IGBT Gen. 7 в трехуровневых преобразователях. Часть 1

№ 4’2021
PDF версия
Всякий раз, когда качество сигнала и эффективность преобразования являются основными требованиями, предъявляемыми к силовой электронной системе, разработчики обращаются к трехуровневым схемам. Одним из примеров служат конвертеры для возобновляемых источников энергии, где использование последнего, 7-го поколения IGBT [1, 2] в 3L-топологии обеспечивает кардинальное улучшение характеристик.

В 2021 году началось серийное производство модулей IGBT 7-го поколения SEMIKRON на базе кристаллов 650, 950 и 1200 В от двух разных производителей [1, 2]. Новые силовые ключи обладают существенно лучшими характеристиками проводимости по сравнению с предыдущими версиями. Размер чипов уменьшен в среднем на 25%, повышены номинальные токи во всех существующих стандартных типоразмерах модулей, что стало возможным благодаря снижению напряжения насыщения Vce_sat на 20%.

Еще одна важная особенность IGBT 7 — заявленная производителями чипов возможность работы при более высоких температурах без ущерба для надежности (в номинальном режиме до Tj,op = +150 °C, в режиме перегрузки — до Tj,max = +175 °C). Новым здесь является то, что для IGBT 7 допускается кратковременная эксплуатация при температуре +150…+175 °C в течение 1 мин при рабочем цикле до 20%. Таким образом, кратковременная перегрузка инвертора (например, 110%, 60 с) может быть обеспечена без дополнительного запаса по мощности.

Применение модулей 7-го поколения позволяет создавать компактные инверторы с беспрецедентной плотностью мощности. Для использования в трехуровневых инверторах с напряжением DC-шины до 1500 В особенно интересны IGBT 950 В, обладающие оптимальным сочетанием динамических параметров и низкого напряжения насыщения VCE_sat.

 

Трехуровневые инверторы для солнечной энергетики

Наиболее распространенными топологиями 3L-инверторов с напряжением DC-шины 1500 В являются NPC (схема с фиксированной нейтралью) и ANPC (схема с активной фиксированной нейтралью). В отличие от NPC ANPC имеет два дополнительных ключа, что дает большую степень свободы, но требует еще двух драйверов для управления T5 и T6 (рис. 1). Инвертор ANPC имеет несколько вариантов режимов коммутации, два основных показаны на рис. 2:

  • режим переключения ВЧ/НЧ (HF/LF);
  • режим переключения НЧ/ВЧ (LF/HF).

 Топологии 3L-инверторов: NPC и ANPC

Рис. 1. Топологии 3L-инверторов: NPC и ANPC

Режимы коммутации ANPC: HF/LF и LF/HF

Рис. 2. Режимы коммутации ANPC: HF/LF и LF/HF

Отличия состоят в режимах работы входного и выходного каскадов: в режиме LF/HF входной каскад переключается на низкой частоте, в общем случае это частота сети (50/60 Гц), причем выходной каскад коммутируется в килогерцовом диапазоне. В режиме HF/LF все происходит в обратном направлении. Соответственно, различаются и цепи коммутации: токовые контуры и их особенности в пределах фазовой стойки показаны и сопоставлены на рис. 3 и 4.

Контуры коммутации ANPC: LF/HF

Рис. 3. Контуры коммутации ANPC: LF/HF

Контуры коммутации ANPC: HF/LF

Рис. 4. Контуры коммутации ANPC: HF/LF

 

Контуры коммутации ANPC LF/HF

Вход: НЧ-коммутация происходит в пределах половины входного каскада («малый контур»).

Выход: ВЧ-коммутация происходит между входным и выходным каскадами («большой контур»). Для минимизации уровня перенапряжения требуется увеличение сопротивления затвора (рис. 3).

Особенности: для сокращения длинного контура коммутации фазная стойка должна размещаться в одном силовом модуле. Другое решение: фазную стойку можно разделить на два силовых модуля таким образом, чтобы все ключи одного коммутационного контура находились в одном корпусе.

 

Контуры коммутации ANPC HF/LF

Вход: ВЧ-коммутация происходит в пределах половины входного каскада («малый контур»). Возможно использование низкого сопротивления затвора.

Выход: НЧ-коммутация происходит между входной и выходной цепями («большой контур»). Повышение сопротивления затвора для снижения уровня перенапряжения является допустимым, так как частота переключения низкая (рис. 4).

Особенности: фазная стойка может размещаться в одном, двух («разделенная» схема) или трех полумостовых модулях.

Решение о том, какая из топологий (NPC, ANPC HF/LF или ANPC LF/HF) предпочтительна для конкретного приложения, зависит в первую очередь от технологии чипов, диапазона коэффициента мощности и частоты переключения. Например, сочетание IGBT 7/950 В и SiC оптимально для работы на высоких частотах в фотоэлектрических преобразователях (PV) и накопителях энергии (ESS).

 

IGBT 7 (950 В)

SEMIKRON использует чипы 7-го поколения IGBT в различных вариантах топологий схем и корпусов. Доступно два вида кристаллов с блокирующим напряжением 950 В: версия L7, с низкими потерями проводимости (минимальное напряжение насыщения VCE_sat), используется при длительных временах протекания тока и низких частотах переключения, например в режиме LF-топологии ANPC. Версия S7 с низкими коммутационными потерями оптимальна для компонентов, работающих в режиме HF.

Очевидно, что IGBT с блокирующим напряжением 950 В обеспечивают более высокую эффективность преобразования, чем ключи на 1200 В. Как правило, транзисторы с меньшим рабочим напряжением имеют и меньшие коммутационные потери. При этом IGBT с VCE = 950 В могут использоваться в 3L-инверторах с напряжением на шине постоянного тока до 1500 В.

 

«Разделенная» топология ANPC с SiC MOSFET и IGBT 7 (950 В)

На рис. 5 показан модуль в конструктиве SEMITOP E2 с «разделенной» топологией ANPC, характеристики которого оптимизированы для режима переключения LF/HF. Каждая фазная стойка разделена на «верхнюю» и «нижнюю» половины. Компоненты, образующие один контур коммутации, расположены в одном корпусе, что позволяет минимизировать распределенную индуктивность.

«Разделенная» топология ANPC и конструктив SEMITOP E2. Компоненты, образующие контур коммутации, расположены в одном корпусе

Рис. 5. «Разделенная» топология ANPC и конструктив SEMITOP E2. Компоненты, образующие контур коммутации, расположены в одном корпусе

Кристаллы IGBT L7 950 В (с низким напряжением насыщения VCE_sat) используются во входном каскаде LF/HF ANPC, работающем на частоте сети. Выходной каскад состоит из сверхбыстрых SiC MOSFET и диодов SiC Шоттки, способных переключаться с частотой свыше 40 кГц. При номинальном токе 200 A такая комбинация чипов обеспечивает выходную мощность до 200 кВт с эффективностью более 99%. Это позволяет разместить весь преобразователь на печатной плате и обойтись без параллельного соединения силовых ключей.

Еще один модуль SEMIKRON, созданный с применением новой технологии, — MiniSKiiP 3 MLI (рис. 6) с номинальным током 400 А, выполненный по схеме 3L NPC. Как и в случае с SEMITOP E2, кристаллы IGBT L7 (950 В) с низким напряжением насыщения VCE_sat использованы в «медленных» ключах, а высокоскоростные IGBT S7 — в «быстрых».

Фазная стойка NPC в модуле 400 A MiniSKiiP MLI

Рис. 6. Фазная стойка NPC в модуле 400 A MiniSKiiP MLI

 

Сравнение топологий NPC и ANPC

Фотоэлектрические преобразователи, как правило, работают при коэффициентах мощности (cos φ) 0,8–1,0. Это означает, что поток энергии в них проходит в одном направлении (от солнечных панелей через инвертор к сети). В преобразователях с топологией NPC внешние ключи T1 и T4 (S7 IGBT), коммутируемые на более высоких частотах, генерируют преимущественно потери переключения, а внутренние T2 и T3 (L7 IGBT) — потери проводимости.

Для приложений с двунаправленным потоком энергии, таких как системы хранения энергии (ESS), требуются чипы, оптимизированные для всего диапазона коэффициентов мощности. Во время зарядки аккумулятора энергия поступает от сети к инвертору (PF = –1), при разряде батареи энергия идет от инвертора к сети (PF = 1). В отличие от NPC в топологии ANPC путь коммутации тока не изменяется, поэтому инверторы ANPC могут обслуживать весь диапазон коэффициентов мощности. Для реализации схемы ANPC SEMIKRON предлагает модули MiniSKiiP 3 с номинальным током 400 A.

На рис. 7 сравнивается эффективность топологий NPC и HF/LF ANPC, оптимизированных для применения в фотоэлектрических системах, в зависимости от коэффициента мощности. При PF = 1 схема NPC имеет такой же КПД, что и ANPC-HF/LF, поскольку в этом случае контуры коммутации и положение активных чипов идентичны. Как только PF становится меньше 1, эффективность NPC падает из-за роста динамических потерь на «внутренних» ключах T2/T3. Топология ANPC-HF/LF демонстрирует самые высокие показатели КПД при любых cos φ, но для этого приходится использовать два дополнительных IGBT и драйверы. Поэтому, если принять во внимание диапазон коэффициентов мощности 0,8–1, а также более простое управление, инвертор NPC в фотоэлектрических системах может быть хорошей альтернативой ANPC-HF/LF.

Зависимость КПД от коэффициента мощности в схемах NPC и ANPC HF/LF

Рис. 7. Зависимость КПД от коэффициента мощности в схемах NPC и ANPC HF/LF

Оба варианта схем обеспечивают мощность до 200 кВт при использовании только кремниевых ключей или до 250 кВт в гибридной версии с диодами SiC Шоттки (элементы D5/D6 в топологии NPC). Для увеличения выходной мощности силовые модули могут соединяться в параллель, что позволяет в режиме интерливинга (чередования фаз) получить эквивалентную рабочую частоту свыше 30 кГц без дорогостоящих SiC-транзисторов.

 

Трехуровневая топология в системах высокой мощности

Трехуровневые схемы имеют явные преимущества и в преобразователях высокой мощности (от 500 кВт до единиц МВт), используемых в ветряных и солнечных электростанциях. С одной стороны, эффективность значительно повышается за счет применения новейших чипов IGBT Gen. 7 с малым прямым напряжением. В ветроэнергетической установке это позволяет снизить потери в полупроводниках примерно на 38%. С другой стороны, применение трехуровневых инверторов позволяет работать в полном диапазоне напряжений, указанных в «Низковольтной директиве» (Low Voltage Directive), распространяющейся на устройства с рабочим напряжением до 1000 В (АС) и 1500 В (DC). Это предоставляет возможность улучшить экономические показатели системы, поскольку уменьшение тока позволяет снизить потери в силовых кабелях до 40% или перейти на более дешевые кабели меньшего сечения.

В подобных применениях требуются ключи 12-го класса для обеспечения запаса по коммутационному напряжению. Появление в 2017 году трехуровневых модулей SEMITRANS 10 MLI (1200 A) позволяет создавать мощные компактные инверторы с низкой распределенной индуктивностью, а использование чипов IGBT Gen. 7 повысило номинальный ток SEMITRANS 10 MLI до 1400 A. Благодаря оптимизированным фиксирующим диодам эти модули могут использоваться в полном диапазоне коэффициентов мощности –1…+1. Это необходимо, например, в ветроэнергетике, где инвертор генератора всегда работает с отрицательным cos φ.

 

Конструкции NPC-инверторов для применений высокой мощности

Существуют различные варианты реализации трехуровневых схем. Очевидно, что для разработки NPC-инверторов удобнее всего использовать специализированные модули MLI, однако такие устройства можно создавать и на основе стандартных полумостовых модулей. На примере системы мощностью 1 МВт рассмотрим основные преимущества и недостатки различных решений (рис. 9).

Сравнение реализаций NPC-инвертора: SEMITRANS 10 MLI (специализированный), SEMiX 3 (полумост, стандартный), SEMITRANS 10 (полумост, стандартный)

Рис. 9. Сравнение реализаций NPC-инвертора: SEMITRANS 10 MLI (специализированный), SEMiX 3 (полумост, стандартный), SEMITRANS 10 (полумост, стандартный)

SEMITRANS 10 MLI (специализированный, два модуля на фазную стойку)

Это единственный вариант построения топологии NPC с помощью всего двух модулей, обеспечивающий максимальную плотность мощности. Для управления IGBT здесь требуется соответственно только две платы драйверов, конструкция трехслойной DC-шины при этом также заметно упрощается. Еще одно преимущество заключается в возможности использования инвертора при коэффициентах мощности ниже 1. Поскольку контур коммутации распределен между двумя модулями с паразитной индуктивностью LS около 60 нГн, данная концепция позволяет повысить скорость переключения. Снижение распределенной индуктивности обеспечивается благодаря перекрытию ламинированных АС- и DC-слоев силовой шины. Еще одно преимущество такого решения — распределение тока по АС-терминалам обоих модулей в фазной стойке, что значительно снижает тепловую нагрузку на них.

Для управления модулями SEMITRANS 10 MLI разработан адаптер, названный SEMITRANS 10 MLI Driver Board (рис. 8). Он предназначен для использования в составе 3L NPC-инвертора с «разделенной» схемой при напряжении DC-шины до 1500 В на частоте до 30 кГц. На плате управления установлено два стандартных драйвера SKYPER42 LJ, один контролирует ключи «верхней» части фазной стойки (Т1 и Т4), другой — «нижней» (T3 и T4). Схема защиты анализирует напряжение насыщения всех четырех IGBT и сигналы с встроенных в модули термодатчиков. Выход из насыщения приводит к мгновенному отключению соответствующего IGBT и формированию сигнала ошибки, блокирующего остальные транзисторы. Наличие цепи активного ограничения позволяет безопасно выключать IGBT в любой момент времени без использования специальных алгоритмов отключения.

Плата адаптера SEMITRANS 10 MLI Driver Board с модулями SEMITRANS 10 MLI

Рис. 8. Плата адаптера SEMITRANS 10 MLI Driver Board с модулями SEMITRANS 10 MLI

SEMiX 3 Press-Fit (полумост, шесть модулей на фазную стойку)

Такую же мощность, как и в предыдущем случае, можно получить, построив 3L-инвертор на основе шести стандартных полумостовых модулей SEMiX 3 (1200 В/600 A). Очевидно, что при этом требуется гораздо большее количество не только силовых ключей, но и драйверов затворов. Физическая реализация устройства с применением обычных полумостов исключает возможность изготовления планарной шины с перекрытием DC- и АС-слоев, что не позволяет минимизировать паразитную индуктивность силовых цепей. Это негативно влияет на работу в генераторном режиме и создает достаточно высокое значение LS (более 200 нГн) при коммутации трех модулей с отрицательным cos φ. В таких приложениях, как ветроэнергетика или ESS, использование подобного решения означает, что для надежной работы системы требуется высокий запас по выходной мощности. Кроме того, при параллельном соединении модулей может потребоваться их отбор по параметрам или применение АС-дросселей для балансировки токов.

SEMITRANS 10 GB (полумост, три модуля на фазную стойку)

Как и в предыдущем случае, трехуровневая схема NPC может быть спроектирована с использованием стандартных полумостовых модулей SEMITRANS 10. В этом случае также коммутируются три модуля, но расположение DC- и AC-выводов позволяет спроектировать планарную шину с перекрывающимися слоями. Результирующая распределенная индуктивность составляет около 100 нГн для «длинной» цепи коммутации.

В дополнение к инверторам NPC, показанным выше, стандартные полумостовые модули могут использоваться и в топологии HF/LF ANPC. Как упоминалось ранаее, преимущество этой схемы состоит в независимости пути коммутации от коэффициента мощности. В версии HF/LF быстрая коммутация происходит внутри одного модуля, что дает низкую индуктивность цепи коммутации — всего 24 нГн для конструктива SEMITRANS 10. Недостатком такого решения является потребность в большем монтажном пространстве для размещения трех модулей по сравнению с двумя SEMITRANS 10 MLI, а также большая сложность схемы управления затворами и подключения DC-шины.

 

Заключение

Разработка технологии IGBT 7 позволила заметно снизить уровень потерь силовых ключей и, соответственно, повысить КПД преобразования, что эквивалентно снижению габаритов без ущерба для эффективности и надежности. Возможность работы при более высокой температуре кристаллов обеспечивает дополнительное увеличение плотности мощности в кратковременных режимах. Прежде всего, это нужно для применений с четко определенным профилем перегрузки, в частности транспортных приводов. Для таких систем очень полезна и повышенная стойкость нового поколения чипов к воздействию влаги. Характеристики переключения и dvCE/dt модулей IGBT 7 хорошо контролируются цепью управления затвором. Новые ключи отличаются повышенной стойкостью к перегрузке — во многих случаях ток КЗ может быть блокирован через номинальный резистор затвора без использования цепи «мягкого» отключения (STO, SSD).

Выпуск модулей IGBT 7-го поколения обеспечил дальнейшее повышение плотности мощности силовых преобразователей во всех топологиях, включая трехуровневые. Это относится как к маломощным устройствам, размещаемым на печатных платах, в которых используются IGBT 7 с рабочим напряжением 600–950 В, так и к приложениям высокой мощности, для которых нужны ключи на 1200 В. Поскольку все 3L-топологии имеют свои преимущества и недостатки, выбор соответствующих чипов должен быть сделан с учетом конкретной схемы и рабочих режимов.

Для применений мегаваттного диапазона оптимальную производительность и минимальные системные затраты обеспечивает решение на основе специализированных модулей SEMITRANS 10 MLI, что позволяет успешно применять их в преобразователях для ветряной и солнечной энергетики. Сборка инвертора SEMIKUBE MLI мощностью 1,2 МВт с напряжением на DC-шине до 1500 В показана на рис. 10.

Готовая сборка 3L NPC-инвертора на базе модулей SEMITRANS 10 MLI

Рис. 10. Готовая сборка 3L NPC-инвертора на базе модулей SEMITRANS 10 MLI

Продолжение следует…

Литература
  1. Материалы сайта semikron.com
  2. Колпаков А. IGBT Gen.7 — революционная эволюция // Силовая электроника. 2020. № 1.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *