Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2010 №7

Специализированные модули iGBT для 3-уровневых преобразователей на основе кристаллов 650 В IGBT3 и ECD (Emitter Controlled Diode3) диодов

Йенсен Уве (Uwe Jansen)  
Рутинг Холгер (Holger Ruething)  
Си Чжан (Zhang Xi)  

Перевод: Карташев Евгений


Благодаря своим преимуществам топология 3-уровневых преобразователей со связанной нейтралью (NPC), широко используемая в сверхмощных преобразователях, может применяться в схемах низкой и средней мощности. Использование низковольтных IGBT позволяет улучшить спектральный состав и снизить уровень динамических потерь в применениях, где необходима фильтрация выходного сигнала. К ним относятся, например, источники бесперебойного питания или инверторы солнечных батарей. До настоящего времени 3-уровневая схема могла быть построена на основе как минимум трех дискретных ключей. Объединение в одном модуле элементов, входящих в стойку 3-уровневого инвертора, использование низковольтных чипов в высоковольтной схеме, а также применение простой специализированной схемы управления позволяют существенно повысить потребительские свойства готового решения.

Принципы работы 3-уровневой NPC-схемы

Трехуровневая фазная стойка NPC состоит из четырех последовательно соединенных IGBT с антипараллельными диодами и двух дополнительных диодов Dh и Db, соединяющих промежуточные узлы схемы с нейтральной точкой DC-шины. Все используемые силовые ключи имеют одинаковое блокирующее напряжение. В зависимости от знака выходного напряжения и тока за один период выходного сигнала в схеме присутствуют 4 различных контура коммутации. При положительных знаках напряжения и тока T1 и Dh работают как понижающий чоппер, при этом Т2 проводит выходной ток без коммутации, как показано на рис. 1а. При изменении направления сигнала на отрицательное T4 и Db становятся повышающим чоппером, а ток протекает через Т3. В описанных режимах работы только два ключа участвуют в контуре коммутации, который можно назвать «коротким».

Контуры коммутации 1 фазы 3-уровневой схемы: а) короткий; б) длинный

Рис. 1. Контуры коммутации 1 фазы 3-уровневой схемы: а) короткий; б) длинный

Однако в случае отрицательного знака выходного тока при положительном напряжении токовый путь через T3 и Db должен быть переключен в D2 и D1, как показано на рис. 1б. Этот контур содержит четыре ключа, поэтому в дальнейшем он будет называться «длинным». Еще одно возможное состояние схемы также использует длинный путь коммутации. Обеспечение минимального значения распределенных индуктивностей и уровня коммутационных перенапряжений является одной из самых сложных задач при разработке 3-уровневой схемы.

Новые специализированные модули для 3-уровневой NPC-схемы на основе кристаллов IGBT3 и ECD3 с рабочим напряжением 650В

Интеграция в одном модуле четырех IGBT и шести диодов для сверхмощных применений не представляется возможной. Однако создание подобных модулей для схем малой и средней мощности вполне целесообразно с учетом того, что все силовые и контрольные терминалы могут быть размещены в стандартном корпусе.

Специализированный модуль малого диапазона мощности создан на базе конструктива EasyPACK 2B (рис. 2), размеры DBC-подложки которого достаточны для размещения одной стойки 3-уровневого инвертора с током до 150 А. Сетка выводов этого модуля обеспечивает высокую гибкость как при подключении внешних терминалов, так и для реализации промежуточных соединений. У данного элемента доступны дополнительные сигнальные подключения эмиттера. Силовые терминалы объединяют до 8 стандартных контактов в параллель, что позволяет обеспечить требуемую плотность тока и минимизировать значение паразитной индуктивности.

Корпус EasyPACK 2B

Рис. 2. Корпус EasyPACK 2B

Для создания специализированного модуля среднего диапазона мощности оптимальным выбором представляется новый конструктив EconoPACK 4 (рис. 3). Три силовых терминала обеспечивают низкоиндуктивное подключение к разделенной в соответствии с 3-уровневой топологией DC-шине, а два параллельных вывода на противоположной стороне образуют фазный выход. Печатная плата драйвера может быть подключена непосредственно к сигнальным контактам, расположенным на рамке модуля. Силовой ключ на основе EconoPACK 4 предназначен для разработки преобразователя с током до 300 А.

Корпус EconoPACK 4

Рис. 3. Корпус EconoPACK 4

Интеграция всех компонентов стойки в одном корпусе позволяет существенно снизить распределенную индуктивность схемы, однако использование силовых ключей с обратным напряжением 600 В создает проблемы при решении следующих задач:

  • точная балансировка напряжения DC-шины;
  • высокая скорость переключения.

Для упрощения процесса разработки и обеспечения необходимого запаса по предельным режимам в модуле использованы улучшенные чипы с блокирующим напряжением 650 В. Новые кристаллы имеют те же потери проводимости и переключения, что и стандартные низковольтные чипы 600 В IGBT3. Неизменными остались также динамические характеристики и границы области безопасной работы (SOA, RBSOA, SCSOA). Это оказалось возможным за счет модернизации структуры выводов чипов IGBT и диодов, при этом их толщина сохранена на уровне 70 мкм. Напряжение насыщения новых 650-В кристаллов также не изменилось, оно составляет 1,45 В/1,7 В при температуре +25... + 150 °С, а на динамические потери на частоте 16 кГц приходится примерно 30% общих потерь инвертора. У модернизированных чипов удалось обеспечить низкое значение «хвостового» тока во всем диапазоне рабочих режимов, включая критические [2]. Для диодов найдено оптимальное соотношение между прямым напряжением VF (1,55 В/1,45 В при +25... + 150 °С) и зарядом обратного восстановления Qrr и обеспечен его плавный характер [1].

Проблемы разработки драйвера 3-уровневого инвертора IGBT

Особенности NPC-структуры в диапазоне малых и средних мощностей предъявляют ряд специфических требований к схеме управления, которая должна обеспечивать оптимальные характеристики системы в целом.

Например, высокая частота коммутации. Поскольку диапазон рабочих частот для 3-уровневых схем составляет 16-30 кГц, драйвер должен обеспечивать малое и согласованное время реакции, а также минимальное «мертвое время» tdt. Для новых 650-В кристаллов длительность tdt определяется в первую очередь разбросом времени задержки драйвера [3]. Если «мертвое время» окажется больше периода несущей частоты, это может привести к нелинейности в работе инвертора, что потребует соответствующего изменения алгоритма управления [4, 5]. Особенности топологии:

  • Хотя в 3-уровневой схеме применены только низковольтные ключи (600 или 650 В), требования по изоляции должны соответствовать 12-му классу.
  • Поскольку необходимое количество драйверов в данном случае в 2 раза больше, чем у классического 2-уровневого инвертора, плата схемы управления и источника питания должна разрабатываться в соответствии с определенными требованиями по плотности монтажа.
  • Защитные функции, такие как детектирование КЗ и отключение при падении напряжения управления (UVLO), должны быть адаптированы для использования в NPC-схеме. Раннее отключение средних IGBT (Т2, Т3 на рис. 1) может привести к отказу устройства, поскольку при этом к ним прикладывается полное напряжение DC-шины, превышающее их блокирующие свойства (границы, оговоренные SCSOA, RBSOA). Драйверы IGBT новой серии EiceDRIVER удовлетворяют всем указанным требованиям [6, 7]:
  • Встроенный микротрансформатор обеспечивает базовую изоляцию для повторяющегося напряжения 1420 Vpeak.
  • Режим активного подавления эффекта Миллера позволяет драйверу работать от одного источника питания на высокой частоте без риска ложного срабатывания [8].
  • Использование микротрансформатора позволяет существенно снизить допуски на основные параметры драйвера и разброс времени задержки по сравнению с устройствами управления с оптической изоляцией.
  • Встроенная защита по выходу из насыщения (VCEsat) используется для «внешних» ключей, защита «внутренних» IGBT должна быть заблокирована.

Результаты лабораторных тестов

Далее представлены эпюры переключения 3-уровневого модуля EasyPACK 2B. При проведении испытаний использовался драйвер 1ED020I12-F, измерение токов производилось датчиками, включенными в цепи питания DC+ и DC-.

Короткий контур коммутации

На рис. 4 приведены эпюры процессов, происходящих в «коротком» контуре при номинальном токе при напряжении DC-шины 400 В и температуре +25 °С. При пиковом уровне 550 В переходные напряжения остаются в допустимых пределах.

Эпюры сигналов «короткого» контура коммутации

Рис. 4. Эпюры сигналов «короткого» контура коммутации

Длинный контур коммутации

На рис. 5 приведены эпюры процессов, происходящих в «длинном» контуре при номинальном токе и при тех же режимах работы. Пиковый уровень переходного напряжения составляет 580 В, что всего на 30 В больше, чем в «коротком» контуре, и ниже предельно допустимого значения (650 А).

Эпюры сигналов «длинного» контура коммутации

Рис. 5. Эпюры сигналов «длинного» контура коммутации

Первые результаты тестов показывают, что интеграция элементов 3-уровневой стойки в одном модуле позволяет сделать процесс коммутации «длинного» контура близким к процессу, происходящему в «коротком» контуре. Однако для того чтобы сделать переключение IGBT достаточно безопасным на больших токах, необходимо еще больше снизить значение распределенных индуктив-ностей LS конструктива. Проще всего это достигается за счет использования нескольких параллельных конденсаторов и многослойной шины, что позволяет снизить расстояние между копланарными силовыми слоями, соединяющими модули и конденсаторы. Кроме того, необходимо учитывать, что в реальных применениях не используются трансформаторы тока в DC-соединениях. Их включение в состав тестовой схемы увеличивает общее значение LS примерно на 15 нГ, что повышает уровень перенапряжений на 45 В.

Заключение

Объединение элементов 3-уровневой фазной стойки в одном модуле, повышение блокирующей способности чипов до 650 В, а также применение специализированного драйвера делает использование 3-уровневых схем привлекательным для реализации некоторых типов преобразователей малой и средней мощности. В первую очередь к ним относятся высокочастотные устройства, которые при работе с выходным фильтром должны обеспечивать высокий КПД: UPS с двойным преобразованием и инверторы солнечных батарей.

Литература

  1. Datasheet of FS6R06VE3_B2. www.infineon.com
  2. Kanschat P., Ruthing H., Umbach F., Hille F. 600 V IGBT3: A detalied analysis of outstanding static and dynamic properties. Proceedings of ISPSD.
  3. Infineon Technologies AG: AN 2007-04. How to calculate and minimize dead time requirement for IGBTs properly. May 2007. www.infineon.com
  4. Holmes G., Lipo T. Pulse width modulation for power converters // IEEE Press. Piscataway. 2003.
  5. Kalker T., Ackva A., Jansen U. Novel digital controller for induction machines considering the inverter swicthing times and a fluctuating DC-link voltage // EPE. 1991. Vol. 2.
  6. Strzalkowski B., Jansen U., Schwarzer U. High performance IGBT-driver in microtransformer technology providing outstanding insulation capability // PCIM. 2007.
  7. Datasheet 1ED020I12-F. Oktober 2008. www.infineon.com
  8. Infineon Technologies AG: AN 2006-01. Driving IGBTs with unipolar gate voltage. Dec. 2005. www.infineon.com

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке