IGBT-модули. Практическое исследование трехуровневых инверторов, выполненных по гибридной технологии с использованием SiC- и Si-транзисторов

Топологии современных трехуровневых инверторов

Современные трехуровневые инверторы строятся на основе кремниевых IGBT — это общее дизайнерское решение, обеспечивающее отличное соотношение цены и производительности. Как поясняется в [1–3], техническое преимущество такого решения над классическим двухуровневым В6-инвертором, представленным на рис. 1а, заключается в уменьшении коммутационных потерь, еще называемых «потери переключения», и снижении сложности системы фильтрации — правда, все это достигается за счет значительного повышения сложности схемы конечного решения. Наиболее часто используемыми трехуровневыми топологиями инверторов в диапазоне низких и средних мощностей являются схемы с фиксированной нейтралью и емкостным делителем напряжения. Здесь мы имеем дело с двумя технологиями их реализации: на базе диодов (Neutral Point Clamping Diode) и транзисторов (Neutral Point Clamping Transistor), которые показаны на рис. 1б, в соответственно.

Рис. 1. Обычно используемые конфигурации инвертора:
а) двухуровневый (B6, Six-Pack) инвертор;
б) трехуровневый с фиксированной нейтралью на основе диодов (NPC-1, I-типа);
в) трехуровневый с фиксированной нейтралью на основе транзисторов (NPC-2, T-Типа). С целью упрощения для каждой топологии здесь показана только одна из трех фаз

Как объяснено в [2, 4 и 5], обе представленные на рис. 1 трехуровневые топологии имеют свои преимущества и недостатки. В то время как инверторы T-типа имеют меньшее количество полупроводниковых устройств на пути прохождения тока и, следовательно, более низкие потери проводимости, инверторы I-типа выигрывают в результате присущих им более низких коммутационных потерь, поскольку в них не используются относительно медленные полупроводниковые приборы с высокими допустимыми рабочими напряжениями. В результате инверторы T-типа обычно работают на частотах переключения максимум до 20–30 кГц, а в инверторах I-типа применяются более высокие частоты преобразования.

SiC-технология коренным образом меняет ситуацию

Уникальные особенности характеристик переключения транзисторов, выполненных по технологии карбида кремния (SiC), были описаны в [7, 8] вместе с потенциальным эффектом, который дает их использование в приложениях, связанных с преобразованием энергии. С открывающимися в результате применения полупроводниковой SiC-технологии возможностями разработчики получают большую свободу в выборе своих решений, при этом им открываются недоступные ранее варианты реализации инверторов. В этом плане быстродействующие ключи на базе SiC-транзисторов с блокирующим напряжением 1200 В могут сделать инверторы T-типа привлекательными для более высоких рабочих частот преобразования, и даже совершить переход обратно к двухуровневому решению. Последний вариант может быть рассмотрен в целях достижения более высокой эффективности и сокращения общей ведомости покупных элементов, а также снижения расхода основных и вспомогательных материалов [6].

В следующих разделах будет экспериментально продемонстрирован потенциал гибридного инвертора T-типа с использованием МОП-транзисторов Cool-SiC с блокирующим напряжением 1200 В и IGBT TRENCHSTOP 5 с блокирующим напряжением 650 В (блокирующее напряжение иногда называют «напряжение пробоя перехода» и принимают его как максимальное рабочее напряжение силового транзистора). Ключевыми преимуществами этого подхода являются низкие потери проводимости и коммутационные потери, а также относительно низкая энергия на включение и более простая схема фильтрации электромагнитных помех (ЭМП) по сравнению с преобразователями более чем с тремя уровнями. И главное, о чем нельзя забывать, — это относительно простая организация управления.

Особенности примененной испытательной установки и условия тестирования

Поскольку цель данной статьи — рассмотрение и оценка влияния на эффективность конечной системы только лишь силовых полупроводниковых приборов разной технологии, все измерения проводились с помощью однофазной тестовой платы (рис. 2) и одного и того же выходного LCL-фильтра, разработанных компаниями Tecnologie Future S.r. и Infineon Technologies Austria A.G. Целью проектирования этого устройства, использованного для тестирования транзисторов, было обеспечить простоту замены компонентов, а также легкий доступ для проведения тепловых и электрических измерений, а отнюдь не демонстрация достижений в части увеличения плотности мощности или снижение стоимости.

Рис. 2. Однофазные устройства, использованные для тестирования. Вид спереди и сбоку

Следует отметить, что абсолютные значения эффективности (в данном случае коэффициента полезного действия, КПД), полученные в однофазной системе, не соответствуют значениям КПД в трехфазной и трехпроводной системах, то есть в системах без нейтрали. Это связано с тем, что, во-первых, здесь имеются различия в части потерь в сердечнике фильтров, а во-вторых, использованная для тестирования схема модуляции не может применять метод добавки третьей гармоники.

Во всех вариантах испытаний использовались драйверы управления затворами Infineon 1EDI60N12AF. Этот компактный изолированный одноканальный драйвер выполнен по технологии с прямой индуктивной трансформаторной связью без сердечника и обладает высокой устойчивостью к переходным процессам синфазного режима, что является основным требованием при управлении высокоскоростными ключами инверторов. Выходное напряжение драйверов формируется с помощью отдельного высокочастотного трансформатора, расположенного в непосредственной близости к драйверу, на который подается напряжение от одного из резонансных каналов переменного тока. С помощью заданного коэффициента трансформации трансформатора напряжение затвора устанавливается на уровне +12 В для включения и –8 В для выключения.

Однофазный инвертор работал при фиксированном и поддерживаемом постоянном напряжении на шине DC-link, равном 720 В напряжения постоянного тока, обеспечивающем напряжение 230 В (скз.) на выходе. Для того чтобы определить эффективность преобразования для разных уровней нагрузки, выходной ток инвертора увеличивался с шагом в 1,5 A (скз.) каждые 5 мин. Для этой цели использовалась электрическая нагрузка переменного тока.

Результаты испытаний

Результаты всех измерений, полученных в ходе испытаний, приведены в таблице 1. Для каждого варианта представлена схема, перечислены испытуемые полупроводниковые приборы, рабочая частота коммутации f_sw, а также предельная достигнутая выходная мощность P_max и максимальная эффективность h_max.

Примечания:
¹⁾ За P_max принимается уровень выходной мощности, которая может быть получена до достижения испытуемым полупроводниковым прибором температуры +100 °C, измеренной на лицевой стороне его корпуса.
²⁾ За η_max принято максимальное значение эффективности (КПД), которое было получено в ходе испытаний.

На рис. 3 показаны значения эффективности преобразования, полученные в зависимости от выходной мощности на частоте 24 и 48 кГц соответственно. Значения эффективности предусматривают потери на полупроводниковых приборах и пассивных элементах, но без учета мощности, требуемой для системы управления, и мощности, потребляемой драйвером.

Рис. 3. Эффективность (КПД) преобразования в зависимости от выходной мощности для однофазной тестируемой системы при коэффициенте мощности, равном единице

Распределение потерь (рис. 4) оценивалось с помощью аналитической процедуры расчета и проверялось с использованием температуры чипа и теплоотвода. Малые отклонения считались вызванными отклонением потерь переключения и были скорректированы в соответствии с экспериментальными данными. Калибровочные измерения для определения корреляции между потерями и температурой были выполнены заранее.

Рис. 4. Распределение потерь в полупроводниках для однофазной тестируемой системы при коэффициенте мощности, равном единице

Выбор полупроводникового прибора с блокирующим напряжением 1200 В основан на его номинальном рабочем токе в режиме DC, указанном в спецификации (data sheet). Ключи с напряжением 650 В сохранялись во всех тестах одни и те же — это S5 IGBT на основе компромисса в части потерь проводимости и коммутационных потерь. В качестве диодов были выбраны быстрый кремниевый диод, а также SiC SBD (карбид-кремниевые диоды с барьером Шоттки) — оба с одинаковыми номинальными токами в режиме DC при температуре корпуса +100 °C.

IGBT трехуровневое решение: 3L-IGBT

Поскольку трехуровневое, чистое кремниевое решение на IGBT можно рассматривать как современное, используемое на текущий момент, оно в рамках этой статье служит эталоном для сравнения. Как показано на рис. 3, выходная мощность 4 кВт на фазу и максимальная эффективность 98,5% (при мощности в 1 кВт) достигались при рабочей частоте преобразования, равной 24 кГц. Небольшое повышение эффективности и выходной мощности может быть достигнуто с более низкой частотой переключения за счет увеличения фильтра, что необходимо для поддержания одинакового уровня пульсаций и показателей в части уровней электромагнитных помех.

Гибридное трехуровневое решение: 3L-Hybrid-1

Весьма эффективным способом уменьшения коммутационных потерь является замена ключей T1 и T2 инвертора T-типа на МОП-устройствах CoolSiC, что приводит нас к решению, называемому 3L-Hybrid-1. Сохраняя ту же рабочую частоту переключения, как и для классической схемы, равной 24 кГц, максимальный КПД повышается на 0,5% при одновременном увеличении выходной мощности на 25%. При удвоении рабочей частоты размер и, соответственно, стоимость выходного фильтра можно уменьшить, сохранив при этом характеристики эффективности на уровне решения на базе IGBT. Это гибридное решение можно считать относительно сбалансированным: здесь при всех циклах коммутации всегда используется один карбид-кремниевый и один кремниевый транзистор.

Гибридное трехуровневое решение: 3L-Hybrid-2

Дальнейшее повышение производительности может быть достигнуто заменой кремниевых диодов Rapid 1 (D3, D4) на диоды CoolSiC с барьером Шоттки, что приведет к третьему решению — 3L-Hybrid-2. Хотя SiC-диоды (D3, D4) и увеличивают потери проводимости на несколько ватт, это более чем уравновешивается экономией, если рассматривать коммутационные потери в связке Т1, T2 и D3, D4. Поэтому преимущества данного решения растут с частотой переключения. По-видимому, такое решение удается оптимизировать к частотам, которые могут быть даже выше, чем использованная в рамках представленных исследований частота преобразования энергии 48 кГц.

Заключение и выводы

Результаты, представленные в этой статье, демонстрируют, что использование устройств на базе SiC-технологии позволяет разработчикам иметь достаточно большую и недоступную для них ранее степень свободы при проектировании силовых электронных систем. Когда главными задачами проектирования становятся высокая эффективность и мощность, существующая трехуровневая топология T-типа может быть адаптирована простой заменой кремниевых IGBT на карбид-кремниевые МОП-транзисторы (вариант 3L-Hybrid-1) и поддержанием относительно низкой рабочей частоты преобразования энергии.

Если подходить с точки зрения оптимизации системных затрат, то рабочая частота преобразователей может быть увеличена. В этом случае оба гибридных решения являются приемлемым вариантом. Выбор будет в значительной степени зависеть от требований в части КПД и коэффициента мощности, а также от компромисса между уменьшением стоимости магнитных компонентов и добавленной стоимости за счет применения более дорогих в настоящее время карбид-кремниевых компонентов.