Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №11

Разработка инверторов с минимальной паразитной индуктивностью

Байерер Рейнольд (Reinhold Bayerer)  
Гербрандт Александр (Alexander Herbrandt)  
Домес Дэниэль (Daniel Domes)  
Жанг Кси (Xi Zhang)  

Повышение КПД и снижение излучаемых электромагнитных помех (EM I) очень важны при создании силовых электронных систем. Для достижения этого необходимо сконцентрировать внимание на паразитных индуктивностях в сильноточных коммутируемых цепях. В статье рассматривается модульная конструкция, обеспечивающая минимизацию паразитных индуктивностей не только в пределах одной полумостовой схемы, но и между отдельными полумостами в трехфазном инверторе. Предложенная новая концепция позволяет оптимизировать как конструкцию трехфазных систем, так и параметры многоуровневых инверторов с коммутируемой нейтралью (Neutral Point Clamped, NPC).

Введение

Работа силовых электронных систем строится на основе быстрых изменений тока и напряжения. В результате высокая скорость изменения токов di/dt при переключениях при наличии паразитных индуктивностей вызывает появление наведенных напряжений νind на этих индуктивностях Lσ:

Еще одной неприятностью, вызываемой наличием паразитной индуктивности Lσ, является образуемый ею с паразитной емкостью монтажа Cchip колебательный контур с низкой резонансной частотой, равной:

На рис. 1 показан модуль полумоста с малой паразитной индуктивностью, не превышающей 5 нГн [1], рассчитанный на коммутацию цепей 1200 В/400 А. Столь малое значение паразитной индуктивности обеспечивается за счет тщательности разводки силовых цепей, благодаря чему все коммутируемые токи протекают в одной векторной плоскости. В результате происходит кардинальное снижение выбросов напряжения, а в коммутируемых цепях отсутствует «звон».

Полумостовой модуль с малой индуктивностью

Рис. 1. Полумостовой модуль с малой индуктивностью

Топология трехфазного инвертора

Полумостовой модуль с малой индуктивностью из [1] представляется «идеальным кандидатом» для использования в трехфазном инверторе. Его высокие характеристики переключения — следствие не только оптимальной конструкции, но и использования многоконтактной соединительной шины и соответствующего конденсатора. Схема такой оптимизированной полумостовой системы приведена на рис. 2а. На рис. 2б показано, что на основе трех таких систем, включенных параллельно, можно реализовать трехфазный инвертор. Однако часто простое параллельное размещение таких устройств не оптимально с точки зрения получения минимальной паразитной индуктивности. Целью работы, описанной в данной статье, была минимизация межмодульных паразитных индуктивностей. Это потребовало разработки конструкции полосковых линий для всей системы в целом, включая конденсатор для цепи постоянного тока.

а) Оптимизированная по индуктивности полумостовая система

Рис. 2. а) Оптимизированная по индуктивности полумостовая система; б) типовая схема организации трехфазного инвертора

Малая индуктивность соединений между модулями очень важна. Ее наличие сказывается, например, при переключении схемы управления в так называемое нулевое состояние. Нулевое состояние соответствует тому, что все верхние или все нижние ключи в полумостах включены. При этом образуется замкнутый контур и ток нагрузки свободно течет через транзисторы или диоды соответствующих плеч. В то же время ток через конденсатор не течет, а все цепи нагрузки оказываются подключенными к одному из полюсов источника постоянного тока (DC+ или DC–). По окончании нулевого состояния схема управления переключает ключи в другую фазу, а токи переключаются на ветви с конденсаторами.

На рис. 3 приведен пример упрощенной коммутации полумостов. На рис. 3а показано распределение токов в нулевом состоянии в условиях отсутствия соединения с сетью постоянного тока при замкнутых ключах верхних плеч полумостов.

Упрощенный пример межмодульной коммутации в трехфазном инверторе

Рис. 3. Упрощенный пример межмодульной коммутации в трехфазном инверторе при наличии паразитных индуктивностей между полумостами: а) инвертор в нулевом состоянии (верхние IGBT-ключи, выделенные жирным шрифтом, замкнуты); б) верхний IGBT выключен при переключении схемы управления в ненулевое состояние

Предположим далее, что токи нагрузки в ветвях среднего и правого полумостов текут через фазный провод, следовательно, диоды соответствующих верхних плеч находятся в проводящем состоянии. Суммарный ток этих плеч течет через фазный вывод левого полумоста и включенный IGBT-ключ. При переключении схемы управления в ненулевое состояние этот верхний IGBT может, например, выключаться. На рис. 3б показана ситуация сразу после выключения этого транзистора. Ток через паразитную индуктивность не может сразу уменьшиться до нуля, несмотря на выключение IGBT-ключа. В результате запасенная в паразитной индуктивности энергия начинает разряжаться через конденсатор левого плеча, что вызывает, в конце концов, увеличение среднеквадратического значения тока, текущего через этот конденсатор, по сравнению с конструкцией с малой паразитной индуктивностью.

Трехуровневые инверторы

Трехуровневые инверторы с коммутируемой нейтралью (NPC) обычно строятся на основе стандартных модулей. В зависимости от коэффициента мощности нагрузки используются различные схемы коммутации, в которых задействуются два (короткая коммутация) или даже три (длинная коммутация) полумостовых модуля [2]. Следовательно, межмодульные соединения с малой индуктивностью и в этом случае представляют определенный интерес, особенно для специалиста, разрабатывающего приложение с трехуровневой коммутацией.

Предлагаемое решение

Малая индуктивность соединительных цепей может быть обеспечена при точном следовании принципам, изложенным в [1]. Эти принципы состоят в следующем:

  • Последовательная реализация всех соединений в виде полосковых линий без нарушения их геометрии.
  • Создание условий, при которых все коммутируемые токи протекают исключительно в плоскости Y-Z (рис. 1).

Результат применения данного подхода отображен на рис. 4. В этом варианте, объединяющем три полумоста, все компоненты внутри каждого из них расположены в направлении оси X, а сами полумосты размещаются один за другим по оси Y. Для достижения минимальной взаимной паразитной индуктивности все три полумоста монтируются на многослойной подложке. Это позволяет распространить проводники для минусовой шины постоянного тока на всю длину модуля по оси Y. Сами отдельные полумосты монтируются на другом токонесущем слое, который соединяется с первым в точках минусового вывода модуля (DC–). Линии положительного провода источника питания (DC+) и выходы отдельных фаз полумостов (Ph1–Ph3) выполняются как полосковые линии для каждого отдельного полумоста. Использование полосковых линий на подложке и в слое, расположенном выше полупроводникового слоя, приводит к существенному уменьшению индуктивностей инвертора.

Концепция построения трехфазного модуля с минимальными паразитными индуктивностями

Рис. 4. Концепция построения трехфазного модуля с минимальными паразитными индуктивностями

Заключение

Для трехфазных систем и трехуровневых инверторов с коммутируемой нейтралью очень важна минимизация индуктивностей соединительных проводников отдельных полумостовых структур. В статье описана новая концепция построения ключевых модулей, позволяющая уменьшить паразитные индуктивности при коммутации токов в плоскости Y-Z (рис. 4). Реализация этой конструкции приводит к значительному уменьшению общей индуктивности, хорошему разделению токоведущих путей и значительному снижению токов через конденсаторы в цепи постоянного тока.

Литература

  1. Bayerer R., Domes D. Power Circuit design for clean switching. CIPS 2010, Nuremberg, Germany.
  2. Xi Z., Jansen U., Ruthing H. IGBT power modules utilizing new 650V IGBT3 and emitter controlled diode3 chips for three level converters. PCIM 2009, Nuremberg, Germany.

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке