Высокопроизводительный 300-кВт трехфазный инвертор на основе нового поколения SiC силовых модулей

Особенности конструкции модуля

Стандартные корпуса силовых модулей широко применяются для производства современных промышленных кремниевых (Si) IGBT. Однако задача состоит в том, чтобы в полной мере использовать возможности SiC-технологии. Типоразмеры и внутренняя топология силовых корпусов первоначально разрабатывались для Si-приборов, которые обычно содержат один или несколько параллельных больших чипов с длинными сигнальными соединениями. Биполярная природа IGBT ограничивает скорость переключения таким образом, что упомянутые особенности конструктива являются приемлемыми. Применение этих корпусов для размещения кристаллов SiC возможно, но такое решение компромиссно.

Для того чтобы в полной мере реализовать характеристики SiC-приборов, силовой модуль должен иметь технологически ориентированную конструкцию. Такой дизайн способен преодолеть недостатки существующих конструкций. В SiC-ориентированном конструктиве несколько маленьких параллельных чипов должны располагаться таким образом, чтобы динамический ток равномерно распределялся между ними, а сигнальные цепи должны быть короткими и параллельными, чтобы кристаллы SiC коммутировались одновременно даже при высоких скоростях. Готовый модуль должен обеспечивать хороший баланс между производительностью, стоимостью и технологичностью.

Для решения этих задач Wolfspeed разработал модуль нового поколения, оптимизированный для достижения максимальной производительности с использованием коммерчески доступных SiC MOSFET Wolfspeed третьего поколения с рабочим напряжением 650–1700 В. Он обеспечивает коммутацию больших токов (300–600 А и выше) при небольших габаритах (53×80 мм) и имеет расположение терминалов, обеспечивающее простоту подключения и промежуточного соединения силовых шин. Низкоиндуктивная и симметричная компоновка гарантирует высокую скорость коммутации и минимальный уровень внутренних и внешних осцилляций. Паразитная индуктивность 6,7 нГн при площади основания, составляющей примерно 60% от стандартного модуля 62 мм, как видно на рис. 1.

Рис. 1. Корпус ХМ3 и стандартные корпуса IGBT

Топология терминалов

Токовые контуры выполнены широкими и низкопрофильными, они симметрично распределены между чипами таким образом, чтобы импедансы цепи коммутации каждого из них были эквивалентны. Силовые терминалы смещены по вертикали, как показано на рис. 2, для того, чтобы шины между DC-конденсаторами и модулем выполнялись ламинированными до самого модуля и были исключены изгибы, пересечения или сложная изоляция. В конечном счете это обеспечивает низкую индуктивность по всему силовому контуру от конденсаторов звена постоянного тока до SiC-чипов. Конструктив XM3 без кристаллов был подключен к анализатору импеданса Keysight E4990A для определения его собственной паразитной индуктивности. Индуктивность силового контура, измеренная на частоте 10 МГц между выводами V+ и V–, составляет 6,7 нГн.

Рис. 2. Расположение силовых терминалов ХМ3 (вид сбоку)

Потери при коммутации индуктивности

Модуль XM3 использует внутренние резисторы затвора, подключенные короткими и широкими низкоиндуктивными шинами, что гарантирует стабильную работу всех параллельных чипов при высоких скоростях переключения. Модули можно безопасно эксплуатировать с нулевыми внешними резисторами затвора при использовании DC-шин и конденсаторов с низкой индуктивностью, как показано на рис. 9 и 10. Это избавляет разработчика от необходимости выбирать внешние затворные резисторы, а также исключает ложные срабатывания и обеспечивает соответствие RBSOA. Коммутационные потери, в том числе потери обратного восстановления, при напряжении 800 В и токе 400 А составляют 42 мДж (R_Gext = 0 Ом). При желании можно использовать дополнительное внешнее сопротивление R_Gext. Зависимость коммутационных потерь от тока для различных номиналов резисторов показана на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость энергии переключения от тока стока XAB450M12XM3 при различных сопротивлениях затвора

Особенности конструкции инвертора

Для того чтобы реализовать преимущества низкоиндуктивного силового модуля, остальные компоненты звена постоянного тока инвертора должны быть сконструированы с учетом минимизации паразитных параметров. Снижение индуктивности силового контура позволяет уменьшить пиковые перенапряжения, создаваемые при коммутации ключей, а также подавить звон и осцилляции. Низкоиндуктивная структура инвертора обеспечивает более высокую скорость коммутации и, следовательно, меньшие потери переключения.

Философия проектирования инвертора непосредственно следует философии дизайна модуля: максимальная производительность за счет высокой плотности мощности, низкой распределенной индуктивности конструкции при минимальных затратах и сложности. Для достижения этой цели были рассмотрены пять ключевых параметров. Во-первых, из-за высокой плотности тока приборов SiC и компактных размеров модуля необходимо обеспечить высокоэффективную тепловую сборку для наилучшей теплопередачи. Во-вторых, паразитная индуктивность, вносимая силовыми цепями, должна быть минимизирована за счет использования низкоиндуктивной планарной структуры шин. В-третьих, для эффективного замыкания высокочастотного контура коммутации необходимы конденсаторы с низкой эквивалентной индуктивностью и высоким значением импульсного тока. В-четвертых, для эффективной коммутации и максимальной устойчивости в аварийных режимах драйвер затвора должен обеспечивать оптимальное управление с высокоскоростной защитой и хорошей помехоустойчивостью.

И наконец, стоимость всего изделия должна быть сведена к минимуму, а его разработку следует проводить таким образом, чтобы максимально упростить процесс сборки и производства. Инвертор имеет размеры 279×291×155 мм при общем объеме 9,3 л и плотности мощности 32,25 кВт/л (рис. 4). По сравнению с предыдущим 3-фазным инвертором Wolfspeed мощностью 250 кВт у нового изделия объем уменьшен на ~65%, а плотность мощности возросла на ~340% [1].

Рис. 4. Сборка инвертора 300 кВт

Тепловая сборка

Из-за высокой плотности тока силовых SiC-приборов тепловые характеристики модуля, слоя TIM и охладителя имеют решающее значение для уменьшения габаритов и веса. Изготовленный на заказ микродеформационный радиатор с жидкостным охлаждением, разработанный компанией Wolverine, был использован для обеспечения эффективного отвода тепла от корпуса XM3. Тепловые испытания модуля XAB450M12XM3, установленного на этом радиаторе при температуре охлаждающей жидкости +25 °C, показали, что он может рассеивать 670 Вт на ключ при общих потерях 1340 Вт и при максимальной температуре кристаллов +175 °C. Тепловой профиль на рис. 5 показывает небольшие вариации температуры между чипами. При мощности 670 Вт на ключ инвертор имеет выходной фазный ток 360 A_RMS, модуль XAB450M12XM3 работает на частоте 20 кГц при напряжении на DC-шине 800 В.

Рис. 5. Тепловой профиль модуля XM3, мощность рассеяния 670 Вт на ключ

Структура шин

Вертикальное смещение силовых выводов модуля упрощает и удешевляет конструкцию DC-шины и обеспечивает малую индуктивность силового контура. Низкоиндуктивная шина используется для соединения конденсаторов звена постоянного тока (расположенных под шиной) с силовыми модулями. Благодаря смещению выводов силового модуля шинная сборка не имеет изгибов, что снижает ее стоимость и максимизирует площадь перекрытия. Конденсаторы должны устанавливаться как можно ближе, чтобы свести к минимуму общую площадь контура коммутации. Как видно на рис. 6, шина состоит из одной плоской пластины, соединяющей вывод V+ модуля с конденсаторами, за которой следует изолятор, а затем вторая пластина, соединяющая приподнятые выводы V– с клеммами конденсаторами посредством выштамповки или прокладки. Конструкция достаточно проста в производстве, что сокращает стоимость и время ее изготовления.

Рис. 6. Поперечное сечение ламинированной DC-шины

Оптимальная ориентация конденсаторов была найдена путем измерения индуктивности трех прототипов геометрии шины, изготовленных в виде двухслойных печатных плат. В разных прототипах клеммы конденсаторов повернуты вертикально, горизонтально и по диагонали на 45°. Горизонтальная ориентация обеспечивает самую низкую относительную индуктивность и является ориентиром, используемым для изготовления ламинированной шины. Итерационный процесс проектирования с помощью малосигнального анализа паразитных элементов позволил протестировать несколько конфигураций шины для поиска оптимальной геометрии.

Выбор конденсаторов

При выборе конденсаторов звена постоянного тока следует учитывать три ключевых параметра: номинальное пиковое напряжение, допустимый ток пульсаций и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). Номинальное напряжение должно превышать сумму напряжения DC-шины и максимального уровня пикового перенапряжения при выключении. Для DC-шины 900 В выбраны конденсаторы с номинальным напряжением 1100 В. Требования к току пульсаций зависят от нагрузки, результирующее значение будет распределяться между параллельными емкостями. Конденсаторы включены в общий силовой контур, соответственно, они вносят свой вклад в общую индуктивность. Необходимо выбирать элементы с низкой индуктивностью, чтобы реализовать преимущества от высокой скорости коммутации, обеспечиваемой XM3. Конденсаторы CX100U1100D51 от Fischer & Tausche удовлетворяют этим требованиям, они имеют номинальный ток 100 А, ESL составляет 10,5 нГн на один элемент. Высокий номинальный ток этих конденсаторов позволяет использовать три параллельные емкости для суммарного тока пульсаций 300 А и ESL = 3,5 нГн.

Система управления

Представленная эталонная конструкция инвертора включает датчики, интерфейс, источники питания и контроллер, необходимый для управления приводом двигателя или инверторной системы (рис. 7). На выходах установлено три датчика тока, также предусмотрены дифференциальные высоковольтные сенсоры для измерения напряжения на DC-шине и трех внешних коннекторах. Изолированные драйверы затвора соединены плоским кабелем с печатной платой контроллера, по нему подается питание, дифференциальные сигналы, а также сигналы управления. Внешние высоковольтные сенсорные соединения выполнены на отдельной стороне корпуса, они отделены от низковольтных внешних соединений входа/выхода и питания. Внешний, защищенный разъем +12 В обеспечивает питанием низковольтные цепи: драйверы затвора, контроллер и датчики тока. Высокопроизводительный DSP с плавающей запятой используется для запуска контура управления инвертором, а также для обработки сигналов ввода/вывода.

Рис. 7. Элементы инвертора: датчики тока, печатная плата с DC-шинами, драйверы затворов, контроллер

Драйвер затворов

Для управления каждым из трех силовых модулей используется соответствующий размеру платформы XM3 драйвер затвора. Устройство оптимизировано для обеспечения максимальной производительности модулей Wolfspeed C3M. Шины +15 В/–4 В предусмотрены для питания выходного каскада драйвера в соответствии с рекомендуемым напряжением V_GS для приборов C3M. Блок питания Murata MGJ2D121505SC обеспечивает мощность 2 Вт для каждого канала при напряжении изоляции 5,2 кВ и емкости изолирующего барьера 2,9 пФ. Функции защиты драйвера включают программируемое обнаружение перегрузки по току с плавным выключением, блокировку при снижении напряжения и защиту от перекрытия ШИМ-сигналов. Схема детектирования перегрузки по току содержит высоковольтный блокирующий диод, подключенный к стоку во время включения, сигнал неисправности генерируется при превышении выбранного порога.

Дифференциальные сигналы используются на всех входах ШИМ, а также выходах сигналов неисправности и датчиков температуры. Применение улучшенных дифференциальных приемопередатчиков RS-422 с высокой стойкостью к синфазным помехам исключает искажения сигнала, связанные с крутыми фронтами, которые генерируют SiC-ключи. Кроме того, сенсор, встроенный в силовой модуль, формирует и подает обратно в контроллер изолированный ШИМ-сигнал температуры. Датчик расположен вблизи силовых чипов, но электрически изолирован от них, поэтому показывает приблизительную температуру базовой платы. Сопротивление NTC-сенсора коррелирует с виртуальной температурой кристаллов, как показано на рис. 8.

Рис. 8. Определение виртуальной температуры кристалла (Tvj) по показаниям термодатчика

Датчики тока

Датчики LEM LF 510-S, 500 А представляют собой преобразователи тока с замкнутым контуром. Они имеют номинальное напряжение изоляции 1500 В между первичной и вторичной цепями. Токовый выход предпочтителен для лучшей защиты от электрических помех, вносимых в соединение датчика и контроллера. Сенсоры с замкнутым контуром имеют более высокую точность и меньший температурный дрейф по сравнению с датчиками с разомкнутым контуром. Выходная АС-шина каждой фазы проходит через датчик тока, а сформированный им сигнал подается обратно на контроллер. Контроллер оснащен DC/DC-преобразователем, вырабатывающим биполярное напряжение ±15 В, необходимое для питания датчиков. На плате контроллера имеется четвертый, дополнительный токовый сенсор для внешних измерений.

Плата управления

Контроллер DSP — TI Delfino TMS320F28379D с двумя 32-битными ядрами, работающими на частоте 200 МГц, встроенными модулями CAN, модулями энкодера датчика положения и 12-битными АЦП оптимален для управления замкнутым контуром в режиме реального времени. Двойные ядра с плавающей запятой позволяют разделить быстрый контур управления и медленный код приложения на отдельные параллельные CPU. Встроенные периферийные устройства серии Delfino предназначены для работы системы управления в режиме реального времени, это два модуля CAN, два интерфейса позиционного энкодера для моторных приводов, четыре независимых АЦП с 12-битным разрешением и 24 внешними входами, а также 24 расширенных ШИМ-выхода.

Плата контроллера содержит схемы фильтрации и формирования сигналов для всех аналоговых сигналов обратной связи: четыре сигнала с датчиков тока LEM, трех сенсоров температуры модуля и термодатчика платы контроллера. Четыре сигнала измерения напряжения, поступающих на контроллер, являются высоковольтными, соответственно они должны быть понижены до безопасного для АЦП уровня. Это делается для повышения помехо­устойчивости, поскольку шумы могут исказить низковольтный сигнал (обычный уровень 0–5 В). Для связи с хост-системой предусмотрен изолированный CAN-интерфейс с промышленным стандартным разъемом DE9. Контроллер питается от силового разъема +12 В.

Конструкция корпуса

В инверторе использован недорогой, высокоинтегрированный пластиковый корпус со встроенными точками крепления для всех компонентов. Это устраняет необходимость в прокладках и стойках и сводит к минимуму проблемы с изоляцией. Заказная пластиковая конструкция делает инвертор более компактным и легким за счет исключения внешнего корпуса из листового металла. В верхней половине корпуса имеются монтажные приспособления для установки драйвера и платы управления с отверстием для установки внешних разъемов. Крышка из листового металла крепится к верхней половине корпуса и имеет прорези для вентиляции.

Экспериментальные результаты

Для подтверждения высокой производительности системы ее компоненты должны быть оценены как в частотной, так и во временной области. Малосигнальный анализ паразитных процессов позволяет точно измерять величины распределенных элементов, которые могут быть использованы в итеративном процессе проектирования для минимизации паразитной индуктивности, как было показано ранее на примере анализа шин. Импеданс модуля измеряется на уровне 5,3 нГн (комбинация индуктивности шины и DC-конденсатора). Индуктивности 5,3 нГн для DC-шин и DC-конденсаторов в сочетании с 6,7 нГн модуля определяют общее значение для силового контура — 12 нГн. Полученная величина уже значительно ниже, чем паразитная индуктивность многих устаревших стандартных корпусов силовых модулей [2, 3]. Благодаря этому инвертор может коммутироваться гораздо быстрее без риска возникновения опасных перенапряжений при выключении полупроводниковых приборов.

Проверка динамических характеристик инвертора

На осциллограммах (рис. 9, 10) представлены результаты проведения так называемого двухимпульсного теста модуля совместно с DC-шиной и конденсаторами звена постоянного тока. При напряжении питания 840 В и токе 620 А фиксируется минимальное перенапряжение (примерно 240 В) с небольшим звоном. Измерения проводились с использованием высоковольтного дифференциального пробника для V_DS, петли Роговского PEM на ток 600 А с полосой пропускания 23 МГц и оптически изолированных датчиков напряжения Tektronix IsoVu с полосой пропускания 500 МГц для сигналов V_GS в цепях управления верхнего и нижнего плеча.

Рис. 9. Процесс выключения (слева) и включения (справа) нижнего ключа

Рис. 10. Процесс выключения (слева) и включения (справа) верхнего ключа

Сигналы включения и выключения

Осциллограммы, показанные на рис. 9, получены в ходе испытаний инвертора на индуктивную нагрузку 14 мкГн в одном из состояний. Эпюры показывают качество сигналов коммутации при переключении XAB450M12XM3 при R_Gext = 0 Ом. Пиковое перенапряжение при выключении MOSFET при 840 В составляет 1080 В при скорости изменения напряжения 19 В/нс с низким уровнем звона. При токе включения 620 А зафиксирована перегрузка 710 А, а фронт тока (рис. 10) отражает динамические характеристики «тельного» диода при 840 В / 600 А и резисторе затвора R_Gext = 0 Ом. Макси­мальные скорости коммутации напряжения и тока при выключении достигают 17 В/нс и 15 А/нс соответственно. Пиковое перенапряжение, наблюдаемое при включении (процесс обратного восстановления), составляет 954 В. Минимальный ток обратного восстановления и потери наблюдаются со встроенным «тельным» диодом, как показано ранее [4]. Эпюры переключения MOSFET-транзистора и диода демонстрируют, что инвертор может иметь очень низкие коммутационные потери и небольшой звон даже при минимальном сопротивлении затвора.

Защита от перегрузки

Защита от перегрузки по току проверялась путем замыкания нижнего ключа силового модуля XM3 короткой медной полоской, соединяющей выход с выводом V–. Этот способ (рис. 11) имитирует короткое замыкание (КЗ) нагрузки, в данном случае — КЗ нагрузки с очень низкой индуктивностью. При использовании функции мягкого отключения драйвера затвор подключается к отрицательной шине питания через отдельный настраиваемый резистор при обнаружении перегрузки по току. Сопротивление мягкого отключения R_ss в несколько раз больше стандартного резистора затвора, что позволяет ограничить уровень перенапряжения при отключении больших токов.

Рис. 11. Имитация перегрузки по току: медная короткозамкнутая полоска, сильноточный пробник Роговского, PCB-шина

На рис. 12 показана типовая последовательность работы защиты от перегрузки по току. Длительность импульса тока задается минимальным временем блокировки схемы детектирования перегрузки, которое в данном случае примерно 1,2 мкс. Пиковый ток, полученный при испытаниях, достигал 6,2 кА, максимальное напряжение на стоке при выключении составило всего 985 В. Длительность импульса тока составляет примерно 2 мкс, что меньше допустимого времени КЗ для данных приборов [5]. Полученные результаты демонстрируют, что стандартный способ защиты по выходу из насыщения (desat) может быть использован в случае SiC при оптимизации времени блокировки и метода отключения.

Рис. 12. Перегрузка по току и отключение в «мягком» режиме через резистор R_ss = 5 Ом

Тестирование одной фазы

Тестирование инверторной сборки первоначально было проведено на однофазном испытательном стенде с рециркуляцией мощности. Индуктивная нагрузка подключена между одним из выходов инвертора и средней точкой большой конденсаторной батареи. Источник питания постоянного тока используется для зарядки конденсаторов и компенсации потерь системы. Энергия передается от одной половины банка конденсаторов к другой через индуктор во время каждого цикла коммутации. Направление передачи энергии меняется в течение одного периода основной частоты. Коэффициент мощности для инвертора равен единице, поскольку ток и напряжение всегда находятся в фазе. Схема испытательной установки показана на рис. 13. Ток нагрузки и ток стока верхнего ключа контролируются вместе с напряжением средней точки и напряжением на затворе. Напряжение DC-шины установлено на уровне 800 В, коэффициент модуляции увеличивается до тех пор, пока ток нагрузки не достигнет 360 Arms, что соответствует расчетным потерям модуля 930 Вт. Соответствующие эпюры сигналов для этого теста показаны на рис. 14.

Рис. 13. Схема испытаний в режиме рециркуляции мощности

Рис. 14. Эпюры сигналов в одной фазе при выходном токе 300 Arms

Тестирование инвертора в трехфазном режиме

Испытания инвертора на полную мощность с трехфазной нагрузкой проводились с той же конденсаторной батареей, что и на однофазном стенде, и трехфазным индуктором, подключенным между средней точкой и выходами инвертора. Источник DC-питания использовался для компенсации потерь, тесты проводились при напряжении 800 В. Инвертор работал на основной частоте 300 Гц с частотой переключения 10 кГц и токе нагрузки до 360 A_RMS, как показано на рис. 15. При подключении половины DC-шины к индуктору трехфазный инвертор обрабатывает общую мощность 300 кВт. Суммарные потери инвертора в данных условиях составляют примерно 2,8 кВт.

Рис. 15. Эпюры токов инвертора в трех фазах (300 Arms)

Заключение

В эталонном трехфазном инверторе CRD300DA12E-XM3 реализованы все преимущества технологии Wolfspeed C3M SiC MOSFET, обеспечиваемые высокопроизводительным корпусом силового модуля XM3. Низкая индуктивность корпуса поддержана на уровне инвертора за счет конструкции шин и выбора конденсаторов. Разработана высокоэффективная тепловая сборка, способная обеспечить мощность инвертора до 300 кВт при плотности мощности 32,25 кВт/л. Инвертор оснащен датчиками, драйверами и контроллером для максимальной реализации приводных или инверторных приложений. Инвертор был протестирован в режиме полной мощности, испытания продемонстрировали чистые коммутационные сигналы при высокой скорости переключения и низкие динамические потери C3M MOSFET.