и 50% перегрузки при следующих условиях эксплуатации:

  • напряжение питания VAC = 400 В, 50 Гц или 460 В, 60 Гц;
  • частота ШИМ fsw = 3 кГц;
  • температура окружающей среды Ta = 40 °C;
  • cos φ = 0,85.

Одним из наиболее ответственных узлов инвертора, во многом определяющих его надежность, является звено постоянного тока. В SEMIKUBE использован режим принудительного воздушного охлаждения конденсаторов DC-шины, что исключает возникновение локальных перегревов в любой точке конструкции. Практически идеальная симметрия шин, соединяющих силовые модули, и конструкция звена постоянного тока обеспечивают оптимальное распределение тока и минимальные значения переходных перенапряжений. Расчетный срок службы банка конденсаторов составляет 60 000 часов при предельных электрических нагрузках и температуре окружающей среды 45 °C.

DC-шина с конденсаторами представляет собой самостоятельный блок, его устанавливают в верхней части сборки. Данный узел, варианты исполнения которого показаны на рис. 4, строится на основе электролитических или по- липропиленовых конденсаторов в зависимости от напряжения питания.



Рис. 4. Варианты исполнения звена постоянного тока SEMIKUBE

Важная особенность модульной конструкции SEMIKUBE — это ее масштабируемость, возможность наращивания мощности путем соединения базовых блоков. Для этой цели была разработана специальная многослойная клипса (рис. 5), позволяющая соединять между собой DC-шины единичных модулей во всех четырех направлениях. Она содержит набор тарельчатых шайб, что обеспечивает высокую гибкость и вибростойкость, а также исключает необходимость в протяжке крепежа в течение всего срока службы.



Рис. 5. Равномерное распределение токов в промежуточных соединителях SEMIKUBE. Внешний вид копланарной клипсы

Кроме того, конструкция клипсы, которая была запатентована SEMIKRON, позволяет осуществлять внешние подключения, которые могут быть использованы, например, для подсоединения дросселей фильтров или цепи предзаряда конденсаторов. Важно отметить, что благодаря копланарности клипсы удается сохранить на низком уровне значение распределенной индуктивности звена постоянного тока и свести к минимуму пульсации токов между банками конденсаторов. Собственное значение LS для одного соединителя не превышает 10 нГн.

В зависимости от мощности и типа SEMIKUBE для промежуточных соединений используется от 1 до 3 параллельных клипс. На рис. 5 представлен самый мощный вариант блока типоразмера SEMIKUBE 3, в котором связь между единичными модулями осуществляется с помощью трех соединителей. Анализ динамических режимов данной конструкции показывает хорошую равномерность распределения тока в различных ее точках. В конечном итоге это обеспечивает гомогенное распространение тепла в звене постоянного тока, отсутствие локальных перегревов и, как следствие, высокий срок службы.

Все варианты SEMIKUBE могут содержать выпрямители и инверторы в различных конфигурациях, возможные варианты схем и их обозначения показаны на рис. 6.



Рис. 6. Варианты схем инвертора и выпрямителя SEMIKUBE

Выбор класса напряжения IGBT зависит от типа питающей сети: для сетей стандарта 380 В предназначены модули с рабочим напряжением 1200 В, модули 17 класса устанавливаются в блоки, рассчитанные на напряжение питания до 690 В. Наращивание тока в блоках SEMIKUBE производится с помощью параллельного соединения 2, 4 или 8 модулей IGBT. В пределах одного токового диапазона адаптация к конкретному применению выполняется за счет соответствующего выбора типа силового ключа.



Рис. 7. Зависимость выходного тока Irms от частоты коммутации fsw

Максимальная частота коммутации IGBT в первую очередь ограничена мощностью выходного каскада драйвера, а уменьшение выходного тока инвертора с увеличением частоты коммутации fsw связано с ростом потерь IGBT-модулей. Зависимость выходного тока Irms 3-фазной инверторной схемы от величины fsw для различных исполнений и различных вариантов комплектации SEMIKUBE показана на рис. 7. Построение графиков среднеквадратичного тока производилось для следующих условий эксплуатации:

  • форма тока — синусоидальная;
  • температура окружающей среды Ta = 40 °C;
  • коэффициент/длительность перегрузки по току — 10%/60 с.

В блоках SEMIKUBE устанавливаются модули IGBT 128-ой (технология SPT) и 176-ой серий (технология Trench):

  • SKM300GB128D или SKM400GB128D — рабочее напряжение 1200 В;
  • SKM200GB176D или SKM400GB176D — рабочее напряжение 1700 В.

Для каждого типоразмера «куба» используются стандартные выпрямительные модули, в таблице 1 приведены данные о допустимой токовой нагрузке для каждого из них. При выборе типа выпрямителя необходимо учитывать колебания сетевого напряжения, поскольку его снижение при заданной мощности эквивалентно увеличению тока в DC-шине.

Таблица 1. Варианты комплектации выпрямителя SEMIKUBE (рабочие режимы: температура Ta/Tj — 40/120 °C, напряжение питания 400 VAC/650 VDC).

Неуправляемый выпрямитель
Тип модуля SKKD 162 SKKD 162 SKKD 260 SKKD 380 SKKD 701      
Типоразмер SEMIKUBE 0,5 1 2 2 3      
IDCmax, A 250 390 600 600 1450      
Код 6, 400 В* D1616 D1616 D2616 D3816 D7016      
Код 6, 690 В* D1622 D1622   D3822 D7022      
Управляемый выпрямитель
Тип модуля SKKT 162H4 SKKT 172 SKKT 162H4 SKKT 172 SKKT 250 SKKT 280 SKKT 330 SKKT 570
Типоразмер SEMIKUBE 0,5 0,5 1 1 2 2 2 3
IDCmax, A 210 250 220 330 580 550 640 1170
Код 6, 400 В*   T1716   T1716 T2516   T3316 T5716
Код 6, 690 В* T1622   T1622     1    
Полууправляемый выпрямитель
Тип модуля SKKН 162H4 SKKН 172 SKKН 162H4 SKKН 172 SKKН 250 SKKН 280 SKKН 330 SKKН 570
Типоразмер SEMIKUBE 0,5 0,5 1 1 2 2 2 3
IDCmax, A 210 250 220 330 580 550 640 1170
Код 6, 400 В*   T1716   T1716 T2516   T3316 T5716
Код 6, 690 В* T1622   T1622     T2822    

В зависимости от класса напряжения звено постоянного тока SEMIKUBE может быть построено на электролитических или полипропиленовых конденсаторах. Следует отметить, что удельная емкость для элементов второго типа ниже, чем у электролитов, однако они способны работать при гораздо более высоком напряжении без последовательного соединения. Последнее обстоятельство обуславливает быстро растущую популярность пленочных конденсаторов в изделиях силовой электроники.

В стандартных версиях SEMIKUBE используются электролитические конденсаторы 4700 мкФ с рабочим напряжением 400 В. Максимальное значение эквивалентной емкости на единичный блок составляет 7,05 мФ/800 В для модуля SEMIKUBE 1/2 и 14,1 мФ/800 В для типоразмеров 1, 2 и 3. Такое решение обеспечивает наилучшее соотношение энергии на единицу объема при напряжении DC-шины VDCmax < 750 В.

Для сетей стандарта 690 VАС применяются полипропиленовые конденсаторы номиналом 420 мкФ/1100 В. Эквивалентная емкость в этом случае составляет 2,5 мФ/1100 В для версии SEMIKUBE 1/2 и 3,8 мФ/1100 В для типоразмеров 1, 2 и 3. Графики удельной емкости в мФ/кВт для различных мощностей и исполнений SEMIKUBE показаны на рис. 8.



Рис. 8. Удельная емкость мкФ/кВт для различных мощностей и исполнений SEMIKUBE

Основной критерий при выборе элементов DC-шины — это срок службы, являющийся функцией температуры конденсатора Ths в наиболее нагретой его точке (HS — Hot Spot). Как правило, эта точка располагается в геометрическом центре корпуса.

Допустимое значение минимальной емкости DC-шины выбирается из следующих соображений:

  • Пульсации напряжения питания инвертора (Umax/Umin на рис. 7) не должны влиять на управляемость системы и качество регулирования выходного сигнала.
  • Минимальная величина Umin при пропадании напряжения питания на заданное время (как правило, половина периода или период сетевой частоты) не должна быть ниже уровня UUV-defect.

Соответствующий номинал емкости, удовлетворяющий обоим требованиям, может быть найден с помощью следующего выражения:

Первым шагом при выборе должен быть анализ электрических режимов работы звена постоянного тока при стандартном значении емкости DC-шины SEMIKUBE. Суммарная среднеквадратичная величина тока конденсаторов с учетом гармонических составляющих на частоте 100 Гц (I100Hz) вычисляется в соответствии с приведенным далее выражением, значения корректирующего коэффициента factf даны на рис. 9.



Рис. 9. Зависимость относительной величины тока от частоты и температуры окружающей среды для различного значения LTE

При расчетах необходимо принимать во внимание факторы, влияющие на амплитуду тока и его спектральный состав. Это:

  • частота и величина питающего напряжения (с учетом допусков);
  • наличие входного фильтра или индуктивности в DC-шине;
  • схема выпрямителя (диодный, тиристорный, смешанный, активный);
  • cos φ нагрузки, диапазон изменения основной частоты;
  • выходная мощность, диапазон ее изменения.

Номинальные значения I100Hz для различных модификаций SEMIKUBE приведены в таблице 2. На рис. 9 показано, как изменяется относительная величина тока If / I100Hz конденсаторов DC-шины в зависимости от час- тоты пульсаций и температуры окружающей среды при заданном значении ожидаемого срока службы (LTE — Lifetime Expectancy). С помощью этих графиков можно определить ресурс банка конденсаторов или выбрать режим его работы при определенной величине LTE.

Таблица 2. Номинальный ток I100Hz конденсаторов DC'шины SEMIKUBE

Тип модуля SEMIKUBE 1/2 SEMIKUBE 1 SEMIKUBE 2 SEMIKUBE 3
I100Hz @ 85 °C, А 56,5 113 226 339

Основным фактором, ограничивающим ресурс полипропиленовых конденсаторов, является максимальное значение тока DC через соединители. Существующие методики расчета срока службы для компонентов данного типа практически всегда дают результат, превышающий 100 000 часов. Графики на рис. 10 показывают, что даже при токе 40 А (на 1 конденсатор) перегрев составляет dT = 15 °С. Таким образом, при температуре окружающего воздуха Ta = 70 °С значение Ths достигает 85 °С, что соответствует LTE > 100 000 часов при напряжении шины VDC = 900 В.



Рис. 10. Перегрев конденсаторов в зависимости от тока. Зависимость срока службы (LTE) от температуры Ths

Ограничения по уровню постоянного тока IDC, протекающего через выводы конденсатора, более строгие. В таблице 3 даны значения IDC для модулей различного типа, рассчитанные с учетом данного фактора.

Таблица 3. Значения IDC для модулей различного типа

Тип модуля SEMIKUBE 1/2 SEMIKUBE 1 SEMIKUBE 2 SEMIKUBE 3
Макс. ток IDC, A 240 360 720 1080

Таблица 4. Выбор типа конденсаторов для модулей различного типа

Тип модуля SEMIKUBE 1/2 SEMIKUBE 1 SEMIKUBE 1/2 SEMIKUBE 1
Тип конденсаторов Полипропиленовые Электролитические
Код 7-8-9* P1N6 P1N9 E1F6 E1F12

Существует рекомендация, соблюдение которой позволяет существенно продлить срок службы электролитических конденсаторов. Общеизвестно, что заряд емкости звена постоянного тока должен производиться ограниченным током: подача полного напряжения может привести к выходу конденсаторов из строя. Кроме того, если срок их хранения (или перерыв в эксплуатации) превышает 1 год, необходимо проводить так называемый реформинг.

Процедура реформинга, состоящая в заряде емкости плавно нарастающим напряжением, позволяет восстановить электрическую прочность диэлектрика. Напряжение на конденсаторы подается постепенно, после каждой «ступеньки» происходит нормализация тока утечки до номинального значения. Напряжение изменяется от 100 В до номинального для данного конденсатора значения Vr с шагом 50 В, период изменения шага — 5 мин. Заряд должен производиться ограниченным током, ограничение может обеспечиваться источником питания или резистором, установленным в цепи заряда.

Для стандартного банка конденсаторов SEMIKUBE, состоящего из последовательного соединения емкостей 4700 мкФ/400 В, величина Vr равна 800 В. В процессе реформинга напряжение поднимается до номинального в течение 300 мин, ток заряда ограничивается на уровне 30 мА (на 1 «куб»). Необходимо отметить, что данная рекомендация не является прихотью разработчиков модуля SEMIKUBE: это стандартное требование производителей электролитических конденсаторов.

В компактную конструкцию силового преобразователя должна входить высокоэффективная система охлаждения. В модулях SEMIKUBE применен самый совершенный на данный момент с точки зрения отдачи тепла на единицу объема радиатор Px308. Для оценки эффективности его работы и определения зон наибольшего перегрева было проведено тепловое моделирование конструкции, состоящей из 8 модулей 62 мм, установленных на поверхность теплостока размером 308g308 мм.



Рис. 11. а) Моделирование распределения тепла по поверхности SEMIKUBE 1;
б) то же при последовательном расположении модулей 62 мм

Полученные результаты, представленные на рис. 11а, и проведенные измерения показали, что реальное тепловое сопротивление Rth (s-a) радиатора Px308 в данной конфигурации ниже справочного значения почти на 35%. Для сравнения на рис. 11б представлены результаты измерения температуры конструктива, содержащего 8 аналогичных модулей. Разница состоит только в типе радиатора (здесь он Р16) и последовательном способе установки силовых ключей. Кроме того, минимальное расстояние между корпусами модулей в SEMIKUBE составляет 20 мм, что, как показывает анализ, существенно улучшает картину распределения тепла в теле радиатора. Обратите внимание на то, что при том же значении рассеиваемой мощности температура наиболее нагретой точки теплоотвода в первом варианте составляет 108 °С (при этом нагрев кристаллов не превышает предельного уровня 155 °С), а во втором — 172 °С. Максимальный градиент температуры по поверхности радиатора во втором случае достигает 130 °С, а для SEMIKUBE — всего 45 °С. Важно отметить, что при этом площадь поверхности радиатора Px308 на 25% меньше, что говорит об очень эффективной работе системы охлаждения SEMIKUBE.

Естественно, что качественный отвод тепла может быть получен только при использовании достаточно мощного вентилятора, способного обеспечить необходимый перепад давления в теплостоке. Рабочую точку на характеристической кривой кулера (рис. 12) нужно выбирать таким образом, чтобы скомпенсировать дополнительные перепады давления, создаваемые воздушными фильтрами, механическими элементами, расположенными в воздушном канале. Вентилятор SKF 16-0 обеспечивает все необходимые характеристики, при этом он имеет очень низкий уровень шума (не более 72 дБ) и не нуждается в замене в течение всего срока службы изделия. Для наиболее энергонагруженных применений и по специальному заказу возможно изготовление модулей SEMIKUBE и с жидкостным охлаждением.



Рис. 12. Характеристические кривые вентиляторов SKF 16

Последним этапом при определении конфигурации блока SEMIKUBE является выбор платы управления затворами, которые доступны в двух исполнениях. Драйвер GD11 способен работать с 3-фазным IGBT-мостом в модификациях SEMIKUBE 1/2 и SEMIKUBE 1. Напомним, что в первом случае в одном плече инвертора использован 1 модуль IGBT, во втором — каждая фаза образована параллельным соединением двух модулей.

Для управления более мощными блоками SEMIKUBE 2 и 3 предназначен полумостовой драйвер GB11, средний выходной ток которого достигает 300 мА, а пиковый — 50 А. Это позволяет работать с параллельным соединением четырех (SEMIKUBE 2) и восьми (SEMIKUBE 3) модулей IGBT в каждой стойке инвертора. Подробная информация о нагрузочных характеристиках плат управления в зависимости от частоты коммутации приведена в их спецификациях.

Система обозначений SEMIKUBE поясняется с помощью примера, приведенного в таблице 5.

Таблица 5. Система обозначений SEMIKUBE

Пример Варианты обозначения, пояснение
1 I Наличие сертификации UL (I — не сертифицировано)
2 GD Топология: GB — полумост, GH — однофазный инвертор, GD — 3—фазный инвертор
3 D6 Конфигурация выпрямителя: Dn — n диодов, Tn — n тиристоров, Hn — n/2 тиристорно—диодных модулей
4 4 Количество параллельно соединенных модулей IGBT
5 428 Характеристики IGBT: 1—я цифра — ток коллектора IC/100; 2—я цифра — класс напряжения (2 – 1200 В, 7 – 1700 В);
3—я цифра — технология IGBT (6 — Trench, 8 — SPT)
6 D3816 Тип выпрямительных модулей
7 Е1 Тип и номинал конденсаторов DC—шины: Е1 — электролитические, 4700 мкФ – 400 В; Е2 — электролитические,
3300 мкФ — 450 В; Е3 — электролитические, другие варианты; Р1 — полипропиленовые, 420 мкФ — 1100 В
8 F Тип охлаждения банка конденсаторов: F — принудительное воздушное; N — естественная конвекция
9 12 Количество конденсаторов в блоке (6, 8, 9, 10, 12)
10 В Тип драйвера: D — GD11, B — GB11
11 L Пороговое напряжение драйвера: L —— низкое, Н — высокое
12 F Тип радиатора: F —— Px308, W — NWK, R — P21
13 A Ориентация АС—терминала модуля: А — по направлению потока воздуха, Х — перпендикулярно потоку воздуха



Рис. 13. Варианты размещения блок

Смысл опции № 13 поясняется на рисунке 13, где показаны возможные варианты размещения блока SEMIKUBE относительно радиатора и, соответственно, потока воздуха. Буква А в обозначении говорит о том, что силовые терминалы модуля расположены по направлению обдува, Х — перпендикулярно ему.

Заключение

Более 45 лет SEMIKRON разрабатывает и производит мощные преобразователи, содержащие силовые полупроводниковые ключи, конденсаторы, драйверы, шины, устройства охлаждения, датчики. За эти годы выпущено более 12 000 подобных изделий, что позволило компании накопить огромный опыт и стать мировым лидером в области производства силовых сборок для конкретного применения по требованиям, определяемым заказчиком. Ярким примером лидерства является, например, тот факт, что в 57% ветрогенераторов, работающих в энергосистемах по всему миру, используются преобразователи, разработанные и изготовленные компанией SEMIKRON. Платформа SEMIKUBE — это первая разработка нового международного подразделения SEMIKRON, объединившего 9 исследовательских лабораторий, расположенных в разных странах. Создание новой дизайнерской сети SEMIKRON позволило сконцентрировать все имеющиеся у компании ресурсы в области проектирования, производства и маркетинга. Философией исследовательской сети является «глобальная работа в рамках локальной задачи». Подробную техническую информацию по всем модификациям блоков SEMIKUBE, а также инструкцию по эксплуатации можно получить в офисе технической поддержки SEMIKRON в Санкт-Петербурге.

Литература

  1. Schreiber D. 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. 2006. № 6.
  4. SEMIKUBE selection guide. Application Note AN-8003. SEMIKRON International GmbH.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2009_1_14.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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