Силовые сборки фирмы Infineon

Андрей Копылов

Введение

За последние годы среди разработчиков устройств силовой электроники стали очень популярными силовые сборки — интегрированные системные решения от производителей силовых полупроводниковых приборов (далее — п/п приборы) на основе собственной силовой элементной базы.

Infineon Technologies AG (Германия) является одной из мировых лидирующих компаний, которая предлагает такие силовые сборки. В общем понимании фирмы Infineon силовая сборка — это функционально-незаконченная реализация преобразователя: силовая часть без системы управления.

Силовые сборки производства фирмы Infineon подразделяются на три больших основных семейства:

• PrimeSTACK;
• ModSTACK;
• Bipolar Assemblies (биполярные силовые сборки).

Силовым сборкам фирмы Infineon и будет посвящен цикл наших материалов.

В данной статье будет рассмотрено и рассказано о семействе PrimeSTACK.

Силовые сборки семейства PrimeSTACK

Общее понятие о силовой сборке PrimeSATCK

Силовые сборки серии PrimeSTACK — это силовые IGBT-сборки фирмы Infineon, которые конструктивно представляют собой устройства силовой электроники, спроектированные по модульному принципу (рис. 1). Их основа — стандартные компоненты, которые можно добавлять или удалять в соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к силовой сборке. Серия силовых IGBT-сборок PrimeSTACK охватывает очень широкий диапазон возможных реализаций решений и исполнений: от простых однофазных преобразователей мощностью несколько кВт до мегаваттных четырехквадрантных трехфазных преобразователей с радиаторами водяного охлаждения и сложным комплексом логики управления и защиты.

Рис. 1. Модульный принцип построения IGBT-сборок серии PrimeSTACK

Функциональные возможности и топологии силовых IGBT-сборок PrimeSTACK Силовая часть IGBT-сборки PrimeSTACK реализуется на основе силовых IGBT-модулей фирмы Infineon с шириной корпуса 62 мм и рабочими классами напряжения 600, 1200 и 1700 В. IGBT-сборки PrimeSTACK четко классифицируются по мощности и топологии электрической цепи силовой части. При выходных номинальных токах до 1600 А на одну силовую IGBT-сборку и указанных классах напряжения доступны следующие варианты топологий силовых частей IGBT-сборок PrimeSTACK:

• • 1/2B2I-топология — обычная полумостовая схема (рис. 2). При наращивании требуемой общей мощности одна IGBT-сборка может содержать 2, 3 или 4 параллельно-включенных между собой IGBT-модуля или несколько IGBT-сборок.
  

  Рис. 2. Электрическая схема традиционного полумоста

• B2I-топология — однофазная мостовая схема (рис. 3).
  

  Рис. 3. Электрическая схема однофазного полного моста (Н-мост)

• Могут быть получены две совершенно разных топологии:

  1. 2 или 4 силовых IGBT-модуля в одной силовой IGBT-сборке, каждый из которых будет работать как отдельный полумост или как отдельные полумосты из двух параллельно-включенных IGBT-модулей.

  2. 2 отдельных IGBT-сборки, каждая из которых будет работать как полумост, а вместе — как однофазный полный мост.

• B6I-топология — трехфазная мостовая схема с чоппером или без него (рис. 4).
  

  Рис. 4. Электрическая схема 3-фазного полного моста(инвертора)без чоппера

  Могут быть получены две отдельных топологии:

  1. Одна силовая IGBT-сборка будет содержать в себе 3 силовых IGBT-модуля, каждый из которых будет работать как полумост.

  2. 3 отдельных силовых IGBT-сборки, каждая из которых будет работать как полумост. При необходимости каждая из них может содержать 2, 3 или 4 параллельно-включенных силовых IGBT-модуля.

• Топология чоппера — верхняя или нижняя чопперная схема (рис. 5). Может быть получена на основе IGBT-сборки с B6I-топологией, состоящей из 4 IGBT-модулей, 3 из которых будут работать как отдельные полумосты, а 4-й IGBT-модуль — как чоппер.
  

Рис. 5. Электрические схемы чопперов: а) нижний чоппер; б) верхний чоппер

Для чопперных электрических цепей с большой токовой нагрузкой по отдельному заказу в конструктивном объеме одной IGBT-сборки может быть выполнена топология из 2, 3 или 4 параллельно-включенных между собой силовых чопперных IGBT-модулей.

Силовая часть IGBT-сборок PrimeSTACK управляется от внешней микропроцессорной системы управления через встроенный в IGBT-сборку электронный блок на основе IGBT-драйверов фирмы Infineon серии EiceDRIVER. Вся внутренняя драйверная электроника IGBT-сборок настраивается в соответствии с выбранной топологией силовой части сборки и используемыми модификациями силовых IGBT-модулей (рис. 8).

Рис. 8. Внешний вид силовой IGBT-сборки PrimeSTACK и ее функциональная блок-схема

Силовые IGBT-сборки PrimeSTACK имеют целый ряд функций защиты. Важно отметить, что в IGBT-сборках этого семейства, помимо стандартных (по умолчанию) функций защиты, по отдельному заказу могут быть реализованы дополнительные специальные функции защиты, исходя из конкретного практического применения IGBT-сборки. В реальном масштабе времени измеряются, отслеживаются и безопасно передаются на соответствующие интерфейсы силовой IGBT-сборки в виде сигналов аналогового напряжения следующие физические параметры:

• ток нагрузки каждого плеча IGBT-сборки;
• наличие короткого замыкания в мосте;
• температура нагрева и наличие перегрева;
• снижение напряжения питания логики управления;
• напряжение на шине звена постоянного тока, включая блокировку работы IGBT-сборки при возникновении перенапряжения (дополнительная функция);
• моделирование значений температуры нагрева кристаллов силовых IGBT-модулей на аппаратном уровне для защиты от пере-ходных температурных режимов (дополнительная функция).

Охлаждение силовых IGBT-сборок PrimeSTACK осуществляется с помощью радиаторов. В стандартном варианте исполнения это будет воздушный радиатор с принудительным охлаждением, а в специальном исполнении под заказ это может быть, например, радиатор водяного охлаждения.

Силовые шины звена постоянного тока для IGBT-сборок PrimeSTACK проектируются, исходя из соображений компактности и гарантированной надежности по электрическим и тепловым параметрам (рис. 6). В целом в состав узла звена постоянного тока IGBT-сборки входят:

• корпус магазина емкостей, включая саму силовую шину;
• электролитические конденсаторы;
• снабберные конденсаторы;
• резисторы для выравнивания напряжения.

Рис. 6. PrimeSTACK с дополнительной установкой компонентов звена постоянного тока

Если мощности одной IGBT-сборки Prime-STACK не хватает для реализации проекта, то можно применить параллельное соединение нескольких силовых IGBT-сборок данной серии со звеном постоянного тока (или без него) по принципу модульного набора мощности. В специальных проектах для параллельного соединения IGBT-сборок могут быть предложены специальные интерфейсы и шины постоянного тока для соединения соответствующих частей силовых IGBT-сборок (рис. 9).

Рис. 9. Пример реализации системного решения из IGBT-сборок PrimeSTACK

Разновидности компоновок силовых IGBT-сборок PrimeSTACK В зависимости от того, какие технические требования предъявляются заказчиками к силовым IGBT-сборкам PrimeSTACK, их удобно разделить на три вида:

• PrimeSTACK;
• PrimeSTACK IPM — основа всех IGBT-сборок PrimeSTACK;
• PrimeSTACK System — законченное системное решение.

Каждый из указанных видов силовых IGBT-сборок PrimeSTACK состоит из комплектующих, которые для их изготовителей являются стан-дартными продуктами. Так как эти IGBT-сборки составляются по модульному принципу, то необходимые детали могут быть не установлены или добавлены в сборку. IGBT-сборки PrimeSTACK могут иметь общепромышленное или транспортное (тяговое) исполнение. Если исполнение IGBT-сборки не оговорено специальным образом, то она будет предназначена для обычного общепромышленного применения.

PrimeSTACK и его компоненты

Каждый PrimeSTACK состоит из трех элементарных частей:

1. Управляющая часть (PrimeSTACK Basic) со встроенной логикой защиты. Главными электронными компонентами управляющей части являются IGBT-драйверы серии EiceDRIVER производства Infineon. Они частично берут на себя функции логики защиты силовой IGBT-сборки (рис. 7, 8).

Рис. 7. Внешний вид IGBT-драйверов фирмы Infineon серии EiceDRIVER

2. Силовые IGBT-модули (PrimeSTACK Basic addon). Каждая силовая IGBT-сборка PrimeSTACK всегда содержит только 2, 3 или 4 силовых IGBT-модуля. Устанавливаемые в IGBT-сборку силовые IGBT-модули — это только силовые IGBT-модули собственного производства Infineon в корпусе с шириной 62 мм и конфигурацией «полумост». Окончательная топология электрической цепи силовой IGBT-сборки будет определена схемой соединения отдель-ных силовых IGBT-модулей. 3. Радиаторы (PrimeSTACK Basic add-on). Как правило, силовые IGBT-сборки PrimeSTACK снабжаются воздушными радиаторами или радиаторами водяного охлаждения.

На рис. 1 показан пример стандартной IGBT-сборки PrimeSTACK, состоящей из драйверной части со встроенной логикой защиты, трех си-ловых полумостовых IGBT-модулей с шириной корпуса 62 мм и стандартного радиатора с принудительным воздушным охлаждением. Конкретное практическое применение этой силовой IGBT-сборки определит в дальнейшем, например, схему соединения силовых IGBT-модулей внутри сборки, а также дополнительные функции защиты, наличие оптического интерфейса в управляющей цепи и необходимость других вспомогательных электрических цепей.

Описание PrimeSTACK IPM

Силовая IGBT-сборка PrimeSTACK IPM — это силовая IGBT-сборка PrimeSTACK, но только без радиатора (IPM означает «интеллектуальный силовой модуль»). Цель предложения такого вида IGBT-сборки — предоставить заказчику гибкость в выборе и применении радиатора, который будет максимально эффективен в конкретном проекте. В этом случае заказчику предлагается самостоятельно осуществить монтаж IGBT-сборки на радиатор в соответствии с определенной методикой и порядком (фирма Infineon предоставляет рекомендации по монтажу в виде соответствующего Application Note).

Описание PrimeSTACK System

Силовые IGBT-сборки PrimeSTACK System— это вершина всех возможностей семейства си-ловых IGBT-сборок PrimeSTACK, так как в этом виде IGBT-сборок максимально учитываются и реализуются все дополнительные технические требования заказчиков, такие как конструктивное исполнение шины постоянного тока и/или наличие параллельного интерфейса для организации параллельной работы нескольких си-ловых IGBT-сборок PrimeSTACK.

На рис. 9 показана система, состоящая из трех отдельных силовых IGBT-сборок PrimeSTACK, в каждой из которых установлено: по 2 силовых полумостовых IGBT-модуля, радиатор, драй-верная часть с необходимой логикой защиты и отслеживания значений определенных физических параметров, силовая шина постоянного тока. Соединенные вместе силовые IGBT-сборки будут представлять собой мощный 3-фазный инверторный мост с точно совпадающими по характеристикам компонентами.

Краткие технические характеристики силовых IGBT-сборок PrimeSTACK

Характеристики IGBT-драйверной части на основе IGBT-драйверов EiceDRIVER:

• Усиленная изоляция при испытании на импульсное напряжение. Изоляция выдерживает импульс напряжения 9,6 кВ (соответствует стандарту EN50178).
• Мягкая блокировка работы при возникновении коротких замыканий, особенно при низких значениях перенапряжений.
• Максимальное значение выходного тока/мощности на один затворный канал — 30 А/4 Вт.
• Максимальная частота поступающего ШИМ-сигнала — 60 кГц.
• Управление силовыми IGBT-модулями с рабочим напряжением 1700 В и номинальным током до 1600 А.

Характеристики IGBT-сборки PrimeSTACK в целом:

• Температура хранения: -40…+85 °С (соответствует стандарту IEC 60721-3-1).
• Рабочая температура: -25…+55 °С для общепромышленного исполнения и -40…+55 °С для транспортного (тягового) исполнения (соответствует стандарту IEC 60721-3-3). Под температурой +55 °С понимается значение температуры окружающей среды вокруг силовой IGBT-сборки. Внутри IGBT-сборки допускается рабочая температура до +85 °С, которая контролируется с помощью измерения температуры окружающего воздуха.
• Относительная влажность воздуха: от 5 до 85%.
• Высокая механическая стойкость к ударным нагрузкам: возможны ускорения до 40 м/с², а для транспортного исполнения — до 100 м/с².
• Класс защиты: IP00.

Основные области применения силовых IGBT-сборок PrimeSTACK

В соответствии с европейским электротехническим стандартом IEC 61800-5-1 IGBT-сборки PrimeSTACK являются «преобразовательной частью» основного блока электроприводных систем (BDM). Все возможные разновидности си-ловых IGBT-сборок PrimeSTACK (PrimeSTACK, PrimeSTACK IPM и PrimeSTACK System) имеют конструктивное исполнение в виде открытой рамы, поэтому их класс защиты — IP00. Они должны быть дополнительно установлены в защищенные шкафы. Для работоспособности IGBT-сборок пользователь должен снабдить электротехническую установку, куда установлены IGBT-сборки, необходимым набором автоматики и контроллеров. Следует помнить, что в стандартной комплектации IGBT-сборки поставляются с воздушным радиатором без вентилятора, поэтому в шкафу управления должна быть предусмотрена вентиляция его составных компонентов.

IGBT-сборки PrimeSTACK являются универсальной продукцией, которая находит широкое применение в следующих областях:

• преобразователи и инверторы для промышленных электроприводов;
• солнечная и ветроэнергетика;
• электротранспортные тяговые системы;
• источники бесперебойного питания. IGBT-сборки должны работать в условиях, которые регламентированы официальной технической документацией фирмы Infineon.

Система типообозначения силовых IGBT-сборок PrimeSTACK

Типообозначение является уникальным именем для каждого варианта исполнения и компоновки силовой IGBT-сборки PrimeSTACK. Оно содержит зашифрованную информацию об основных электрических и механических характеристиках силовой IGBT-сборки. Различают два вида типообо-значений для силовых IGBT-сборок PrimeSTACK:

1. Для интегрированных систем на основе IGBT-сборок PrimeSTACK.
2. Непосредственно для самих IGBT-сборок PrimeSTACK и PrimeSTACK IPM (описано в данном разделе).

Все данные в типообозначении IGBT-сборок перечисляются всплошную, без пробелов (табл. 1). Для удобной и лучшей читабельности типа IGBT-сборок в типообозначение включен дефис, кото-рый отделяет данные об основных электрических параметрах IGBT-сборки от дополнительной информации по ее техническим характеристикам. Данные о специфических заказных узлах IGBT-сборки указываются отдельной последовательностью из букв и цифр в конце типа с присвоением специального заказного номера.

Таблица 1. Расшифровка типообозначений силовых IGBT-сборок PrimeSTACK

Рассмотрим расшифровку типообозначения силовой IGBT-сборки PrimeSTACK, имеющей тип 2PS0600R12DLC-3G и в которую установлены некоторые дополнительные детали. Эта IGBT-сборка с общей полумостовой топологией состоит из трех силовых полумостовых IGBT-модулей, включенных между собой параллельно, и воздушного радиатора с принудительным охлаждением. Силовые IGBT-модули имеют номинальный ток 600 А и изготовлены на основе IGBT-кристаллов 2-го поколения.

Каждый разработанный вариант силовой IGBT-сборки PrimeSTACK сопровождается отдельной технической спецификацией, где можно посмотреть подробные электрические и механические параметры IGBT-сборки.

Типоразмеры силовых IGBT-сборок PrimeSTACK

Понятие «типоразмер» для IGBT-сборок PrimeSTACK несет в себе ориентировочную информацию о механических размерах силовой IGBT-сборки в трех измерениях. Все возможные размеры IGBT-сборок PrimeSTACK базируются на трех основных типоразмерах: «C2», «C3» и «C4». Цифра, идущая за буквой «С», означает количество силовых IGBT-модулей, установленных в IGBT-сборку. То же самое число, как было рассмотрено выше, указывается в типе IGBT-сборки после дефиса.

Электрически и механически соединяя основные одинаковые типоразмеры IGBT-сборок, можно получить следующие вариации по типоразмерам (табл. 2).

Таблица 2. Возможные комбинации систем из одинаковых типоразмеров, взаимосвязь типоразмеров с топологиями и токовыми номиналами IGBT-сборок PrimeSTACK

Примечание. Для силовых IGBT-сборок серии PrimeSTACK со стандартными воздушными радиаторами справедливы следующие значения размеров для типоразмеров (ДхШхВ — длина, ширина и высота соответственно): «C2» — 200·216·90 мм; «C3» — 280·216·90 мм; «С4» — 360·216·90 мм.

Обзор номенклатуры выпускаемых IGBT-сборок PrimeSTACK В таблицах 3-5 указаны типы существующих и доступных для заказа силовых IGBT-сборок семейства PrimeSTACK:

Таблица 3. Номенклатура выпускаемых IGBT-сборок семейства PrimeSTACK на 600 В

Таблица 4. Номенклатура выпускаемых IGBT-сборок семейства PrimeSTACK на 1200 В

Таблица 5. Номенклатура выпускаемых IGBT-сборок семейства PrimeSTACK на 1700 В

В заключение отметим еще раз основные технические особенности силовых IGBT-сборок семейства PrimeSTACK:

• Возможность монтажа силовой IGBT-сборки на выбранный радиатор самими заказчиками.
• Высокая механическая прочность IGBT-сборок.
• Возможность и удобство в осуществлении ремонта на стороне заказчика.
• Высокая стойкость к электромагнитным помехам.
• Отслеживание температуры окружающей среды.
• Моделирование температуры нагрева кристаллов в IGBT-модулях.

Литература

1. www.infineon.com.
2. Информационные материалы компании Infineon: Documentation and Operating Instructions on PrimeSTACK, Rev. 2.3, 30 октября 2008