Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2010 №11

Привод на все случаи жизни. Масштабирование и стандартизация — путь к снижению стоимости и габаритов силовых преобразователей

Грассоф Томас (Grasshoff Thomas)


Перевод: Колпаков Андрей


Электрические приводы используются практически во всех областях нашей жизни: в промышленности, на транспорте, в бытовой технике. Приводы работают в металлообрабатывающих станках, насосах, лифтах, подъемных машинах и т. п. Постоянно растет потребность в специализированных инверторах, предназначенных для решения конкретных задач, однако обеспечение высокой экономической эффективности невозможно без применения стандартных решений. Одним из возможных путей создания недорогого устройства управления двигателем, способного решать широкий круг задач, является разработка унифицированных платформ. Масштабирование подобных платформ для работы в различных диапазонах мощности должно осуществляться с помощью минимального набора базовых блоков.

Введение

Современная преобразовательная система должна иметь конкурентную цену и малые габариты. Уже почти 60 лет компания SEMIKRON, один из ведущих мировых производителей компонентов силовой электроники, старается активно внедрять стратегию так называемых платформ, разрабатывать конструктивы модулей и сборок, максимально унифицированные для различных диапазонов мощности. Это дает возможность пользователям создавать готовые изделия в короткие сроки при минимальных расходах на проектирование.

Сегодня в мире только 10% моторов управляются от частотно-регулируемых приводов (ЧРП), хотя общеизвестно, что их применение дает возможность сэкономить до 30% электроэнергии. Замена неуправляемых приводов на управляемые позволяет существенно повысить эффективность использования энергии и увеличить ресурс двигателей, кроме того, массовый переход на ЧРП способствует снижению выброса парниковых газов.

Для достижения максимальной эффективности работы силового преобразователя необходимо обеспечить наилучшее сочетание характеристик инвертора, устройства управления и системы охлаждения. Для этой цели следует использовать оптимальные алгоритмы контроля, резонансные или близкие к ним режимы работы силовой секции, повышать частоту коммутации. Увеличение рабочей частоты позволяет снизить требования к выходным фильтрам, стоимость и габариты которых вносят заметный вклад в общие показатели системы. Современные требования по динамическим характеристикам сетей и электромагнитной совместимости (EMC) могут быть обеспечены только при высоком качестве выходного сигнала. Для решения этой задачи применяются все более сложные схемы фильтрации и алгоритмы управления.

Концепция конструктивных платформ

Наглядным примером подобных изделий являются семейства модулей IGBT, получившие в производственной программе SEMIKRON название MiniSKiiP и SEMiX. Компоненты серии MiniSKiiP, выпускаемые в 4 типах корпусов, покрывают диапазон мощности от 1 до 37 кВт (рис. 1). Каждый типоразмер имеет 3 токовых класса, таким образом, в рамках одного конструктива можно разработать несколько вариантов преобразователей. Токовые характеристики модулей MiniSKiiP 2 и соответствующие мощности инверторов приведены в таблице 1 [1].

Типы корпусов и номинальные токи модулей серии MiniSKiiP для диапазона мощности 1–37 кВт

рис. 1. Типы корпусов и номинальные токи модулей серии MiniSKiiP для диапазона мощности 1–37 кВт

Таблица 1. Номинальный ток и соответствующая мощность инвертора для 3-фазных (6-раск) модулей IGBT MiniSKiiP

Тип модуля MiniSKiiP 1 MiniSKiiP 2 MiniSKiiP 3
Номинальный ток, А 35 50 75
Мощность инвертора, кВт 7,5 11 15

Масштабируемость — не единственное требование для построения универсальной платформы, желательно также, чтобы каждый типоразмер силового ключа содержал несколько стандартных типов схем. Модули MiniSKiiP выпускаются в виде 3-фазных инверторов (АС) и в приводной конфигурации СIВ (выпрямитель + инвертор + тормозной чоппер).

Особенностью компонентов серии является использование пружинных контактов для подключения сигнальных и силовых цепей, в последнем случае они объединяются в группы с учетом токовой нагрузки. Сетка контактов позволяет для каждого типа модуля и диапазона мощности инвертора подобрать наиболее удобное их расположение с точки зрения разводки цепей интерфейсной платы.

Еще одним примером конструктивной унификации служит семейство SEMiX [2], все компоненты которого имеют одинаковый дизайн, высоту и способ подключения. Как показано на рис. 2, модули разных типоразмеров отличаются только длиной, при этом унифицирована и внутренняя структура компонентов. Все они построены с использованием одинаковой полумостовой DBC-платы с чипами IGBT и диодов: в модулях 2-го, 3-го и 4-го типоразмера соединены параллельно 2, 3 и 4 такие платы соответственно. Симметричные и короткие связи чипов обеспечивают хорошее выравнивание токов параллельных цепей в статике и динамике, а также низкий и согласованный уровень коммутационных перенапряжений. Такая концепция позволяет использовать минимальный набор комплектующих и упростить процесс производства.

Унифицированная конструкция модулей IGBT SEMiX 2, 3 и 4

рис. 2. Унифицированная конструкция модулей IGBT SEMiX 2, 3 и 4

Подобная конструкция позволяет создавать инверторы в диапазоне средней мощности 15-200 кВт, используя одинаковый дизайн звена постоянного тока. Еще одним достоинством концепции SEMiX является наличие унифицированного драйвера SKYPER 32, подключаемого через различные интерфейсные платы. На рис. 3 показан полный состав компонентов семейства SEMiX, содержащего также тиристорные и диодные модули. Возможность подключения идентичных по конструкции модулей выпрямителя и инвертора к общей DC-шине — еще одна важная веха на пути решения проблемы стандартизации силовой системы.

Типоразмеры компонентов семейства SEMiX — одинаковый форм‑фактор для различных диапазонов мощности

рис. 3. Типоразмеры компонентов семейства SEMiX — одинаковый форм‑фактор для различных диапазонов мощности

Аналогичная идея использована в интеллектуальных силовых ключах серии SKiiP (рис. 4) — самых мощных 1РМ на рынке силовой электроники [3]. В отличие от предыдущего случая, здесь на общем радиаторе соединяются в параллель базовые полумостовые каскады, управляемые от одного драйвера. Схемы и предельные характеристики силовых секций для вариантов 3GB, 4GB и 6GB показаны в таблице 2. Так же как и SEMiX, ключи семейства SKiiP имеют одинаковые устройства управления, сигнальный интерфейс и способ подключения. Унифицирована у них и система охлаждения: жидкостный (опция ") или воздушный (опция L) радиатор для разных типоразмеров модулей отличаются только длиной.

Типоразмеры, номинальный ток и мощность силовых сборок SEMIKUBE при различных коэффициентах перегрузки

рис. 4. Типоразмеры, номинальный ток и мощность силовых сборок SEMIKUBE при различных коэффициентах перегрузки

Таблица 2. Номенклатура и предельные характеристики SKiiP 4

Для еще более мощных приводов дизайнерским центром SEMIKRON разработана унифицированная платформа SEMIKUBE, построенная на базе стандартных модулей IGBT в конструктиве 62 мм [4]. Отличие концепции SEMIKUBE состоит в том, что диапазон мощностей от 100 кВт до 1 МВт перекрывается с помощью параллельного соединения базовых сборок, каждая из которых представляет собой функционально законченное изделие, включающее силовую секцию, звено постоянного тока, плату управления и датчики. Способы соединения блоков платформы SEMIKUBE и предельные характеристики при различных коэффициентах перегрузки показаны на рис. 4.

Тепловое моделирование

Важную роль для обеспечения надежной работы привода играет мониторинг состояния силовых ключей. Поскольку перегрев кристаллов является основным критерием правильности выбора режимов работы, необходимо производить постоянный контроль температуры модулей. Все упомянутые в статье компоненты имеют встроенный датчик температуры, в качестве которого используется РТС-терморезистор. В интеллектуальных модулях SKiiP сопротивление сенсора преобразуется в аналоговый сигнал 0-10 В.

При анализе режимов работы силовой секции необходимо учитывать побочные явления, такие как перекрестная тепловая связь, краевые эффекты, неравномерность распре-дения тепла. Моделирование тепловых процессов на этапе проектирования позволяет оптимизировать конструкцию компонента и свести к минимуму риск возникновения локальных перегревов.

Зависимость выходного тока инвертора от максимальной температуры кристалла Tvjmax и температуры радиатора Tkk (бó льшая мощность инвертора достигается при увеличении температуры теплостока и чипов IGBT)

рис. 5. Зависимость выходного тока инвертора от максимальной температуры кристалла Tvjmax и температуры радиатора Tkk (бó льшая мощность инвертора достигается при увеличении температуры теплостока и чипов IGBT)

Развитие технологии тонкопленочных кристаллов IGBT идет по пути снижения потерь проводимости и переключения и увеличения скорости коммутации. Непрерывное уменьшение толщины кремния, наблюдаемое в течение последних лет, уже привело к тому, что активная площадь кристаллов сократилась более чем на 60% при сохранении токовых характеристик. Сегодня очевидно, что возможности тонкопленочных технологий близки к пределу, обусловленному недостаточной эффективностью существующих систем охлаждения и требованиями области безопасной работы в режиме короткого замыкания. Из-за невозможности рассеяния в тонком кристалле колоссальной энергии, выделяемой при КЗ, нормированное время перегрузки для 70-мкм чипов IGBT (= 600 В) сокращено с 10 до 6 мкс.

Уменьшение активной площади кристаллов привело к росту удельных характеристик, плотность мощности для современных IGBT достигает 8-10 Вт/см2. Дальнейшее увеличение мощностных характеристик невозможно без внедрения новых, более эффективных систем отвода тепла, что, однако, может существенно повлиять на экономические показатели изделия.

Снижение удельной стоимости силового электронного модуля может быть достигнуто за счет повышения рабочей температуры кристаллов и улучшения условий их охлаждения. Развитие полупроводниковых технологий идет по обоим направлениям, например, рабочая температура чипов IGBT и диодов новых поколений повышена со 150 до 175 °С. Физические пределы в этом случае, как и во многих других, определяются требованиями ОБР в режиме КЗ (SCSOA), поскольку с ростом температуры ток выключения растет экспоненциально.

Оптимизация технологии корпусирования

Повышение максимальной температуры кристаллов IGBT на 25 °С эквивалентно увеличению выходного тока на 10-15% в зависимости от частоты коммутации. С другой стороны, дополнительный перегрев ускоряет процесс старения материалов, что неизбежно приводит к сокращению срока службы силового модуля. Эта проблема может быть решена с помощью внедрения новых теплостойких материалов и технологий корпусирования.

Более всего от перегрева страдают паяные слои (базовая плата и керамическая подложка, кристаллы и подложка) и сварные соединения выводов чипов. Постоянные термомеханические стрессы из-за разницы КТР приводят к повреждению жестких связей, разрушение начинается с появления микротрещин на краях, после чего они распространяются к центру соединения. Вследствие этого происходит фатальное увеличение теплового сопротивления, лавинообразно растут зоны локального перегрева, отрываются выводы проводниковых чипов.

Одним из путей решения проблемы, предложенным компанией SEMIKRON в начале 1990-х годов, стала технология прижимного контакта, при которой базовая плата исключается из конструкции модуля, а все электрические и тепловые связи осуществляются только за счет прижима. Одним из элементов прижимного силового ключа является так называемая «мостовая» пластина, создающая давление на керамическую плату в местах локального тепловыделения, что обеспечивает эффективный и равномерный отвод тепла на радиатор. Благодаря отсутствию «биметаллического эффекта» у компонентов прижимного типа, номинальная толщина слоя теплопроводящей пасты для них может быть снижена до 20-30 мкм. Для модулей традиционной конструкции это значение примерно в 3 раза выше, что необходимо для компенсации указанного эффекта и возможной технологической неравномерности базы. Напомним, что вклад теплопроводящего материала в общее значение теплового сопротивления Rth составляет около 70%, поэтому уменьшение толщины слоя пасты позволяет существенно снизить перегрев кристаллов.

Исключение базовой платы и уменьшение толщины слоя пасты позволяет снизить величину Rth более чем на 25% по сравнению со стандартными модулями. В дополнение к этому внедрение технологии низкотемпературного спекания [5], впервые в мире использованной SEMIKRON для установки чипов, дало возможность устранить последний паяный слой. Температура плавления спеченного серебра в 6 раз выше, чем у любого из используемых в промышленности припоев, новое соединение обладает более высокой гибкостью и теплопроводностью. Применение процесса спекания позволило в 5 раз повысить стойкость к термоциклиро-ванию и расширить диапазон рабочих температур.

На сегодня у силовых ключей прижимного типа со спеченными кристаллами осталось только одно «слабое место» — подключение алюминиевых выводов чипов к керамической подложке, традиционно выполняемое методом ультразвуковой сварки. Над решением этой проблемы работают все крупнейшие производители силовых компонентов.

Заключение

Описанная в статье концепция базовых платформ дает возможность создавать преобразователи широкого диапазона применения, используя компоненты с идентичным конструктивом и одинаковым способом подключения. Например, потребности рынка общепромышленных и сервоприводов могут быть обеспечены с помощью двух типов силовых ключей: MiniSKiiP (1-37 кВт) и SEMiX (15-200 кВт).

Оба семейства компонентов разработаны на основе концепции стандартных платформ, распространяющейся на габаритные размеры, расположение силовых и сигнальных выводов, а также способ соединения с платой управления.

Разработка и внедрение новых технологий, таких как низкотемпературное спекание, а также использование чипов новых поколений позволяет повышать плотность тока, расширять температурный диапазон, увеличивать надежность и ресурс силовых ключей.

Литература

  1. Колпаков А. Миниатюрные модули привода MiniSKiiP II // Силовая электроника. 2005. № 4.
  2. Колпаков А. О семействе SEMiX и не только // Электронные компоненты. 2007. № 6.
  3. Колпаков А. SKiiP 4 — новая серия IPM высокой мощности // Силовая электроника. 2009. № 4.
  4. Колпаков А. Инверторная платформа SEMIKUBE // Компоненты и технологии. 2005. № 6.
  5. Гобл К. Технология низкотемпературного спекания в силовых модулях // Компоненты и технологии. 2009. № 7.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке