Компактный и легкий тяговый инвертор мощностью 600 кВт на SiC MOSFET-модулях Wolfspeed

Конструкция инвертора

Инвертор CRD600DA12E-XM3 содержит два силовых модуля CAB450M12XM3, каждый из которых управляется драйвером CGD12HBXMP (рис. 1). Основная цель разработки состоит в повышении производительности системы за счет увеличения мощности и снижения паразитной индуктивности конструкции, а также уменьшения ее стоимости и сложности.

Рис. 1. На блок-схеме системы (слева) выделено три основных компонента: два силовых модуля, драйверы затворов и контроллер. Модули смонтированы на теплостоке (A), на них установлена плата управления с драйверами (B). Сдвоенный инвертор помещен в корпус (C). Ручки и опоры предусмотрены для удобства транспортирования. D — поперечное сечение 204267,5 мм

При разработке системы учитывалось пять ключевых моментов:

1. Высокая плотность мощности, достигаемая при использовании технологии карбида кремния (SiC). Поскольку чипы SiC способны работать при больших температурах, для повышения плотности мощности требуется внедрение передовых технологий рассеивания тепла.
2. Высокие скорости коммутации делают систему более подверженной перегрузкам и осцилляциям, вызванным наличием паразитной индуктивности. Это требует минимизации распределенной индуктивности за счет оптимизации дизайна силовых шин.
3. Описанная выше проблема также требует применения низкоиндуктивных компактных емкостей, допускающих высокие пульсации тока.
4. Драйвер затвора должен обладать достаточной мощностью, необходимой для работы на высоких скоростях коммутации, обеспечиваемых SiC-технологией.
5. Общая плотность мощности должна соответствовать требованиям конечного применения.

Выбор платформы силового модуля: XM3

Силовой модуль 100% SiC, созданный на платформе Wolfspeed XM3, является очевидным выбором благодаря отличным показателям плотности мощности. Его вес и габариты примерно вдвое меньше, чем у стандартного 62-мм модуля, разница еще более выражена в сравнении с корпусом EconoDUAL (рис. 2).

Рис. 2. Модуль XM3 (вверху), сравнение размеров (внизу слева), вид сбоку, показывающий непланарные силовые выводы XM3 (внизу справа)

В конструкции платформы XM3 предусмотрены перекрывающиеся планарные шины, обеспечивающие снижение паразитной индуктивности. Широкие и низкопрофильные токовые контуры внутри модуля гарантируют равномерное распределение токов между чипами, что обеспечивает их эквивалентные сопротивления в открытом состоянии. Силовые терминалы модуля смещены по вертикали, это позволяет упростить конструкцию DC-шины, соединяющей конденсаторы звена постоянного тока и модуль и остающейся ламинированной до самого модуля.

В результате суммарная паразитная индуктивность силового контура — всего 6,7 нГн при частоте 10 МГц. Это примерно в два раза меньше, чем у стандартных промышленных модулей, причем размеры основания (53×80 мм) составляют менее половины. Платформа XM3 предлагает компоненты, оптимизированные по характеристикам переключения и проводимости для различных целевых применений. К ним относится полумостовой модуль CAB450M12XM3 (1200 В, 450 А), использованный в описываемой системе.

Модули XM3 имеют встроенный датчик температуры, установленный рядом с нижним ключом; положение контакта для мониторинга напряжения насыщения (de-sat) обеспечивает простоту интеграции драйвера; высоконадежная подложка из нитрида кремния (Si₃N₄) улучшает стойкость к термоциклированию. Высокая производительность системы дополнительно обеспечивается внедрением технологий, направленных на повышение эффективности охлаждения, уменьшение паразитной индуктивности, упрощение схемы и снижение габаритов.

Система охлаждения

Высокая плотность тока, обеспечиваемая карбидокремниевыми (SiC) приборами, требует применения высокопроизводительной тепловой сборки с максимальной теплопередачей. Среди множества имеющихся вариантов наиболее популярными являются жидкостные радиаторы с запрессованными медными трубками. Недостаток доступных теплоотводов с тонкими (~12,7 мм) медными трубками, допускающих двусторонний монтаж модулей, заключается в высоком тепловом сопротивлении, отличающемся для разных сторон, а также в высоком перепаде давления, приводящем к неравномерному охлаждению по сторонам и по поверхности.

В отличие от этого в инверторе CRD600DA12E-XM3 использован радиатор, выполненный по технологии микродеформации Microcool (MDT) от Wieland (рис. 3). Запатентованная MDT-технология подразумевает недорогой производственный процесс механической и пластической деформации заготовки для формирования конечных повторяемых микроканалов.

Рис. 3. WOLFSPEED использует радиатор с технологией микродеформации MDT от WIELAND, имеющий 20 ребер на дюйм (у стандартных радиаторов 12 ребер на дюйм), обеспечивающий снижение теплового сопротивления и равномерное охлаждение

Эта технология лежит в основе высокопроизводительного радиатора со встроенными каналами, предназначенного для охлаждения контактной поверхности модуля XM3. Профиль двустороннего теплоотвода CP4012D-XP оптимизирован для соответствия с габаритами XM3 за счет уменьшения размеров радиатора CP3012 предыдущего поколения.

Сбалансированный поток охлаждающей жидкости, проходящей со скоростью 4 л/мин по каждой из шести позиций расположения модуля, обеспечивает низкое тепловое сопротивление 0,048 °C/Вт (на позицию) или 0,008 °C/Вт (на радиатор). Система охлаждения протестирована с инвертором CAB450M12XM3 при рассеиваемой мощности до 750 Вт на ключ.

Драйвер затворов

Поскольку карбидокремниевые модули SiC MOSFET гарантируют высокую производительность, драйвер должен обеспечивать ток управления (пиковый и средний), достаточный для включения и выключения транзисторов с высокой скоростью. Для выполнения этой задачи рекомендуется драйвер с номинальным выходным током более 10 А, например Wolfspeed CGD12HBXMP. Двухканальное устройство управления защищено от перегрузки по току и обратной полярности напряжения, оно имеет встроенный изолированный источник питания мощностью 2 Вт для поддержки частоты коммутации до 80 кГц. Резисторы включения и выключения затвора настраиваются пользователем, что позволяет оптимизировать потери переключения.

Драйвер имеет настраиваемую функцию детектирования тока перегрузки с плавным отключением, обеспечивает блокировку при понижении напряжения, а также исключает перекрытие входных ШИМ-импульсов управления. Время блокировки защиты от перегрузки составляет ~2 мкс для безопасного отключения тока короткого замыкания.

Поскольку SiC MOSFET-транзисторы отличаются высокой скоростью коммутации dV/dt, недостаточная устойчивость к синфазным шумам (CMTI) может привести к защелкиванию драйвера и последующему отказу силового модуля. Плата управления CGD12HBXMP имеет высокие показатели CMTI (100 кВ/мкс), малую барьерную емкость (<5 пФ), а также дифференциальные входы для повышения помехозащищенности.

Размеры CGD12HBXMP согласованы с габаритами модуля XM3, что позволяет создать компактное силовое ядро из шести модулей CAB450M12XM3 с драйверами, установленными на радиаторе (рис. 4). Такое компактное решение легко интегрируется в конструкцию привода с двумя инверторами.

Рис. 4. Шасси «сдвоенного силового ядра» XM3 с установленными драйверами затворов обеспечивает стабильность и эффективное прохождение теплового потока

Звено постоянного тока

Уменьшение паразитной индуктивности — ключевая проблема проектирования. Как упоминалось ранее, она частично решается за счет вертикально смещенных выводов питания модулей XM3. Такой дизайн силовых терминалов упрощает конструкцию DC-шины и снижает индуктивность силового контура. Не менее важен выбор блока DC-емкости, варианты которого показаны на рис. 5. Размеры конденсаторов — одно из самых больших препятствий на пути увеличения плотности мощности. Для достижения требуемого тока пульсаций обычно используются шесть цилиндрических емкостей 100 мкФ, которые занимают площадь 451 см² и требуют отдельной шины для подключения.

Рис. 5. Специализированный блок DC-шины (слева) и его сравнение с шестью стандартными цилиндрическими конденсаторами (справа)

Вместо дискретных компонентов Wolfspeed использует специализированный блок DC-конденсаторов (рис. 5) с площадью основания всего 234 см². Он имеет интегрированную ламинированную шину, подключенную к силовым выводам XM3 с обеих сторон радиатора, что уменьшает паразитную индуктивность и обеспечивает равномерное распределение токов в обоих модулях. При этом также сокращается количество элементов конструкции за счет исключения отдельных шин.

Емкость блока конденсаторов — 600 мкФ, рабочее напряжение — 900 В, пиковое номинальное напряжение — 1200 В. Поскольку величина паразитной индуктивности L_S звена постоянного тока и DC-шины имеет решающее значение для снижения скачков напряжения при высоких скоростях коммутации di/dt, характерных для инверторов на базе SiC-модулей, конструкция была протестирована с помощью измерителя импеданса, показавшего эквивалентное значение L_S = 13 нГн на силовых терминалах. В сочетании с индуктивностью 6,7 нГн модуля XM3 суммарная величина L_S силового контура составляет всего 20 нГн, что позволяет инвертору работать на высоких скоростях переключения.

Контроллер

Выбор управляющего контроллера основывается на следующих соображениях:

• он должен иметь достаточную «вычислительную мощность» для анализа всех входных данных и принятия соответствующих решений;
• он должен иметь высокое разрешение АЦП, достаточное для измерения всех необходимых состояний системы для надлежащего управления и мониторинга;
• он должен иметь быстрые аппаратные прерывания для адекватного реагирования на ошибки;
• он должен поддерживать стандартные протоколы связи, критически важные для правильной работы.

В плате контроллера использован двухъ­ядерный 200-МГц, 32-разрядный DSP с плавающей запятой от Texas Instruments. Устройство имеет достаточное количество входов АЦП для измерения тока, напряжения и температуры и обеспечивает поддержку стандартных протоколов, включая изолированный CAN.

Датчики тока

В сдвоенном инверторе предусмотрено шесть датчиков тока на выходных терминалах. При таком количестве сенсоров очень важен выбор компонентов с минимальными габаритами. Несмотря на доступность датчиков тока COTS, они достаточно громоздки для данной системы. Более того, некоторые из представленных на рынке сенсорных модулей «три в одном» накладывают ограничения на геометрию шин.

Для инвертора CRD600DA12E-XM3 выбран датчик Холла Melexis MLX91208 с диапазоном частот DC–250 кГц, обеспечивающий высоко­скоростной аналоговый выходной сигнал, пропорциональный плотности потока внешнего горизонтального магнитного поля, время отклика составляет 3 мкс. Сенсор размещен в восьмиконтактном корпусе SOIC, что позволяет установить его на компактную печатную плату, которую можно подключить непосредственно к выходной шине. Гибкость крепления РСВ упрощает подключение выходных шин.

Кроме того, в датчике MLX91208 имеется встроенный магнитоконцентратор (IMC), нанесенный на CMOS-чип, что устраняет необходимость в большом ферромагнитном сердечнике (рис. 6). По объему этот узел занимает всего 91,6 мл в сравнении с 800 мл для другого популярного сенсорного модуля, используемого в автомобильной промышленности.

Рис. 6. Датчик Холла MELEXIS IMC позволяет отказаться от громоздких ферромагнитных сердечников и существенно уменьшить габариты изделия

Высокие скорости коммутации dV/dt, характерные для SiC-инверторов, могут создавать помехи в чувствительных низко­вольтных сигналах, таких как сигналы датчиков тока. Близость сенсоров к цепям коммутации делает их еще более уязвимыми к шумам. Это относится и к кабелям между датчиком и контроллером, которые могут улавливать шумы при их некорректной прокладке в системе.

Сенсор, выбранный Wolfspeed, требует только многослойного U-образного магнитного экрана для защиты от внешних полей и их гомогенизации. Слой заземления на печатной плате блокирует емкостную связь между шинами и датчиком. Использование дифференциальных каналов значительно снижает влияние коммутационных шумов. Кроме того, применение экранированных кабелей с витой парой CAT6 между платами датчиков и контроллером гарантирует, что любые помехи становятся синфазными для обоих сигналов дифференциальной пары.

Тестирование

Для проверки всего силового контура был проведен стандартный «двухимпульсный» тест с индуктивной нагрузкой в условиях жесткой коммутации с использованием низкого сопротивления затвора. Анализ системы при постоянной нагрузке показал энергию включения 23,1 мДж при 800 В и 600 А с пиковой перегрузкой 113 А, при этом энергия выключения составила 30,1 мДж. Запас по напряжению шины для чипа достигает 80 В, что соответствует двукратной перегрузке относительно номинальных характеристик модуля.

Затем потери переключения на модуль были рассчитаны исходя из известной энергии включения 12,2 мДж и энергии выключения 12 мДж при номинальном токе 300 А. Используя формулу потерь мощности при переключении (P_SW):

P_SW = (E_ON + E_OFF) × f_SW × 1/2

и подставляя E_ON и частоту коммутации (f_SW) 10 кГц, получим:

P_SW = (12,2 мДж + 12,0 мДЖ) × 10 кГц × 1/2 = 121 Вт (на ключ).

Это значение потерь в три раза ниже, чем у сопоставимого Si IGBT (HybridPack 1200 В, 380 А). Большим преимуществом карбида кремния (SiC) также является предельно низкая энергия обратного восстановления (E_RR).

Инвертор был проверен в схеме с трехфазной рециркуляционной нагрузкой. Гибкое расположение выходных терминалов облегчает процесс тестирования — можно использовать шесть выходов двух независимых трехфазных инверторов с током 375 A_RMS либо три выхода одного трехфазного инвертора (с добавлением простых шин и параллельным соединением фаз) с током 750 A_RMS (рис. 7).

Рис. 7. Топология выходных шин обеспечивает гибкость для приложений, требующих высокого тока от одного инвертора

Для испытаний использовался вариант с одним инвертором, АС-выходы U и X объединены для формирования фазы A, V и Y-фазы B, W и Z-фазы C. Три нагрузочных дросселя с индуктивностью 125 мкГн подключены между выходами инвертора и средней точкой конденсаторной батареи 2,2 мФ с номинальным напряжением 1100 В.

Это позволяет проводить испытания с высокой мощностью при потреблении всего нескольких киловатт электроэнергии, когда DC-источник обеспечивает только потери в системе. Энергия передается от одной половины банка конденсаторов к другой через дроссели во время каждого цикла переключения, а направление потока энергии меняется на противо­положное в течение одного периода основной частоты.

После пятиминутного теста при напряжении шины 800 В корпус конденсатора нагревается на 13 °C выше температуры окружающей среды T_a, при этом температура драйвера затвора в самой нагретой точке на 40 °C выше T_a. При частоте переключения 10 кГц и основной частоте 300 Гц среднеквадратичное значение общего выходного тока составляет 750 А, что эквивалентно 624 кВт выходной мощности. Пульсация тока в нагрузочном индукторе 160 А при частоте 10 кГц, пиковый суммарный ток достигал 1200 А с учетом пульсаций.

Энергия переключения при 10 кГц, 375 А составляет 31 мДж. При общих потерях 5,53 кВт, или 460 Вт на ключ, динамические потери — 1,8 кВт. Результирующее значение КПД инвертора мощностью до 624 кВт превышает 99% (рис. 8).

Рис. 8. Потери мощности инвертора (слева) и КПД (справа) при Vdc = 800 В, fsw = 10 кГц, Та = +25 °C

Заключение

В соответствии с пятью ключевыми положениями, изложенными в статье, в эталонном трехфазном двойном инверторе CRD600DA12E-XM3 использованы силовые модули CAB450M12XM3, обеспечивающие пиковую выходную мощность 624 кВт и номинальный ток 375 A_rms на фазу или суммарный выходной ток 750 A_rms.

Вес инвертора в цельнометаллическом корпусе размером 204×267,5× 157,5 мм (рис. 1) составляет 9,7 кг при объеме 8,6 л, что позволяет достичь плотности мощности 72,5 кВт/л. Это более чем в два раза выше, чем у предыдущей эталонной конструкции мощностью 300 кВт на SiC-модулях, и в 3,6 раза выше, чем у инвертора на базе IGBT с эквивалентным номинальным током (табл.). Более подробную информацию о трехфазном двойном инверторе CRD600DA12E-XM3, силовом модуле CAB450M12XM3 и драйвере затвора CGD12HBXMP можно получить в техническом отделе Wolfspeed.