Новый модуль Infineon с IGBT 7 — высокая производительность при высочайшей плотности мощности

№ 6’2019
PDF версия
В статье обсуждаются технические аспекты нового модуля EconoDUAL 3 с транзисторами средней мощности TRENCHSTOP IGBT 7 и соответствующего ему управляемого эмиттером диода EC7 для применения в индустриальных приводах общего назначения.

Разработка силовых полупроводниковых компонентов нового поколения всегда в первую очередь направлена на увеличение плотности тока с целью снижения системных затрат для производителей инверторов. Но при этом, чтобы облегчить модернизацию уже существующих инверторных систем, крайне важно внедрить новую технологию в заданный форм-фактор его размещения. Такой подход приводит к быстрому проникновению на рынок. Характеристики переключения улучшенных IGBT и диодов должны соответствовать характеристикам выбранного модуля. Это верно, особенно в отношении переходных процессов, поскольку ток нового модуля выше, а возможности уменьшения паразитной индуктивности модуля ограниченны. В то же время значимым фактором, позволяющим справляться с более высокими токами и температурами, является улучшение корпусирования. Для пользователя нового устройства преимущества очевидны: более высокий выходной ток инвертора для того же размера и отсутствие необходимости параллельного подключения IGBT-модулей. Выполнение обоих этих условий приводит к упрощению инверторных систем и снижению затрат.

 

Целевая область применения новых модулей

Одно из целевых приложений для нового поколения IGBT 7 — их использование в индустриальных приводах общего назначения (далее — приводах), работающих в диапазоне мощностей не менее 90 кВт. Для того чтобы понять, какие преимущества по сравнению с предшествующей технологией IGBT 4 дает предлагаемое улучшение, следует принять во внимание типичные требования данного приложения.

Обычно частоты переключения для приводов в диапазоне мощности, превышающей 90 кВт, находятся в пределах 2–2,5 кГц [1, 2]. Здесь большинство производителей инверторов использует передовые методы модуляции, такие как прерывистая широтно-импульсная модуляция (discontinuous pulse width modulation, DPWM) [3], что приводит к снижению потерь на переключение вдвое по сравнению с традиционной непрерывной модуляцией [4]. Для IGBT 7 и последующей оценки новой технологии выбрана частота переключения 1 и 2,5 кГц, обе в качестве непрерывной ШИМ. Таким образом, результаты действительны для более высоких частот переключения с использованием прерывистой ШИМ.

Кроме того, характерной чертой этой области применения является использование теплоотвода из экструдированного алюминия с воздушным охлаждением при максимальной температуре окружающей среды +40 °C.

Номинальный ток инвертора привода рассчитан с учетом импульсов перегрузки в нормальном и сверхмощном режимах при различных уровнях тока. Поэтому максимально допустимая рабочая температура IGBT также должна учитывать и этот тип его использования.

Наконец, еще один важный момент — максимальная крутизна скорости нарастания напряжения du/dt10–90% во время включения и выключения IGBT обычно ограничивается максимум 5 кВ/мкс, что связано с износом обмоток двигателя и коррозией приводного вала [5], а также с выполнением требований по электромагнитной совместимости (ЭМС).

Моделирование с применением всех вышеупомянутых параметров приложения реализовано с помощью силового модуля FF60012ME4_B72, а его результаты показаны на рис. 1.

Распределение потерь в модуле FF600R12ME4_B72 при токе 350 А и типичные условия привода для этого класса мощности

Рис. 1. Распределение потерь в модуле FF600R12ME4_B72 при токе 350 А и типичные условия привода для этого класса мощности

Становится очевидным, что потери проводимости IGBT и диода преобладают над динамическими потерями. При частоте 1 кГц эти потери составляют 83%, а при 2,5 кГц — 65% от всех потерь полупровод­никовых приборов. Вместе с тем фактом, что скорость изменения напряжения при включении и выключении ключа для приложений, связанных с электродвигателем, не может быть увеличена выше 5 кВ/мкс, это приводит к выводу, что основным полем для оптимизации устройства является снижение статических потерь, то есть потерь проводимости.

Далее будут представлены детали усовершенствования технологии новых модулей, основанные на сделанных выше выводах.

 

Технология средней мощности: TRENCHSTOP IGBT 7 с рабочим напряжением 1200 В

Основы

Ранее представленная технология TRENCHSTOP IGBT 7, рассчитанная на рабочее напряжение 1200 В, была оптимизирована для продуктов с номинальным током до 200 А [6]. Эта статья посвящена новым транзисторам технологии TRENCHSTOP IGBT 7 средней мощности. Данный чип был специально оптимизирован для модулей EconoDUAL 3 с номинальными токами до 900 А, что означает увеличение тока на 50% по сравнению с предыдущей, лучшей в своем классе моделью EconoDUAL 3 FF600R12ME4_B72 на рабочий ток 600 А. Для этого были оптимизированы технологические процессы формирования толщины и обработки структуры со стороны подложки для получения прибора с плавным переключением, уменьшенными потерями на проводимость и аналогичными динамическими потерями по сравнению с IGBT 4, при сохранении достаточной прочности при коротком замыкании. Это стало возможным благодаря структуре ячейки с канавками (пазами — Trench) с уменьшенным шагом и малой величиной зазора между ними (micro-pattern trench, MPT), представленной на рис. 2.

Схема IGBT с вертикальной структурой, малой величиной зазора между ячейками, активным каналом в центре и буферным слоем, блокирующим электрическое поле [6]

Рис. 2. Схема IGBT с вертикальной структурой, малой величиной зазора между ячейками, активным каналом в центре и буферным слоем, блокирующим электрическое поле [6]

Используя узкие параллельные канавки, разделенные субмикронными мезаструктурами с активными затворами, затворами с неактивными мезаструктурами и эмиттерами, IGBT этого типа позволяют оптимизировать схему контактов, одновременно достигая при этом быстрого удаления носителей во время выключения и уменьшения падения напряжения в области дрейфа [7].

Статические потери

Соответствующие нормированные выходные характеристики транзисторов IGBT 7 с малой величиной зазора между ячейками и IGBT 4 традиционной технологии представлены на рис. 3. Характеристики приведены для комнатной температуры, +125, +150 °C и для TRENCHSTOP IGBT 7 дополнительно при +175 °C.

Нормализованные выходные характеристики TRENCHSTOP IGBT 4 средней мощности с рабочим напряжением 1200 В в сравнении с 1200 В TRENCHSTOP IGBT 7, измеренные при напряжении на затворе Vge = 15 В

Рис. 3. Нормализованные выходные характеристики TRENCHSTOP IGBT 4 средней мощности с рабочим напряжением 1200 В в сравнении с 1200 В TRENCHSTOP IGBT 7, измеренные при напряжении на затворе Vge = 15 В

При сравнении обеих технологий IGBT при номинальном токе наблюдается снижение напряжения насыщения Vce,sat на 350 мВ — с 2,05 до 1,7 В, что демонстрирует улучшение характеристик у оптимизированного транзистора.

Управляемость по скорости нарастания напряжения du/dt10–90%

Помимо статических характеристик силовых модулей IGBT, важную роль для общей производительности играют динамические характеристики. Особое значение это имеет для таких применений, как приводы, где скорость нарастания напряжения обычно ограничена уровнем 5 кВ/мкс. Как уже упоминалось в начале статьи, для достижения необходимой управляемости du/dt10–90% наличие внешнего резистора в цепи затвора (Rg,ext) является обязательным условием при выборе драйвера. Как правило, во время включения такой параметр, как скорость изменения напряжения du/dt10–90%, показывает свои самые высокие значения при низких температурах, например +25°C, и низких токах, например 10% от номинального (Inom). Во время выключения самая высокая скорость изменения напряжения наблюдается при высоких токах, в частности при полном номинальном. На рис. 4 представлены значения du/dt10–90% во время включения и выключения при указанных условиях для транзисторов TRENCHSTOP IGBT 4 и IGBT 7.

Скорость изменения напряжения du/dt10–90% относительно Rg,ext во время включения и выключения для TRENCHSTOP IGBT 4 и IGBT 7 в EconoDUAL 3 FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11 соответственно

Рис. 4. Скорость изменения напряжения du/dt10–90% относительно Rg,ext во время включения и выключения для TRENCHSTOP IGBT 4 и IGBT 7 в EconoDUAL 3 FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11 соответственно

В дополнение к хорошей управляемости по du/dt10–90% от сопротивления внешнего резистора в цепи затвора, в частности, для седьмого поколения чипов в отличие от IGBT 4 была улучшена и управляемость по du/dt10–90% во время выключения.

Перенапряжение и характеристики выключения

Значительное снижение статических потерь и увеличение максимальной рабочей температуры IGBT Tvj,op от +150 °C (IGBT 4) до +175 °C (IGBT 7) позволяет повысить уровень коммутируемого тока на устройство, что, в свою очередь, приводит к повышенным скоростям изменения тока di/dt. Чтобы поддерживать ту же скорость переключения при более высоком токе, должна быть уменьшена общая паразитная индуктивность Ls. Это требование может быть обобщено с помощью простого ограничения Ls×I = константа [8].Особенно сильное негативное влияние паразитная индуктивность оказывает на систему силового преобразователя мощности при выключении IGBT.

Перенапряжение, возникающее на переходе коллектор-эмиттер в IGBT, описывается стандартным уравнением DU = Ls×di/dt, которое показывает, что оно прямо пропорционально паразитной индуктивности и скорости изменения тока. Форма тока также зависит от напряжения, приложенного между коллектором и эмиттером. Более высокое напряжение, подаваемое на IGBT во время отключения, приводит к более раннему снятию зарядов, и ток в хвостовой части исчезает [8]. Это означает, что паразитная индуктивность, которая вызывает перенапряжение, ускоряет падение тока, и это, в свою очередь, снова увеличивает перенапряжение.

Кроме того, высокие значения di/dt и Ls могут привести к колебаниям (переходному процессу), которые вызывают электромагнитные помехи (ЭМП). Это следствие возбуждения резонансного контура, состоящего из паразитной индуктивности в коммутационной петле и выходной емкости транзистора.

Система может иметь такой уровень паразитной индуктивности, который приведет к тому, что напряжение на транзисторе превысит напряжение пробоя чипа и, следовательно, произойдет сбой в работе модуля. Наихудшими условиями работы, которые вызывают чрезмерное перенапряжение, является переключение при низких температурах полупроводникового перехода из-за более быстрого переключения чипа, высоких уровней шины постоянного тока (DC-Link) или при коротком замыкании и сильноточной перегрузке. Существует несколько методов, обычно применяемых для уменьшения вероятности возникновения перенапряжения, — например, оптимизация значения затворного резистора, добавление демпфирующих конденсаторов, цепей с активным клампером или использование пониженной скорости переключения. Однако эти методы имеют ограничения. Снабберные конденсаторы дороги и могут создавать дополнительные колебания тока к основной конденсаторной батарее и от нее, а активные кламперы имеют большие размеры.

Из-за необходимости увеличения номинального рабочего тока EconoDUAL 3–900 А паразитная индуктивность корпуса модуля не может быть существенно изменена. Поэтому поведение IGBT в режиме выключения должно было быть так или иначе адаптировано. В результате для TRENCHSTOP IGBT 7 был найден вариант, обеспечивающий возможность отключать нагрузку током 900 A с максимальным перенапряжением Vce, аналогичным тому, что мы имеем для IGBT 4 при отключении 600 A. Причем, что необходимо заметить, при практически идентичной скорости изменения тока di/dt, как и проиллюстрировано на рис. 5.

Максимальное перенапряжение Vce,max при отключении нагрузки с током 900 A для TRENCHSTOP IGBT 7 и нагрузки 600 A для IGBT 4 в зависимости от сопротивления внешнего резистора в цепи затвора Rg,off

Рис. 5. Максимальное перенапряжение Vce,max при отключении нагрузки с током 900 A для TRENCHSTOP IGBT 7 и нагрузки 600 A для IGBT 4 в зависимости от сопротивления внешнего резистора в цепи затвора Rg,off

В этом же контексте на рис. 6 показаны временные диаграммы выключения при номинальном токе при температуре +25 °C для FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11 при внешних сопротивлениях в цепи затвора Rg,off = 6,8 Ом для модуля с рабочим током 600 А и Rg,off = 2,4 Ом для модуля с рабочим током 900 A, где имело место наибольшее значение di/dt и, следовательно, наибольшее значение Vce,max.

Временные диаграммы выключения для FF600R12ME4_B72 при сопротивлениях в цепи затвора Rg,off = 6,8 Ом и для FF900R12ME7_B11 при сопротивлениях в цепи затвора Rg,off = 2,4 Ом, где имело место наибольшее значение di/dt и, следовательно, наибольшее значение Vce,max

Рис. 6. Временные диаграммы выключения для FF600R12ME4_B72 при сопротивлениях в цепи затвора Rg,off = 6,8 Ом и для FF900R12ME7_B11 при сопротивлениях в цепи затвора Rg,off = 2,4 Ом, где имело место наибольшее значение di/dt и, следовательно, наибольшее значение Vce,max

Как можно видеть, для TRENCHSTOP IGBT 7 поведение, аналогичное тому, что можно было видеть при переключении, наблюдается и при выключении, хотя его номинальный ток увеличен на 50%.

Динамические характеристики при переключении

Соответствующие потери при выключении (Eoff) IGBT 4 по сравнению с IGBT 7 представлены на рис. 7 как функция тока коллектора Ic при различных температурах.

Потери на выключение Eoff для FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11 в зависимости от тока коллектора Ic

Рис. 7. Потери на выключение Eoff для FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11 в зависимости от тока коллектора Ic

Фактически снижение напряжения насыщения и заданная мягкость переключения транзисторов IGBT 7 приводят к более высоким потерям на отключение при аналогичных токах коллектора. Следовательно, увеличение Eoff на 15–20% является очевидным фактом для FF900R12ME7_B11 по сравнению с FF600R12ME4_B72. Выбранные внешние сопротивления затвора совпадают со значениями, приведенными в спецификации (data sheet), которые были выбраны таким образом, чтобы при +25 °C обеспечить для IGBT и диода переключение без переходных процессов с генерацией колебаний. Более того, при этих значениях сопротивления затвора для включения и выключения для FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11 имеют место довольно похожие значения du/dt (рис. 3).

В отличие от Eoff потери при включении (Eon) модуля IGBT 7 с рабочим током 900 А ниже, чем потери при включении аналогичного тока коллектора на модуле IGBT 4, рассчитанного на 600 А. Потери для обеих технологий транзисторов представлены на рис. 8.

Потери при включении Eon FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11 в зависимости от тока коллектора Ic. На вставке показана зависимость общих потерь — Etot как сумма Eon и Eoff

Рис. 8. Потери при включении Eon FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11 в зависимости от тока коллектора Ic. На вставке показана зависимость общих потерь — Etot как сумма Eon и Eoff

В результате, как можно видеть из приведенных результатов, общие потери IGBT (Etot), которые являются суммой Eon и Eoff, остаются почти одинаковыми (вставка на рис. 8). Особенно ниже тока 600 А, где оба модуля демонстрируют одинаковые потери. В завершение на рис. 9 показаны типичные временные диаграммы включения FF900R12ME7_B11 при токе коллектора 900 А для температур +25 и +175 °С.

Временные диаграммы включения для EconoDUAL 3 и FF900R12ME7_B11 при +25 и +175 °C

Рис. 9. Временные диаграммы включения для EconoDUAL 3 и FF900R12ME7_B11 при +25 и +175 °C

Как и ожидалось, повышение температуры приводит к уменьшению крутизны тока di/dt и, следовательно, к уменьшению напряжения, вызванного влиянием паразитной индуктивности. Кроме того, увеличение заряда восстановления диода с более высокой температурой видно по увеличенному пику обратного восстановления. Более подробная информация о диодах транзисторов этой серии представлена в следующем разделе.

Концепция ячейки IGBT 7 обеспечивает достаточную способность к короткому замыканию для стандартных применений приводов, то есть возможна длительность импульса короткого замыкания более 8 мкс при температуре +150 °C, при этом они выдерживают режим короткого замыкания не менее 6 мкс при +175 °C.

 

Управляемые эмиттером (emitter-controlled 7) диоды — технология диода средней мощности с рабочим напряжением 1200 В

С одной стороны, улучшение производительности IGBT является обязательным для увеличения токовой нагрузки новых мощных модулей. С другой — одной оптимизации IGBT транзисторов здесь недостаточно. Для достижения максимального усиления мощности также должен быть улучшен антипараллельный диод обратной цепи. Он должен быть оптимизирован таким образом, чтобы удалось достичь достаточной мягкости при его восстановлении, но одновременно при сохранении низких потерь. В отличие от режима выключения IGBT мягкость переключения диода наиболее критична при малых токах, например 1/10×Inom. Соответствующие временные диаграммы переключения и фазы восстановления диода при температуре +25 °C представлены на рис. 10. Они приведены для управляемого эмиттером диода HE в FF600R12ME4_B72 и управляемого эмиттером диода EC7 в модуле FF900R12ME7_B11.

Временные диаграммы переключения для управляемого эмиттером диода HE в FF600R12ME4_B72 и управляемого эмиттером диода EC7 в модуле FF900R12ME7_B11

Рис. 10. Временные диаграммы переключения для управляемого эмиттером диода HE в FF600R12ME4_B72 и управляемого эмиттером диода EC7 в модуле FF900R12ME7_B11

Из приведенных на рис. 10 временных диаграмм становится ясно, что управляемый эмиттером HE-диод не может использоваться при внешнем сопротивлении в цепи затвора Rg,on ниже 1,5 Ом. Что касается отключения, оно происходит при более низком значении Rg,on, таком как 1 Ом (это показано на нижнем графике), тогда как управляемый эмиттером диод CH7, без каких-либо проблем с мягкостью характеристики переключения, может использоваться даже при значении Rg,on = 0,51 Ом.

Что касается потерь на восстановление диодов (Erec), на рис. 11 управляемый эмиттером диод EC7 показывает почти такой уровень же Erec, что и управляемый эмиттером диод HE, хотя di/dt здесь на 26–31% выше, чем для диода HE.

Потери на восстановление диода в зависимости от прямого тока для модуля FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11 при разных температурах. Вставка показывает нормализованные характеристики в режиме прямой проводимости

Рис. 11. Потери на восстановление диода в зависимости от прямого тока для модуля FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11 при разных температурах. Вставка показывает нормализованные характеристики в режиме прямой проводимости

Чтобы завершить этот раздел, на вставке на рис. 11 представлены характеристики диодов в режиме прямой проводимости.

 

Температурные характеристики корпуса модуля и полупроводникового перехода

Адаптация корпуса модуля

Новый чипсет в модуле, как уже было сказано, приведет к увеличению номинального тока на 50% по сравнению с устройствами предыдущего поколения. Следовательно, необходима некоторая адаптация корпуса для более высокого номинального рабочего тока, в частности улучшение его основных выводов. Для этого был разработан новый корпус, а конструкция внутреннего модуля изменена таким образом, чтобы улучшить токовые характеристики его основных клемм.

Температурные режимы полупроводниковых переходов IGBT транзистора и антипараллельного диода

В то время как IGBT 4 имеет гарантированную абсолютную максимальную температуру Tvj, равную +150 °C, без различия между непрерывной работой и работой в режиме перегрузки, максимальная рабочая температура для IGBT 7 будет определена с учетом требований к его применению в приводах, о чем говорилось выше и подробно проанализировано в [9]. На рис. 12 показаны профили температуры полупроводниковых переходов транзистора IGBT 7 и управляемого эмиттером диода EC 7 по сравнению с температурой виртуального перехода IGBT 4.

Профиль температуры полупроводникового перехода IGBT 7 (слева) по сравнению с температурой виртуального перехода IGBT 4 (справа). Продолжительность перегрузки, когда IGBT 7 Tvj,op выше +150 °C, должна быть в пределах 20% времени цикла нагрузки T, например t1 = 60 с через каждые T = 300 с

Рис. 12. Профиль температуры полупроводникового перехода IGBT 7 (слева) по сравнению с температурой виртуального перехода IGBT 4 (справа). Продолжительность перегрузки, когда IGBT 7 Tvj,op выше +150 °C, должна быть в пределах 20% времени цикла нагрузки T, например t1 = 60 с через каждые T = 300 с

Технические характеристики IGBT 7 в части рабочей температуры Tvj,op разработаны с учетом типичных сценариев перегрузки, указанных производителями приводов, и могут охватывать как 3-, так и 60-с импульсы перегрузки. Воздействие в приложении будет представлено в следующих главах.

 

Испытания в приложениях и полученные результаты

Все характеристики недавно разработанного модуля FF900R12ME7_B11, описанного выше, направлены на улучшение производительности по сравнению с модулем FF600R12ME4_B72. Для того чтобы оценить и сравнить производительность обоих устройств, была проведена серия прикладных тестов, а температуры оценены с помощью инфракрасной камеры (тепловизора). Параметры тестирования были установлены с учетом информации, описанной выше и в таблице 1.

Таблица 1. Параметры тестирования производительности

Топология

H-мост

Радиатор (охлаждение)

Радиатор с воздушным охлаждением

Рабочая частота, кГц

1 и 2,5

Метод модуляции

непрерывная ШИМ

Напряжение затвор-эмиттер, В

–8…+15

Напряжение постоянного тока, В

621

Индекс модуляции

0,95

cos ϕ

0,9

du/dt10–90%, кВ/мкс

<5

Скорость съемки ИК-камеры, кадров/с

30

Температура окружающей среды, °C

+20* (+40)

Примечание. *Требуемая температура окружающей среды +40 °C не может быть отрегулирована с помощью тестовой установки.

В ней приведены типичные параметры индустриальных приводов, используемые для сравнения поведения IGBT 7 с IGBT 4 в приложении. Тестовая установка изображена на рис. 13.

Фотография тестовой установки. Условия испытаний описаны в таблице 1

Рис. 13. Фотография тестовой установки. Условия испытаний описаны в таблице 1

Сравнение FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11 по току нагрузки и температуре

Результаты тестирования представлены на рис. 14 и 15.

Температура полупроводникового перехода IGBT как функция выходного тока при рабочей частоте 1 кГц и условиях, приведенных в таблице 1

Рис. 14. Температура полупроводникового перехода IGBT как функция выходного тока при рабочей частоте 1 кГц и условиях, приведенных в таблице 1

Становится очевидным, что при непрерывной ШИМ с частотой 1 кГц и таком же выходном токе модуль, использующий технологию IGBT 7, работает при температуре на 38 К ниже, чем устройство на IGBT 4. Повышение температуры нового модуля до указанной как предел приводит к увеличению выходного тока на 150 А. Но даже при +150 °C модули на IGBT 7 все еще имеют преимущество на 95 A по сравнению с IGBT 4.

Температура полупроводникового перехода IGBT как функция выходного тока при рабочей частоте 2,5 кГц и условиях, приведенных в таблице 1

Рис. 15. Температура полупроводникового перехода IGBT как функция выходного тока при рабочей частоте 2,5 кГц и условиях, приведенных в таблице 1

Кроме того, при непрерывной ШИМ-модуляции с частотой 2,5 кГц преимущество новой технологии еще более значительно. Мы имеем для них меньшую на 33 °C температуру при том же токе, повышение максимального рабочего тока на 70 A при +150 °C и на 110 A при +175°C.

Снижение температуры клемм шины постоянного тока у FF600R12ME4_B72 относительно FF900R12ME7_B11

На рис. 16 показано снижение температуры, достигнутое при использовании нового корпуса FF900R12ME7_B11 по сравнению с корпусом FF600R12ME4_B72.

Сравнения по температуре на клеммах шины постоянного тока для нового и серийного корпусов

Рис. 16. Сравнения по температуре на клеммах шины постоянного тока для нового и серийного корпусов

Улучшения, внесенные в конструкцию нового корпуса модуля FF900R12ME7_B11 по сравнению с FF600R12ME4_B72 при том же выходном токе, приводят к снижению температуры на шине постоянного тока до 20 К. На рис. 17 представлены две инфракрасные фотографии, показывающие распределение температуры для обоих модулей при одинаковых условиях и режимах применения. Оба функционируют в одинаковых условиях при токе 420 А и рабочей частоте 2,5 кГц. Для оценки применена одинаковая температурная шкала. Части инвертора, которые оценивались по температуре, выделены черными рамками.

Модуль FF600R12ME4_B72 (слева) и FF900R12ME7_B11 (справа)

Рис. 17. Модуль FF600R12ME4_B72 (слева) и FF900R12ME7_B11 (справа)

Это сравнение делает видимой более низкую температуру различных компонентов в системе, в которой вместо модуля FF600R12ME4_B72 использован модуль FF900R12ME7_B11. С более низкой температурой с новым решением работают IGBT-транзисторы, антипараллельные диоды, шина постоянного тока, клеммы модулей, клеммы сборных шин постоянного тока и соединительные провода.

Сравнение FF600R12ME4_B72 и FF900R12ME7_B11 по габаритным размерам

Сниженные потери энергии, повышенная удельная мощность и более высокая рабочая температура являются основными преимуществами систем на основе IGBT 7. Производители обычно выпускают в корпусе одинакового типоразмера приводы для двигателей нескольких классов мощности. Благодаря имеющейся у TRENCHSTOP IGBT 7 повышенной удельной мощности возможно расширение модельного ряда в существующих типоразмерах. Основное внимание уделяется увеличению удельной мощности, что приводит к снижению стоимости системы.

В этой части теста, для того чтобы оценить максимально возможный ток относительно типоразмера модуля для обеих технологий, были выбраны параметры, касающиеся выходного тока для нормальной работы и для работы в тяжелых условиях, полученные от производителя приводов [1]. Параметры перечислены в таблице 2.

Таблица 2. Выбранные параметры для оценки возможности размера кадров двух модулей

 

Типоразмер 370 A

Типоразмер 477 A

Номинальный ток в нормальном режиме, IND

370

477

Нормальный режим 60 с 1,1×IND

407

525

Нормальный режим 3 с 1,5×IND

555

716

Номинальный ток для тяжелого режима, IHD

312

370

Тяжелый режим 60 с 1,5×IND

468

555

Тяжелый режим 3 с 2×IND

624

740

Номинальный выходной ток подавался на полупроводники в условиях, описанных в таблице 1 при рабочей частоте 2,5 кГц. Температура всей системы до приложения тока перегрузки находилась в стабильном установившемся состоянии. Тепловое поведение системы показано на рис. 18 и 19.

Результаты измерений при номинальном токе ND и HD, импульсах перегрузки в нормальных и тяжелых условиях для модуля FF600R12ME4_B72 для типоразмера 370 A

Рис. 18. Результаты измерений при номинальном токе ND и HD, импульсах перегрузки в нормальных и тяжелых условиях для модуля FF600R12ME4_B72 для типоразмера 370 A

Решение модуля на основе IGBT 4 находится на пределе температуры при размере корпуса 370 А. Во время 3-с импульса перегрузки температура IGBT Tvj достигает значения +142 °C.

Результаты измерений при номинальном токе ND и HD, импульсах перегрузки в нормальных и тяжелых условиях для модуля FF600R12ME4_B72, типоразмер 477 A

Рис. 19. Результаты измерений при номинальном токе ND и HD, импульсах перегрузки в нормальных и тяжелых условиях для модуля FF600R12ME4_B72, типоразмер 477 A

Модуль на основе транзисторов IGBT 7 способен выполнить требование типоразмера 477 А. При всех необходимых уровнях тока FF900R12ME7_B11 все еще находится в рамках технических характеристик IGBT 7, представленных на рис. 12.

Поскольку температура окружающей среды в тесте составляла +20 °C вместо требуемых +40 °C, полученные результаты действительны только для целей сравнения. Однако производители инверторов могут достичь того же выходного тока при +40 °C, используя улучшенный радиатор, прерывистую ШИМ и/или уменьшая рабочую частоту переключения.

 

Заключение

Недавно разработанный чипсет IGBT 7 и управляемый эмиттером диод EC7 удобны в использовании и оптимизированы для соответствия требованиям приводов общего назначения. Для модулей на их основе было достигнуто значительное снижение статических потерь, хорошая управляемость, достаточная мягкость на всех уровнях тока, зависящих от области применения, и высокая устойчивость к короткому замыканию. Все перечисленное, наряду с улучшением корпуса EconoDUAL 3 и новыми температурными характеристиками, направленными на удовлетворение требований по перегрузке приводов, обеспечивает инженера-проектировщика инвертора высокой степенью свободы в принятии решений. Более высокие тепловые характеристики позволяют использовать простой радиатор (например, обычную штамповку) или менее мощный вентилятор.

Проведенные тесты в условиях конечных приложений явно демонстрируют улучшенную производительность новых модулей по сравнению с предыдущим поколением. Новый FF900R12ME7_B11 достигает температуру на 38° ниже по сравнению с модулем FF600R12ME4_B72 при том же токе. В качестве альтернативы может быть достигнут выходной ток, превышающий номинальный рабочий ток модуля FF600R12ME4_B7 до 150 A.

Принимая во внимание типичные критерии работы приводов в условиях нормальной и тяжелой работы, с корпусом EconoDUAL 3, использующим IGBT 7 вместо IGBT 4, возможен переход размера корпуса с 370 A до 477 A.

Литература
  1. WEG-cfw11-users-manual-400v-sizes-f-g-and-h-10000784107 
  2. SINAMICS G120, Power Module PM240, Hardware Installation Manual 072009, Page 65
  3. Depenbrock: Pulse width control of a 3-phase inverter with nonsinusoidal phase voltages in Conf. Rec. IEEE Int. Semiconductor Power Conversion Conf., 1977, pp. 399–403.
  4. Bierhoff, et al., An Analysis on Switching Loss Optimized PWM Strategies for Three Phase PWM Voltage Source Converters, The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), Nov. 5-8, 20
  5. Vogel, et al., Improve the efficiency in ACDrives: New Semiconductor solutions and their challenges, EEMODS 2016, Helsinki
  6. R. Müller, et al., New 1200 V IGBT and Diode Technology with Improved Controllability for Superior Performance in Drives Application, PCIM Europe, Nuremberg, Germany, 2018
  7. Jaeger, et al., A New Sub-Micron Trench Cell Concept in Ultrathin. Wafer Technology for Next Generation 1200 V IGBTs, ISPSD, Sapporo, Japan, 2017
  8. Vogel, et al., IGBT inverter with increased power density by use of high-temperature-capable and low-inductance design, PCIM Europe, Nuremberg, Germany, 2012
  9. AN2018-14, TRENCHSTOPTM 1200 V IGBT7 Application Note.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory