Силовые модули SKAI/SKADS для электроприводов — предельный уровень интеграции

Компания SEMIKRON имеет огромный опыт разработки специализированных электроприводных силовых модулей, предназначенных для гибридных автомобилей и электротранспорта. На рисунке, приведенном в начале статьи, изображен автомобиль с электроприводом, установивший рекорд скорости для данного класса транспортных средств — 514 км/ч. Результат был зафиксирован на соляном озере Бонневиль, расположенном в штате Юта, США. Электромотор электромобиля-рекордсмена оснащен электроприводом мощностью 375 кВт, собранным на силовых модулях IGBT SEMITRANS SKM400GB124, управляемых драйверами SKHI22. Данный продукт — итог совместного труда специалистов исследовательского центра Университета Огайо и SEMIKRON. В настоящее время создатели машины проектируют следующую версию на основе новейших силовых модулей SEMiX и драйверов SKYPER. Цель — поставить новый рекорд скорости 600 км/ч!

Силовые модули серии SKAI/SKADS представляют собой функционально законченные модули электропривода переменного тока, они содержат все компоненты, необходимые для управления 3-фазным электродвигателем электро- или гибридного автомобиля, и предназначены для широкого спектра приводных приложений мощностью 15… 250 кВт, рассчитанных на питание от шины постоянного тока напряжением от 42 до 900 В.

Концепция гибридного автомобиля с параллельной силовой установкой, разрабатываемая содружеством американских автопроизводителей, показана на рис. 1. По такой схеме создано большинство современных транспортных средств, применяющих комбинированный электропривод. Основным источником механической энергии в гибридном автомобиле служит двигатель внутреннего сгорания (ДВС), а электрическая энергия накапливается в аккумуляторной батарее (АКБ). При использовании параллельной, последовательной или других, более сложных, схем в гибридном автомобиле должен находиться узел, осуществляющий заряд АКБ и преобразование напряжения постоянного тока в напряжение, управляющее электродвигателем. Именно эту функцию выполняют модули SKAI. В зависимости от условий работы гибридного автомобиля нагрузка перераспределяется между ДВС и электроприводом, которые связаны единой трансмиссией, а потому такая схема и называется параллельной.

Рис. 1. Параллельная схема работы гибридного автомобиля

Функциональная схема и конструкция

Основные функциональные узлы силового модуля SKAI/SKADS показаны на рис. 2. Модуль содержит силовой 3-фазный инвертор MOSFET или IGBT, звено постоянного тока (DC-шина с накопительными конденсаторами), датчики тока, температуры и напряжения шины, драйверы затворов, управляющий контроллер, CAN-интерфейс, DC-DC конвертор для питания платы управления и систему охлаждения.

Рис. 2. Блок-схема силовых модулей SKAI/SKADS

Алгоритмы функций, выполняемых электронными блоками модуля, оптимизированы для управления 3-фазными электродвигателями постоянного тока. Исключение избыточных функций, необходимых для работы электроприводов широкого применения, позволило упростить и удешевить электронную схему. Для управления использован DSP-процессор, связь с которым осуществляется с помощью CAN/IEE485-интерфейса. Главный процессор соединен со специализированным SKAI-кон-троллером, который получает информацию от датчиков напряжения, тока, температуры и положения, формирует 3-фазный ШИМ-сигнал и через драйвер приводит в действие 3-фазный силовой каскад.

Все маломощные каскады модуля, включая схему управления, защиты, мониторинга и связи с внешними устройствами, расположены на одной печатной плате (драйвер/контроллер на рис. 3). Плата содержит контроллер (TMS320LF2406/2407), изолированный драйвер затворов MOSFET / IGBT, изолированный источник питания и ряд вспомогательных элементов. Используемые в SKAI/SKADS драйверы осуществляют все виды защит, необходимые для данного применения: от перегрузки по току (over-current protection), перегрева (over-temperature protection), перенапряжения на шине питания (over-voltage protection) и падения сигнального напряжения питания (under-voltage protection).

Печатная плата закрепляется в крышке силового модуля, ее подключение к силовому каскаду происходит с помощью пружинных контактов — это фирменный элемент конструкции модулей SEMIKRON. Пружинные контакты расположены в отверстиях в прижимной плате. Специальная форма пружин и серебряное покрытие обеспечивают высокую стабильность контактного сопротивления при различных механических и электрических нагрузках, в том числе при работе с микротоками. Чтобы переходное сопротивление контактов оставалось низким и постоянным при изменении  условий  эксплуатации,  плата контроллера/драйвера имеет свою прижимную рамку, закрепляемую на основании модуля, как показано на рис. 3.

Прижимная плата обеспечивает надежный тепловой контакт теплоотвода и керамической DBC-пластины с силовыми кристаллами. Между керамикой и радиатором находится слой теплопроводящей пасты, наносимой методом шелкографии (толщина слоя пасты не превышает 50 мкм). В модулях SKAI/SKADS может использоваться жидкостное (W в названии модуля) и принудительное воздушное (L в названии модуля) охлаждение.

Жидкостная система охлаждения, как стандартная система охлаждения автомобиля, является наиболее привлекательным способом отвода тепла автомобильного электропривода. Проблема состоит в том, что при нормальной эксплуатации температура тосола обычно превышает 100 °С. Для надежной работы силового электропривода в таких условиях необходимо, чтобы допустимая температура кристаллов силовых ключей была не ниже 175 °С, а материалы печатных плат и корпуса допускали нагрев до 150 °С Применительно к автомобильному электроприводу под надежностью подразумевается безотказная работа в течение 15 лет, что соответствует примерно 150 тыс. км пробега. Всем указанным требованиям соответствуют модули SKAI/SKADS.

В основе конструкции заложена прижимная технология SKiiP, разработанная компанией SEMIKRON в 1992 году и многократно подтвердившая отличные тепловые характеристики и высокую стойкость к термоциклированию системы охлаждения. Таким образом обеспечивается высокая надежность силового модуля и хорошая временная стабильность параметров в жестких условиях транспортных применений. Исключение из конструкции модуля медного или композитного основания, имеющего паяное соединение с DBC-керамической платой, позволило решить проблемы, связанные с усталостными процессами паяного шва и рассогласованием коэффициентов теплового расширения керамики и меди.

Основная задача, решаемая при использовании технологии SKiiP, — получение хороших тепловых характеристик и высокой надежности при минимальных весогабаритных показателях. Прижимная конструкция силовых модулей SKAI/SKADS имеет следующие основные особенности (см. рис. 4):

Рис. 4. Технология «прижимного контакта» в силовых модулях SKAI/SKADS

• DВC-плата (Direct Bonded Copper — керамическая пластина с медными шинами, нанесенными диффузионным методом) с силовыми кристаллами устанавливается непосредственно на теплосток;
• все конструктивные слои модуля соединяются с помощью прижима, паяные и сварные варианты исключены (пайка используется только для установки силовых чипов на DBC-плату);
• сигнальные связи силового модуля с устройством управления выполняются посредством пружинных контактов.

Керамическая DВC-пластина с установленными на ней кристаллами силовых транзисторов прижимается к радиатору с помощью платы, осуществляющей давление на керамику в точках наибольшего локального перегрева (усилие прижима 153 кг/см²). Такая конструкция позволяет заметно уменьшить величину теплового сопротивления «кристалл — теплосток» Rthjh, в результате чего температура кристалла при данном значении рассеиваемой мощности оказывается ниже. В силовых модулях SKAI/SKADS керамическая плата изготовлена из нитрида алюминия AlN, тепловые и механические характеристики которого намного лучше, чем у традиционного менее дорогого оксида алюминия Al₂O₃. Кроме того, использование нитрида алюминия в модулях прижимной конструкции предоставляет возможность увеличить срок службы изделия почти в два раза.

Эластичная прокладка, состоящая из нескольких слоев пористой силиконовой резины, передает давление от жесткой прижимной платы к сопрягаемым элементам и обеспечивает равномерность распределения давления. Крышка корпуса, имеющая стальную вставку, электрически соединяется с теплоотводом крепежными болтами и служит экраном, снижающим уровень наводок на плату драйвера. В модуле прижимной конструкции отсутствуют паяные и сварные соединения (кроме соединения чипов с DBC-керамикой) — это исключает механические напряжения из-за рассогласования коэффициентов теплового сопротивления сопрягающихся материалов и усталостные процессы, которые наблюдаются в паяных сочленениях. Исследования показывают, что прижимная конструкция, используемая в силовых модулях SEMIKRON, многократно повышает их надежность при испытаниях на термоциклирование.

Технология и конструкция

Проектирование мощных компактных устройств, оптимизация тепловых характеристик и обеспечение минимальных значений распределенных параметров немыслимы без компьютерного моделирования. Для успешного решения подобных задач необходим анализ плотности тока и распределения температуры в проводящих слоях и оценка распределенной индуктивности силовых шин. На каждом этапе разработки силовых модулей SKAI/SKADS проводилось подобное моделирование, на рис. 5а представлена упрощенная модель, используемая для оценки значения плотности тока в шинах DВС-подложки, в силовых кристаллах и DC-шине. Рис. 5б демонстрирует плотность тока в различных точках конструкции при открытом транзисторе IGBT верхнего плеча.

Рис. 5. Упрошенная модель и плотность тока в силовых шинах SKAI/SKADS

На рис. 6 показано расположение на керамической подложке кристаллов  транзисторов IGBT и антипараллельных диодов (FWD) высоковольтного модуля SKAI/SKADS, оптимизированное с точки зрения получения минимальной индуктивности шины и обеспечивающее так называемый принцип многоточечного доступа к DBC-плате. Реализованная в блоках SKAI/SKADS топология соединений обеспечивает минимальное расстояние между элементами коммутирующих цепей и наилучший динамический токовый баланс между параллельно соединенными кристаллами.

В результате тщательной проработки топологии соединений и компьютерного моделирования измеренное значение распределенной индуктивности звена постоянного тока низковольтных вариантов SKAI/SKADS не превышает 1 нГн для полумостового каскада с MOSFET ключами и 4 нГн для всей цепи, включающей DC-шину (+ 1 нГн) и банк конденсаторов (+ 2 нГн). Поэтому уровень перенапряжений, возникающий при коммутации силового каскада, даже в предельных рабочих режимах не превышает безопасного значения (15 В).

Низковольтные силовые модули SKAI/SKADS с MOSFET ключами предназначены для применения в силовых установках гибридных автомобилей и транспортных средств с батарейным питанием. Они поддерживают ток нагрузки от 300 до 700 A_RMS, зависящий от напряжения питания и способа охлаждения. Транзисторы, применяемые в таких блоках, имеют рабочее напряжение 75, 100 и 150 В. Они отличаются сверхнизкими потерями проводимости: сопротивление открытого канала R_dson не превышает 0,86 мОм для версий с напряжением 75 В; 1,14 мОм — для версий с напряжением 100 В; 2,09 мОм — для силовых модулей SKAI/SKADS, рассчитанных на 150 В. В блоках данного типа для обеспечения требуемого выходного тока используется до 7 чипов MOSFET, соединенных параллельно.

Эпюры, приведенные на рис. 7, позволяют косвенно оценить значение распределенной индуктивности шины низковольтного блока SKAI/SKADS по уровню перенапряжения при выключении MOSFET силового транзистора. Ток выключения составляет 700 А, скорость спада тока— 7100 А/мкс. Полученное значение всплеска напряжения ДV = L_BЧdi/dt = 5,89 В соответствует величине L_B = 0,83 нГн. Расчетное значение L_B, полученное в процессе моделирования с помощью программы, достигает 0,9 нГн. Столь высокая степень достоверности подтверждает как корректность использованных математических моделей, так и высокий уровень технологий SEMIKRON.

Рис. 7. Выключение MOSFET при токе 700 Д и скорости спада di/dt = 7100 Д/мкс

Датчик тока

Магниторезистивные датчики выходного тока SKAI/SKADS встроены в пазы, прорезанные в выходных АС-терминалах силового модуля. Датчик компенсационного типа представляет собой чип с двумя сенсорами, позволяющий в двух точках измерять градиент магнитного поля, создаваемого выходным током, и таким образом устранять влияние внешних полей. Диапазон измеряемых токов для сенсоров данного типа зависит от геометрии паза, а основными преимуществами является широкий температурный спектр, высокая точность, малый ток потребления и миниатюрность. Принцип действия датчика рассмотрен на рис. 8а, а на рис. 8б приведен внешний вид АС-терминала со встроенным датчиком.

На рис. 9 показан внешний вид одной из версий модулей с MOSFET ключами (а) и IGBT (б) без системы охлаждения. В приведенном варианте габаритные размеры блоков — 315Ч115Ч95 мм, вес — 3 кг.

В высоковольтных версиях SKAI/SKADS с напряжением 600 и 1200 В в качестве силовых ключей применяются транзисторы IGBT с антипараллельными диодами, изготовленными по CAL-технологии. Данный тип модулей предназначен для использования в перспективных транспортных средствах, энергия в которых вырабатывается с помощью топливных элементов. Структура силовой установки такого автомобиля показана на рис. 10.

Из-за большого тока пульсаций и необходимости обеспечения высокого срока службы, в DC-шине высоковольтных SKAI/SKADS использованы пленочные конденсаторы. Основные параметры выпускаемых блоков показаны в таблице, а краткие сведения о топливных элементах — новом и очень перспективном источнике энергии — приведены ниже.

В настоящее время известны различные типы топливных элементов, но наибольшую популярность получила технология так называемой протонной обменной мембраны РЕМ (Proton Exchange Membrane). Главное преимущество этих устройств состоит в том, что процесс производства электроэнергии происходит в них в результате электрохимической реакции. То есть в отличие от существующих классических методик, в том числе от чрезвычайно невыгодного с позиций КПД, но столь популярного ныне двигателя внутреннего сгорания, отсутствует расточительный во всех отношениях этап сгорания — РЕМ-элемент фактически превращает топливо сразу в электричество.

Между анодом и катодом топливной ячейки (см. рис. 10) находятся мембрана и катализатор с платиновым покрытием. На анод поступает водород, а на катод — кислород (например, из воздуха). На аноде водород при помощи катализатора разлагается на протоны и электроны. Протоны водорода [Н+] проходят через мембрану и попадают на катод, а электроны идут через особый токопро-вод — так возникает электрический ток. На стороне катода протоны водорода окисляются кислородом. В результате возникает водяной пар, который и становится основным элементом выхлопных газов автомобиля.

Обладая высоким КПД, РЕМ-элементы имеют один существенный недостаток — для их работы требуется чистый водород, чье хранение является достаточно сложной проблемой. Для обычных городских машин предлагается иной тип топливных элементов — твердо-оксидные ячейки SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Подобные ячейки не только значительно менее требовательны к чистоте топлива, но и имеют другое, куда более существенное преимущество, делающее их применение в современных автомобилях абсолютно естественным. Благодаря использованию РОХ-реформера (Partial Oxidation — частичное окисление) такие ячейки в качестве топлива могут потреблять обычный бензин.

Процесс превращения бензина непосредственно в электричество выглядит следующим образом. В особом устройстве — ре-формере, при температуре около 800 °С бензин испаряется и разлагается на составные элементы. При этом выделяется водород и привычный для нас углекислый газ (СO₂). Далее, также под воздействием температуры и при помощи SOFC (небольшой куб, состоящий из пористого керамического материала на основе окиси циркония) водород окисляется кислородом, находящимся в воздухе. После получения из бензина водорода процесс протекает по описанному выше аналогичному сценарию с одной лишь разницей: топливная ячейка SOFC, в отличие от устройств, работающих на водороде и метаноле, менее чувствительна к посторонним примесям в исходном топливе. Так что качество бензина не должно повлиять на работоспособность топливного элемента. Но главное, эффективность данного способа производства энергии значительно выше, чем у стандартных бензиновых ДВС.

Заключение

25 мая 2004 фирма SEMIKRON International получила от компании General Motors диплом «Поставщик года» (см. рис. 11) в знак признания за разработку интеллектуального силового модуля электропривода для автомобилей GM на топливных элементах. Награда за проект SKAI/SKADS была вручена на официальной церемонии, состоявшейся в Праге.

Рис. 11. Дипломом «Поставщик года» от компании General Motors

Победа модуля SEMIKRON обусловлена существенными преимуществами приводных решений перед предложениями других компаний, занимающихся созданием аналогичных устройств. По заключению специалистов GM модули SEMIKRON на 40% меньше аналогов, их основные технические характеристики на 25% лучше, при этом стоимость блоков SKAI/SKADS на 35% ниже, чем у изделий, предлагаемых конкурентами.

По словам Питера Фрея, главного менеджера отдела маркетинга компании SEMIKRON International, основная причина успеха фирмы — многолетний опыт производства силовых электронных сборок для рынка транспортных средств с электроприводом. В области проектирования электроприводов для гибридных автомобилей разработка фирмы SEMIKRON является полностью инновационной.

Конструкция силовых модулей SKAI/SKADS обеспечивает уровень защиты IP64. На данный момент изделия прошли полный цикл испытаний на соответствие автомобильным стандартам США и международным IEC. Модули протестированы на устойчивость к воздействию повреждающих перегрузок, включая перенапряжения и многократные короткие замыкания. Испытания рабочих режимов проводились в диапазоне температур  от -40 до+105°С. Во всех рабочих режимах КПД модулей превышает 95%.

О необычайном многообразии применений разработанных SEMIKRON модулей говорит следующий факт. Низковольтная версия силового модуля SKAI и сборка SEMISTACK на основе силовых интеллектуальных модулей SKiiP SEMIKRON использованы при проектировании гибридного маневрового локомотива будущего, названного Green Goat (рис. 12). Модуль SEMISTACK представляет собой 3-фазный инвертор, состоящий из полумостовых модулей SKiiP с жидкостным охлаждением. Сборка является составной частью тягового электропривода, а модуль SKAI с воздушным охлаждением используется как вспомогательный источник питания. Создание гибридных маневровых локомотивов, задача которых — буксирование вагонов и формирование составов, производится в рамках проводимой в США программы, направленной на повышение экономичности транспортных средств и снижение вредных выбросов.

Рис. 12. Гибридный локомотив Green Goat

В настоящее время SEMIKRON готовит к выпуску силовой модуль SKAI второго поколения, отличающийся расширенным температурным диапазоном и повышенной мощностью. При производстве усовершенствованных блоков использованы новейшие кристаллы Trench IGBT и более мощный контроллер серии TI 28xx, а для изготовления корпуса применены пластики с более высокой теплопроводностью.