IGBT силовые модули производства ОАО «Электровыпрямитель»

№ 2’2006
PDF версия
Среди широкого ряда изделий силовой электроники, которые выпускает сегодня ОАО «Электровыпрямитель», заметное место занимают силовые модули IGBT. В этом году исполняется 10 лет с тех пор, как предприятие изготовило и поставило потребителям первые образцы этих популярных во всем мире приборов силовой электроники.

 

Владимир Аксенов
Алексей Бормотов
Валентин Мартыненко
Вячеслав Мускатиньев
Владимир Чибиркин

 

 

 

Введение

В первую очередь, следует отметить помощь, которую оказали нашему предприятию в развитии производства IGBT силовых модулей немецкие фирмы EUPEC и Infineon Technologies, а также представляющая их на российском рынке компания «Интех Электроникс».

Благодаря сотрудничеству с этими фирмами мы получили доступ к высоким технологиям в области силовой IGBT электроники и возможность производить эти уникальные приборы для российских потребителей.

Успешному освоению этих изделий способствовал многолетний опыт ОАО «Электровыпрямитель» в области силовой полупроводниковой техники, высококвалифицированный персонал, работающий в отделе новых разработок и в полупроводниковом производстве, действующая на заводе международная система менеджмента качества DIN EN ISO 9001:2000 (TÜV CERT).

В ОАО «Электровыпрямитель» разработаны и внедрены в производство IGBT силовые модули на токи от 25 до 3600 А и напряжение 600, 1200, 1700, 2500, 3300 и 6500 В, выполненные по схемам одиночных ключей, чопперов, полумостов и трехфазных инверторов (см. рисунок). Данная серия модулей реализована в десяти конструктивных исполнениях и включает в себя более 200 типов приборов. Они соответствуют требованиям международных стандартов и полностью взаимозаменяемы с зарубежными аналогами, представленными на российском рынке. В таблице (часть 1, часть2, часть 3)представлены основные типы выпускаемых ОАО «Электровыпрямитель» IGBT силовых модулей и их прямые аналоги от известных фирм.

Области применения

Выпускаемые ОАО «Электровыпрямитель» IGBT предназначены для работы в энергосберегающих преобразователях частоты широкого применения в диапазоне коммутируемых мощностей от 0,5 кВт до 10 МВт.

Десятки тысяч силовых модулей IGBT производства ОАО «Электровыпрямитель» работают в различном оборудовании на предприятиях заказчиков. С помощью этих модулей решены многочисленные задачи в промышленности, транспорте, связи.

Наши модули используются в современном медицинском оборудовании, высоковольтных источниках питания и модуляторах напряжения, источниках бесперебойного электроснабжения, электросварочном оборудовании, установках индукционного нагрева, различных видах систем автоматизированного управления. Модули применяются также в источниках питания лазерных установок, рентгеновском оборудовании, устройствах, имитирующих работу двигателей, испытательном оборудовании и др.

Постоянными заказчиками модулей являются свыше 200 предприятий в России и странах СНГ.

IGBT модули нашли широкое применение в энергосберегающих преобразователях частоты для низковольтных асинхронных электроприводов [1].

Преобразователи частоты на основе IGBT широко используются в промышленности (компрессоры, центрифуги, транспортеры, краны, металлообрабатывающие станки, экскаваторы), в нефтегазодобывающих отраслях (плунжерные насосы, вентиляторы, буровое оборудование), в коммунальном хозяйстве (насосы станций теплоснабжения, водоснабжения и очистных сооружений), в железнодорожном транспорте (тяговые электроприводы для электровозов и тепловозов, бортовое питание локомотивов, системы электроснабжения вагонов) и др.

В ОАО «Электровыпрямитель» разработаны и освоены в производстве IGBT модули транспортного исполнения, предназначенные для преобразовательного электрооборудования подвижного состава российских железных дорог. Модули этой серии созданы для применения в условиях жестких климатических и механических воздействий, в которых эксплуатируется российский транспорт.

По заказу ОАО «Российские железные дороги» разработаны новые IGBT модули с напряжением изоляции 13 кВ. В конструкции этих приборов реализованы схемы одиночных ключей, полумостов и чоп-перов. Они используются в высоковольтных блоках многоканальных преобразователей частоты собственного изготовления для бортового питания магистральных электровозов постоянного тока и электропоездов [2]. При создании этих приборов разработаны и запатентованы оригинальные технические решения, которые позволяют выпускать IGBT-модули в стандартных конструкциях с напряжением изоляции до 20 кВ, что значительно превышает мировой уровень (по имеющимся у нас данным, эффективное значение напряжения изоляции, достигнутое зарубежными производителями IGBT модулей, не превышает 10,5 кВ).

Создание подобных силовых модулей решает проблему преобразования напряжения контактной сети 3000 В в стабильное напряжение бортового питания электровозов независимо от всех возможных колебаний и перенапряжений в тяговых сетях. Эта разработка открывает большие возможности для внедрения на отечественном электротранспорте современного, компактного и надежного электрооборудования.

ОАО «Электровыпрямитель» приступило к выпуску высоковольтных преобразователей частоты (ВПЧА) на основе IGBT с выходной мощностью от 500 до 2000 кВт для электроприводов асинхронных двигателей с напряжениями 6,0 и 10,0 кВ [3]. Преобразователи рассчитаны на сравнительно небольшие выходные токи и поэтому не требуют применения высокомощных IGBT. Кроме того, в ШИМ-инверторе этих преобразователей необходимо последовательное соединение нескольких транзисторно-диодных модулей.

Эти особенности новых преобразователей определили необходимость применения специальных полупроводниковых ключей, оптимизированных к силовым схемам ВПЧА. Для них в ОАО «Электровыпрямитель» были выпущены высоковольтные IGBT / SFRD силовые модули на токи от 100 до 400 А и напряжение 3300 В, полностью учитывающие режимы работы ВПЧА.

Достоинством модулей является, во-первых, оптимальное сочетание важнейших параметров приборов (высокое рабочее напряжение, низкие напряжения насыщения, низкие энергии потерь при включении и выключении). При этом приборы имеют очень узкий разброс статических и динамических параметров, что обеспечивает надежную работу последовательно соединенных сборок IGBT в высоковольтных плечах инвертора. Приборы разработаны в стандартных корпусах, имеют низкую себестоимость изготовления и сравнительно низкие цены.

Производство

На предприятии был построен и введен в эксплуатацию специализированный цех по производству современных IGBT, включая приборы последних поколений. Неразрывно связанные процесс разработки IGBT модулей и быстро перестраиваемая гибкая производственная линия позволяют не только выпускать широкую номенклатуру серийных IGBT, но и оперативно изготавливать нестандартные модули по техническим требованиям потребителей. Данные модули производятся в типовых конструктивных исполнениях и могут быть изготовлены с различным сочетанием параметров элементов по разным схемам и расположению силовых и управляющих выводов.

В компании постоянно совершенствуется технологический процесс и конструкция модулей. Эта работа постоянно производится на основе анализа результатов надежностных испытаний, в том числе в циклических режимах, а также на основе опыта эксплуатации и обратной связи с потребителями.

Специалистами ОАО «Электровыпрямитель» разработан ряд новых технологических процессов, обеспечивающих требуемые параметры IGBT модулей. Проведена большая работа по оптимизации конструкции и параметров модулей, разработана технология изготовления этих приборов, включая полное техническое оснащение и подготовку производства. Разработана и внедрена система управления процессами изготовления силовых модулей на основе электрических, тепловых, механических, инфракрасных и рентгеновских методов межоперационного контроля. В производстве IGBT модулей задействовано современное технологическое и контрольно-измерительное оборудование ведущих в этой области зарубежных фирм, таких как Centrotherm, Orthodyne Electronics, Feinfocus, LEMSYS и др.

Техническая поддержка

На весь номенклатурный ряд IGBT силовых модулей разработан полный комплект информационных материалов, рекомендаций по монтажу и эксплуатации, в том числе методы расчета предельных нагрузочных параметров при заданных режимах работы у потребителей. Специалисты службы технической поддержки постоянно оказывают полноценную помощь по всем вопросам, связанным с эксплуатацией IGBT.

В модулях используются элементы IGBT и SFRD новейших поколений (NPT, SPT, Trench Gate). Принятие решения по выбору этих элементов в модулях может производиться индивидуально для каждого конкретного заказа — в зависимости от требований к прибору, предъявляемых потребителем, и с учетом режима, в котором он будет эксплуатироваться.

Мы готовы не только рассчитать режим работы модулей и сделать рекомендации по выбору оптимального типа прибора, но и оказать помощь в выборе драйверов управления, диодных и тиристорных модулей для входных и выходных выпрямителей, подобрать и изготовить высокоэффективные жидкостные или воздушные системы охлаждения. В настоящее время начались поставки заказных силовых блоков на основе IGBT силовых модулей — перспективного направления в развитии продукции на основе IGBT.

Литература

  1. Клоков А., Юнович В. и др. Энергосберегающие преобразователи частоты для низковольтных асинхронных электроприводов производства ОАО «Электровыпрямитель» // Силовая электроника. 2005. № 2.
  2. Суслов В., Живечков А., Арискин О., Шестоперов Г. Новые разработки статических преобразователей для электровозов переменного и постоянного тока // Компоненты и технологии. 2005. № 3.
  3. Чибиркин В., Минаев Г., Мустафа Г. и др. Преобразователи частоты производства ОАО «Электровыпрямитель» для высоковольтного асинхронного электропривода переменного тока // Силовая электроника. 2005. № 1.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *