Силовые сборки фирмы Infineon

№ 3’2010
Данная статья посвящена рассказу о мощных силовых IGBT-сборках фирмы Infineon серии ModSTACK. Это большое семейство, следующее за PrimeSTACK. Но, в отличие от предшественников, сборки ModSTACK не являются стандартизированными по используемой элементной базе и служат для работы в диапазоне больших мощностей.

Андрей Копылов

Продолжение. Начало в №2’2010

Введение

В настоящее время все большее распространение
получает применение мощных силовых IGBT-сборок
в диапазоне мощностей от 0,1 до 5 МВт. Движущими
силами разработок силовой преобразовательной техники в таком диапазоне мощностей послужило, например,
появление децентрализованных решений по энергопреобразованию (источники бесперебойного питания,
активные фильтры и т. д.) и по выработке электроэнергии и тепла, связанные, в частности, с активным ростом
использования альтернативных источников электроэнергии (ветрогенераторы, солнечные батареи и т. д.).
Каждая область применения требует специальной экс-
пертной оценки касательно подходящей конструкции
всего силового преобразователя, решений по его управляющей части и источникам электропитания.

Так как в большинстве случаев основные топологии силовых электрических схем преобразования
электроэнергии очень похожи, то имеет смысл отделить друг от друга следующие процессы: разработку
силовой части преобразователя, его блока управления
и проектирование механической конструкции преобразовательной системы в целом. Фирма Infineon
предлагает модульный и конструктивногибкий подход к построению мощных силовых IGBT-сборок,
который воплощен в семействе ModSTACK. Такой
принцип построения IGBT-сборок позволяет заказчикам учесть все особенности при решении задачи
в своей конкретной области применения. ModSTACK
состоят из большого числа комплектующих, не производимых фирмой Infineon, таких как: датчики температуры; внутренние электрические соединительные
провода и силовые шины; внутренние механические
крепежные и соединительные детали; интерфейсные
платы для согласованного подключения силовой
части к блоку управления. Используя эти комплектующие, а также высокотехнологичные и высококачественные силовые IGBT-модули, производимые
фирмой Infineon, заказчик может, как из «кубиков»,
построить собственную силовую IGBT-сборку, отвечающую специальным нуждам и техническим требованиям конкретной области применения.

Данная статья будет посвящена рассказу о мощных силовых IGBT-сборках фирмы Infineon серии
ModSTACK. Это большое семейство, следующее
за PrimeSTACK. Но, в отличие от предшественников,
сборки ModSTACK не являются стандартизированными по используемой элементной базе и служат
для работы в диапазоне больших мощностей.

Силовые IGBT-сборки
семейства ModSTACK

Модульный принцип построения
IGBT-сборок ModSTACK

Во многих областях применения с многокиловаттными значениями мощности используется типовая
структура преобразования электроэнергии (рис. 1).
Для того чтобы контролировать и согласовывать
движение потока энергии в цепях нагрузки постоянного (DC) или переменного (AC) тока, реализуется
целая цепочка, состоящая из компонентов, преобразующих соответствующим образом электроэнергию. AC/DC-, DC/AC- и DC/DC-преобразования
используются для управления потоком энергии
в определенных узлах цепи преобразования энергии.
Накопители постоянного тока вставляются в такие
места, где требуется осуществлять развязку между
частями цепи.

По структурной блок-схеме, показанной на рис. 1а,
строятся системы на основе аккумуляторных батарей и топливных элементов для выработки тепла
и энергии. А генераторы с регулируемой скоростью
вращения в преобразователях ветрогенераторных
установок, микротурбины и дизель-генераторы
обычно проектируются с использованием структурной блок-схемы преобразования энергии, приведенной на рис. 1б.

В зависимости от конкретного применения может
потребоваться однонаправленный или двунаправленный поток энергии в преобразовательной системе. На рис. 2 показано, как на основе полумостовых
схем из IGBT-транзисторов и их обратных диодов
реализуются DC/DC- и DC/AC-преобразователи
с двунаправленным потоком энергии.

Упрощенные электрические схемы, показанные на рис. 2, содержат только полупроводниковые элементы. Искусство заключается в том, чтобы формальную силовую
схему электронного устройства воплотить
в физическую электрическую цепь с реальными электронными компонентами. Каждая
силовая шина, медный слой и конденсатор
в некоторой степени представляют собой индуктивный элемент. Все силовые IGBT-сборки
ModSTACK конструируются с оптимизацией
всех паразитных индуктивностей для обеспечения переключения IGBT-транзисторов
внутри области безопасной работы.

Благодаря специальному исполнению компонентов силовых IGBT-сборок ModSTACK
очень легко получить различные топологии
преобразователей, нарастить мощностной
диапазон и конструктивно расширить всю
преобразовательную систему.

Модульный принцип построения ModSTACK
является главной особенностью этих IGBT-
сборок, которая делает их привлекательными
по стоимости. Идея модульного проектирования касается всех внутренних подсистем: механической конструкции, архитектуры блока
управления и схемотехнической реализации силовой цепи. Далее будут объяснены некоторые
основы такого подхода.

Силовые цепи большой мощности с традиционными инверторными топологиями (B6U+B6I
– 3-фазный выпрямитель + инвертор, B6I+B6I –
3-фазный инвертор + 3-фазный инвертор и т. д.)
реализуются на основе высококачественных силовых IGBT-модулей фирмы Infineon. Звенья
постоянного тока и их накопители исполняются
с применением высоковольтных электролитических конденсаторов, выбранных в соответствии с рабочим коммутационным режимом.

Благодаря конструктивной гибкости комплектующих при необходимости в блоки
управления и мониторинга IGBT-сборок
ModSTACK могут быть встроены IGBT-драйвера. Управляющие сигналы и сигналы
для осуществления мониторинга параметров
(токов, напряжений, возникновение короткого замыкания (КЗ), температуры) поступают
для обработки в блок управления. На рис. 3
показан пример функциональной схемы компенсационного преобразователя.

Сочетая различными способами базовые
компоненты ModSTACK, можно получить
различные топологии силовой IGBT-сборки,
вплоть до резонансной силовой схемы преобразования энергии. Для заказчиков такая
возможность изменения сборки очень важна,
так как они могут использовать уже испытанную, проверенную и спроектированную в соответствии с международными стандартами
силовую преобразовательную часть с управляющим интерфейсом. Таким образом, заказчик, имея готовую силовую IGBT-сборку,
может сосредоточить свои усилия над решением специфических задач по управлению
рабочими процессами и контролю нужных
параметров, а также по системному проектированию. Чтобы стоимость силовых
IGBT-сборок ModSTACK была ориентирована на заказчика, Infineon классифицирует
данные изделия в зависимости от их мощности и напряжения. В таблице перечислены
главные отличия между IGBT-сборками для
2 классов напряжений: 1200 и 1700 В. Внутри
одного класса имеются почти одинаковые
фиксированные механические конструкции.
При необходимости можно менять внутренние компоненты на другие электрические номиналы, но с сохранением всех механических
интерфейсов.

Таблица. Главные отличия силовых IGBT-сборок ModSTACK в зависимости от класса напряжения

Сетевое напряжение переменного тока, В ≤500 500–690
Рабочее напряжение IGBT-модулей, В 1200 1700
Номинальная частота переключения, кГц 4,5 2,25
Номинальное напряжение в звене постоянного тока, В ≤850 ≤1100
Максимальное напряжение в звене постоянного тока (кратковременно, в течение 5 с), В 960 1350
Номинальный выходной переменный ток, В 500 400

Придерживаясь таких правил проектирования силовых IGBT-сборок, фирма Infineon
организовала производство семейства
ModSTACK по модульному принципу построения для многих областей применения,
в которых требуется стандартное преобразование энергии.

Механические аспекты построения
IGBT-сборок ModSTACK

Модульные IGBT-сборки ModSTACK конструируются так, чтобы их было возможно
разместить в промышленных шкафах со стандартизованными типоразмерами (1-й размер — ширина 600 мм, 2-й размер — ширина
800 мм, рис. 4). Это позволяет сэкономить затраты на разработку и производство. Однако
внутренние компоненты стандартных IGBT-сборок ModSTACK могут быть легко скомбинированы различными способами для получения решения, специализированного под конкретного заказчика и его задачи. Например,
для шкафов с шириной 800 мм возможно
спроектировать IGBT-сборки на следующие
максимальные технические характеристики:
сетевое действующее напряжение 690 В, выходной ток 1500 А при принудительном воздушном охлаждении и 1800 А при водяном
охлаждении. Для построения систем с параллельным включением силовых IGBT-сборок
ModSTACK предусмотрены необходимые силовые соединительные шины, электрические
и механические интерфейсы.

Рассмотрим технические характеристики основных групп силовых IGBT-сборок
ModSTACK по их массогабаритным показателям:

  • ModSTACK 1 (MS1):
    • действующее сетевое напряжение переменного тока 690 В или 11000 В постоянного тока;
    • действующее значение выходного переменного тока 275 А;
    • используются IGBT-модули в корпусе 62 мм;
    • охлаждение воздушное или водяное;
    • интерфейс по управлению электрический
      или оптический;
    • IGBT-драйвера серии SCALE фирмы CTConcept
      Technology.

Основная область применения — 3 фазный
инвертор обычного промышленного назначения.

  • ModSTACK 2 (MS2):
    • действующее сетевое напряжение переменного тока 690 В или 11000 В постоянного тока;
    • действующее значение выходного переменного тока 460 А;
    • используются IGBT-модули большой
      мощности (корпус IHM);
    • охлаждение воздушное или водяное;
    • интерфейс по управлению электрический
      или оптический;
    • IGBT-драйвера серии SCALE фирмы CTConcept
      Technology.

Основная область применения — преобразователи для солнечной энергетики на мощности от 80 до 330 кВт.

  • ModSTACK 3 (MS3):
    • действующее сетевое напряжение переменного тока 690 В или 11000 В постоянного тока;
    • действующее значение выходного переменного тока 900 А;
    • используются IGBT-модули большой
      мощности (корпус IHM);
    • охлаждение воздушное или водяное;
    • интерфейс по управлению электрический
      или оптический;
    • IGBT-драйвера серии SCALE фирмы CTConcept
      Technology.

Основная область применения — преобразователи для солнечной энергетики на мощности 80–330 кВт, преобразователи для ветроэнергетики на мощности 250–800 кВт.

  • ModSTACK 4 (MS4):
    • действующее сетевое напряжение переменного тока 690 В или 11000 В постоянного тока;
    • действующее значение выходного переменного тока 1200 А;
    • используются IGBT-модули большой
      мощности (корпус IHM);
    • охлаждение воздушное или водяное;
    • интерфейс по управлению электрический
      или оптический;
    • IGBT-драйвера серии SCALE фирмы CTConcept
      Technology.

Основная область применения — электроприводы большой мощности.

Маркировка IGBT-сборок ModSTACK

IGBT-сборки ModSTACK могут быть заказаны в определенной конфигурации, которая
отражается в их типообозначении. Например,
6MS1200R17KE3-3XX поэлементно расшифровывается следующим образом:

6 — топология силовой цепи (количество
силовых транзисторных ключей в цепи, в данном случае 3 верхних и 3 нижних, всего 6 ключей; также могут быть и другие варианты:
2, 4, 12 и т. д.);

MS — обозначение семейства IGBT-сборок
ModSTACK;

1200 — номинал по току силовых IGBT-модулей, установленных в силовую сборку;

R — наличие «обратной проводимости»,
т. е. каждая ветвь с транзисторным ключом
имеет антипараллельный диод;

17 — максимальное рабочее напряжение
IGBT-сборки, поделенное на 100, в данном
случае речь идет о 1700 В;

KE3 — обозначение технологии и поколения IGBT-кристаллов, которые используются
в силовых IGBT-модулях, в данном случае это
Trench Fieldstop 3-го поколения;

3 — типоразмер корпуса IGBT-сборки: 1 =
MS1, 2 = MS2, 3 = MS3, 4 = MS4;

XXX — описание дополнительных опций,
например, это может быть количество силовых IGBT-модулей, способ охлаждения, механические размеры и т. д.

Таким образом, типообозначение IGBT-сборки ModSTACK дает представление
о ее конфигурации и внутреннем техническом
составе.

Модульный блок управления
IGBT-сборок ModSTACK

Силовая часть IGBT-сборок ModSTACK
обслуживается блоком управления, мониторинга и контроля электрических параметров.
Используя соответствующие блоки, можно
включить на параллельную работу до 4 сборок ModSTACK. Каждый блок управления
содержит IGBT-драйвера, имеет функцию
определения КЗ в силовой цепи и целый набор других защитных функций, а также обрабатывает и формирует многочисленные
управляющие сигналы:

  • напряжение в звене постоянного тока
    (DC-link);
  • выходной ток;
  • температура нагрева радиатора;
  • температура нагрева IGBT-кристаллов (рассчитывается);
  • перенапряжение в звене постоянного тока;
  • перегрузка по току;
  • перегрев;
  • вспомогательные напряжения.

Вышеперечисленные управляющие сигналы снимаются с внутренней платы управления IGBT-сборки (рис. 5).

При превышении предельных значений
уставок защит для силовой цепи IGBT-сборки
по соответствующему сигналу ошибки происходит отключение блока силовой части
IGBT-сборки. Для ускорения срабатывания
защиты по перегреву специальным образом,
посредством аналоговой цепи, дополнительно вычисляется температура нагрева IGBT-кристаллов. При таком расчете принимаются
во внимание измеренные значения температуры нагрева радиатора, выходного тока, напряжения в звене постоянного тока и частоты
переключения силовых IGBT-транзисторов.
Для аналоговой вычислительной цепи задается целый ряд параметров: удельные потери
мощности в проводящем состоянии и при
переключении IGBT-транзисторов, а также
эквивалентное тепловое сопротивление системы охлаждения.

Параллельное включение силовых IGBT-сборок ModSTACK требует наличия в их блоках управления дополнительных плат управления и контроля для разделения управляющих сигналов и сбора сигналов от датчиков
измерения и мониторинга определенных
электрических параметров. Что касается температуры нагрева самих блоков управления,
то при достижении ее максимального значения сигнал об ошибке формируется и поступает в общую систему управления. Это происходит, если в каком-то из управляющих блоков превышается хотя бы одна из предельных
уставок по защитам. Сигнал об ошибке также
возникает, если нарушается допуск по несимметрии выходных токов IGBT-сборок.

Напряжение питания постоянного тока для
вспомогательных контрольно-измерительных
плат лежит в диапазоне 18–30 В. Такое ограничение для всех электрических цепей, включая
преобразователи тока и напряжения, обеспечивается DC/DC-преобразователем. Для каждого блока управления необходим максимальный ток 2,5 А при напряжении питания 24 В.

Стандартный интерфейс к общей системе
управления представляет собой сложный набор электрических цепей фильтров и заземлений. Организация правильного заземления
всегда является проблемой при разработке
устройств силовой электроники. Необходимо,
чтобы заземление было удовлетворительным
и согласованным между всеми взаимосвязанными электрическими цепями. Таким образом достигается минимальный уровень помех
в электрических управляющих цепях, приходящих из силовых электрических цепей.

Для увеличения соотношения полезный сигнал/шум IGBT-сборка может быть снабжена
оптическим интерфейсом. Он изготавливается на основе фотоприемников и фотопередатчиков со специальными соединительными
разъемами для подключения оптоволоконного
кабеля. Такой интерфейс позволяет максимально подавлять возникающие помехи и характеризуется малым значением задержки сигнала,
высокой надежностью передачи управляющего
сигнала и длительным сроком службы в специализированных областях применения.

Для обеспечения уверенности в наличии
двунаправленной передачи данных между общей системой управления и подключенными
силовыми блоками аппаратно устанавливаются специальные «идентификаторы силовых
блоков». Это позволяет напрямую обращаться
и производить их диагностику.

Параллельное соединение силовых блоков
является специальным предметом обсуждения. Дело в том, что параллельное соедине
ние IGBT-кристаллов или кристаллов диодов
уже присутствует в некоторых IGBT-модулях.
Отличие вольт-амперных характеристик практически не учитывается при параллельном
соединении IGBT-модулей, если кристаллы
были взяты и установлены из одной партии
кристальных пластин. Различия электрических параметров кристаллов из одной партии
кристальных пластин невелики, и в тепловой
подсистеме они расположены очень близко
друг к другу. Это приводит к незначительному дисбалансу в распределении тока между
кристаллами и силовыми IGBT-модулями.

ModSTACK дополнительно оборудуются
специальными дросселями для выравнивания токов в параллельно-включенных силовых IGBT-модулях при их коммутации. Хотя
номинальные значения индуктивностей небольшие, в общем они помогают равномерно
распределить в системе динамические потери
мощности.

Заключение

Для поддержки заказчиков в проектировании устройств силовой электроники в диапазоне мощностей от 50 кВА до 2 МВА и выше
фирма Infineon разработала эффективный
по цене конструкторский набор из электронных блоков для построения силовых IGBT-сборок ModSTACK. Он состоит из полупроводниковых приборов с возможностью слежения
за температурой нагрева кристаллов, силовых
шин, соединительных разъемов, интерфейсов
и контрольно-измерительных компонентов.
Наращивание общей мощности преобразовательной системы достигается путем параллельного соединения IGBT-сборок ModSTACK в количестве до 4 шт. Основные области применения IGBT-сборок ModSTACK — системы
распределения и передачи электроэнергии,
электроприводы большой мощности и системы электропитания.

Литература

  1. www.infineon.com.
  2. Zacharias P., Schiele J. IGBT ModSTACKs —
    a Cost Decreasing Approach for Flexible DC/AC and AC/AC Converter Design.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *