Рубрики
Источники питания

Силовые конденсаторы EPCOS для IGBT инверторов массивных преобразователей напряжения

Силовые конденсаторы EPCOS для IGBT инверторов массивных преобразователей напряжения Сергей Шишкин Хоть какой силовой конденсатор — элемент электронной цепи, созданный для использования

Силовые конденсаторы EPCOS для IGBT инверторов массивных преобразователей напряжения Сергей Шишкин

Хоть какой силовой конденсатор — элемент электронной цепи, созданный для использования его емкости, обладает набором потребительских параметров, определяемых совокупой характеристик эквивалентной схемы. Хотя история существования данного устройства и насчитывает более 2-ух с половиной веков, сделать универсальный вариант силового конденсатора пока не удалось. Но в силовом конденсаторостроении это не препятствует созданию все новых конструкций и особых приложений, также усовершенствованию начальных материалов. Сейчас на мировом рынке разработки и внедрения технологий пассивных электрических компонент скопления электроэнергии компания EPCOS AG занимает фаворитные позиции.

Силовые конденсаторы оборудования систем электроснабжения, спроектированных на базе автономных инверторов напряжения и использующих в качестве частей коммутации биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT инверторы), классифицируются по технологическим группам, согласно области вероятного внедрения, режиму работы и особенностям конструкции. Неувязка обеспечения надежности схожих энергосистем, обусловленная тенденцией роста их единичной мощности, включает требования, предъявляемые к топологии соединений блока накопительных силовых конденсаторов и конфигурации снабберного (демпфирующего) звена IGBT инвертора. Так, комплектная сборка 3-фазного преобразователя асинхронного генератора ветроэнергетической установки мощностью более 1 МВт содержит инвертор на умственных силовых модулях SkiiP (Semikron integrated intelligent Power) 240GB172 с силовыми транзисторами Trench IGBT (2400 B/ 1700 A) и монтируемый конкретно на DC-шину интегрированный блок SKCB электролитических конденсаторов (ЭК), снабженный балластными (разглаживающими) резисторами и снабберами [1]. Суммарная емкость последовательно-параллельного соединения ЭК, зависимо от I~r — допустимого тока пульсации (табл. 1), составляет 1500-6300 мкФ, а число силовых конденсаторов варьируется от 48 до 72 [1]. Улучшить схемное решение блока, сократив при всем этом количество разглаживающих резисторов, можно за счет установки силовых конденсаторов огромных номинальных емкостей и напряжений.

Понятно, что в сильноточных цепях силовой части IGBT инвертора собственная индуктивность (ESL — Capacitor self-inductance) — Lc (рис. 1), и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR — Equivalent series resistance) силового конденсатора должны быть как можно ниже, а значение I~r, с учетом коэффициентов температурной и частотной корректировки, — как можно выше.

Силовые конденсаторы EPCOS для IGBT инверторов массивных преобразователей напряжения
Рис. 1. Блок-схема контура тока коммутации полумоста IGBT силовых модулей

Несколько серий технологического ряда дюралевых электролитических конденсаторов EPCOS AG [2] с пониженным значением ESL (табл. 1) разработаны в большей степени для сглаживания пульсаций промежного напряжения неизменного тока массивных преобразователей напряжения [3]. Модернизировав конфигурацию выводов активной части — особый извив, сразу уменьшающий расстояние «обкладка — корпус», длину винтообразных зажимов и просвет меж ними [3], удалось в 1,3-1,5 раза (табл. 1) уменьшить величину L c и импеданс силового конденсатора — Z, равный [2, 3]:

Силовые конденсаторы EPCOS для IGBT инверторов массивных преобразователей напряжения(1)

где tgS — тангенс угла утрат, Cн — номинальная емкость, со — угловая частота цепи включения силового конденсатора.

Термическая модель ЭК завышенной мощности (табл. 1) предугадывает преимущественную (80-85% от общего термического баланса) продольную теплопередачу меж основанием корпуса силового конденсатора и поверхностью монтажа (принудительно охлаждаемым радиатором). В итоге уменьшения термического сопротивления (К/Вт) данного соединения [2], можно повысить токовую нагрузку на ЭК и коэффициент наполнения объема блока SKCB.

При переключении транзисторов VT1, VT2 IGBT силовых модулей 1, 2 (рис. 1), из-за наличия L cиLш — паразитной индуктивности шин питания, высочайшая крутизна фронта di/dt (du/dt) коммутационных импульсов приводит к возникновению переходного перенапряжения Uk, сразу индуцируемого на блок электролитических конденсаторов Uc и переход «эмиттер — коллектор» закрывающегося транзистора VT2 модуля 2 — U к-э. Наложение амплитуды индуцированного коммутационного перенапряжения ДUm, рассчитываемой по выражению [3]:

Силовые конденсаторы EPCOS для IGBT инверторов массивных преобразователей напряжения(2)

где Mk/Д.t- скорость конфигурации переходного тока при закрытии IGBT биполярного транзистора, на напряжение питания — Uп силового модуля: Uk = ДUm + Uп, содействует резвому росту мощности рассеяния на переходе «эмиттер-коллектор», выходу из строя транзисторного ключа в процессе переключения и молниеносному внутреннему недлинному замыканию ЭК (рис. 1). В это время опосредованный индуктивностью нагрузки Lн, ток i L замыкается через шунтирующий (оппозитный) диодик VD1 модуля 1 и не оказывает влияние на величину переходного тока Ik в контуре коммутации (рис. 1). Вот почему в силовой цепи пакета шин питания преобразователя понижение индуктивности Lk = Lc + Lш (2) приобретает главную значимость, но если Lш находится в зависимости от топологии силовых связей [1], то Lc стопроцентно определяет Z(1) блока силовых конденсаторов. К примеру, тестирование IGBT силовых модулей полумоста ступени инвертора (1700 В/300 А) после подмены 2-ух поочередно соединенных дюралевых электролитических конденсаторов 6800 мкФЧ400 В серии В43456 (Lc около 20 нГн) на схожие по номиналу улучшенные эталоны В43456-А9688-М (Lc до 10 нГн) показало в среднем понижение пиковых значений U к-э на 12%, а Uc — на 25% [3].

Простой метод ограничения ДUm (2) — установка на шины питания IGBT силовых модулей (точки А, С- рис. 1) снабберных емкостей Cs, всасывающих до допустимого предела переходного перенапряжения ДU k, запасенную в Lk энергию W, соразмерную рабочему току I [1]:

Силовые конденсаторы EPCOS для IGBT инверторов массивных преобразователей напряжения

Скопленная емкостью Cs энергия, численно равная W и пропорциональная квадрату абсолютной разности напряжений | Uk — ДU k |, в паузы циклов коммутации сбрасывается на шину питания. Таким макаром, по данному уровню ДU k можно оценить требуемую номинальную емкость снабберного конденсатора [1]:

Силовые конденсаторы EPCOS для IGBT инверторов массивных преобразователей напряжения

подключение которой сразу не должно вызвать генерации дополнительного сигнала при поочередном соединении с Lk в контуре тока коммутации (рис. 1). В
схемах массивных IGBT инверторов, составленных из композиции одиночных силовых модулей, на DC-шине питания устанавливается несколько снабберов [1]. Нужная высочайшая быстроту отклика перезаряда (конфигурации напряжения) силового конденсатора снабберного звена — du/dt (табл. 2), определяемая частотой переключения транзисторных ключей (соразмерной продолжительности импульса создаваемого IGBT инвертором), обеспечивается минимизацией своей индуктивности, низким ESR (табл. 2), также, как отмечено выше, очень близким расположением к силовому модулю.

Заключенные в пластмассовый корпус прямоугольной формы и герметизированные нетоксичным компаундом (UL94V0), снабберные конденсаторы EPCOS AG (табл. 2) выполнены по рулонной МКР-технологии (односторонне металлизированной полипропиленовой пленки). При этом по мере надобности роста Сн в силовом конденсаторе параллельно соединяется воединыжды до 4 цилиндрических обмоток [4] либо употребляется MFP-технология (односторонняя металлизация пленки + фольга) с поочередным внутренним соединением пары обмоток [5]. Восемь геометрических модификаций крепежных выводов силовых конденсаторов разных номиналов приспособлены к креплению на шины IGBT силовых модулей производства EUPEC, Fuji Electric Device Technology, SEMIKRON, Toshiba Corporation [4], Митсубиши Electric, ОАО «Электровыпрямитель».

До ближайшего времени высочайшая удельная мощность (1000-10 000 Вт/кг) обеспечивала фактически безальтернативное применение ЭК в блоках накопителей массивных преобразователей напряжения. Улучшение параметров полимерных пленок в купе с новыми технологиями производства металлопленочных силовых конденсаторов, в том числе патентованной EPCOS AG МКК-технологии (рис. 2) — одновременного расширения и увеличения прочности контактной поверхности выводов слоя металлизации обкладок, за счет сочетания ровненького и волнового среза кромок пленки, уложенной с маленьким равномерным смещением витков [6, 7], — нарушило эту тенденцию.

По сопоставлению с ЭК неполярные пленочные МКК-конденсаторы, работающие на неизменном напряжении, намного более устойчивы к пульсирующим и импульсным составляющим выпрямленного тока, имеют еще наилучшие массогабаритные (устраняется необходимость в поочередном соединении силовых конденсаторов) и энерго (отсутствие разглаживающих резисторов, наименьшее значение tgS) характеристики [2, 6, 7, 8]. Усиленная кромка цинкового напыления торцов слоя металлизации (рис. 2), к которой припаиваются выводы силового конденсатора, минимизирует действие краевого эффекта (pinch effect) — скопление точечных зарядов на периферийных частях электродов, увеличивающих эндемическую напряженность Е электронного поля у края обкладок. В случае пробоя диэлектрика моментальная концентрация в месте недостатка энергии заряда силового конденсатора

Силовые конденсаторы EPCOS для IGBT инверторов массивных преобразователей напряжения

(табл. 3) вызовет резкое увеличение температуры (до 6000 К) и давления, инжекцию плазмы и образование на месте пробоя изоляционной области — так называемое свойство самовосстановления (self-healing), сохраняющее работоспособность силового конденсатора [6]. Мультислойная пакетная либо рулонная укладка пленки (рис. 3) предугадывает разбивку одной из 2-ух поверхностей металлизации электродов на отдельные равномерные сегменты, соединяемые меж собой несколькими перемычками (токовыми коридорами). Функционально это эквивалентно матрице плавких вставок пакета параллельного набора секций высоковольтных силовых конденсаторов, более отлично локализующих место пробоя в конденсаторах большой единичной мощности (табл. 3) при лавинообразном процессе самовосстановления. Радиус R (рис. 3) сопряжения углов периметра емкостного сектора содействует равномерной плотности рассредотачивания заряда. Симметричное продольное разграничение сегментированного слоя металлизации ровненькой полимерной пленки (рис. 3) позволяет сформировать относительно обкладки электрода со сплошным слоем металлизации и волновым срезом края два плоско сложенных поочередно соединенных емкостных пакета, попарно перераспределяющих приложенное к выводам силового конденсатора напряжение Uн, снижая таким макаром значение Lc (табл. 3). Не считая того, так как одновременный пробой в 2-ух пакетах конденсатора не достаточно возможен, при каждом пробое 1-го из пакетов последоват
ельное сопротивление второго будет ограничивать величину разрядного тока. Плоская поверхность мультислойных обкладок емкостного пакета обеспечивает обилие композиции корпуса [6, 7].

Силовые конденсаторы EPCOS для IGBT инверторов массивных преобразователей напряжения

Рис. 3. Структура сегментации слоя металлизации пленки для поочередного внутреннего соединения обмоток РСС-конденсатора:

1 — ровненький срез; 2 — усиленная кромка зоны контакта слоя металлизации; 3 — волновой срез; 4 — полоса разделения слоя металлизации

2-ух МРМ-пакетов; 5 — емкостной сектор; 6 — неметаллизированный край пленки; а — толщина пленки; В — размер сегментного промежутка; d — ширина токового коридора; е — расстояние меж секторами; R — радиус сопряжения углов периметра емкостного сектора; s — расстояние меж токовыми коридорами; U — сплошной слой металлизации

Силовые конденсаторы EPCOS для IGBT инверторов массивных преобразователей напряжения

Таблица 3. Главные технические характеристики пленочных DC-конденсаторов В25650 — эталоны IEC 1071-1/2, EN, VDE 0560 часть 120, 121 [8] и PCC для IGBT преобразователей напряжения эталоны IEC 1071-1, NFF-16-101/102, IEC 68 [6, 7] производства «EPCOS AG»

Для сглаживания пульсаций цепи неизменного тока IGBT инверторов компания EPCOS AG выпускает пленочные DC-конденсаторы (табл. 3), как обычного выполнения — в прямоугольном железном корпусе, на котором размещены два проходных изолятора штыревых выводов (В25650), так и особых серий — РСС LP (Power Capacitor Chip Low Power) и РСС HP (Power Capacitor Compact High Power), адаптируемые к определенному варианту построения преобразователя напряжения, прямо до интеграции конкретно в конструкцию IGBT инвертора [6, 7].

В системах электроснабжения промышленной частоты (50 Гц) совокупа требований синусоидальности напряжения и формирующего его меандр дискретного диапазона импульсов различной продолжительности, генерируемого IGBT инвертором, обеспечивается установкой выходного LC-фильтра. Преломления синусоидальности формы выходного сигнала, обусловленные крутизной фронта чередующихся мпульсов широтно-импульсной модуляции — du/dt, активируют выброс пиков — I п = СЧ(du/dt )макс., и возникновение экстремумов — Iа = СЧdu/dt [8] высокочастотных гармонических составляющих тока нагрузки, которые абсорбируются силовыми конденсаторами схемы фильтрации, вызывая их завышенный нагрев. Отменная внутренняя теплопроводимость АС-конденсаторов (табл. 4), использующих MKV-технологию построения активной части — двухсторонне металлизированную конденсаторную бумагу, пропитку минеральным маслом и изоляцию электродов пропиленовой пленкой [8], также стабильность контакта торцевого слоя с бумагой (известную по технологии МР — «металл — бумага»), гарантирует импульсную крепкость. Слои конденсаторной бумаги обеспечивают высочайшее качество пропитки, при всем этом ее пористая структура содействует равномерности рассредотачивания товаров разложения, образующихся на месте пробоя металлизированного покрытия в процессе самовосстановления. Выбор диэлектрической системы обусловил и конструктивную форму силовых конденсаторов (табл. 4) — цилиндрическую. Встроенное устройство аварийного отключения токовой цепи предутверждает разрыв дюралевого корпуса при превышении лишнего внутреннего давления [8]. Практика эксплуатации показала надежность работы в выходных фильтрах IGBT инверторов АС-конденсаторов, выполненных по МКV-технологии.

Силовые конденсаторы EPCOS для IGBT инверторов массивных преобразователей напряжения
Таблица 4. Главные технические характеристики пленочных АС-конденсаторов производства «EPCOS AG», эталоны IEC 1071-1/2, EN 61071-1/2, VDE 0560 часть 120, 121 [8]

Линейка силовых конденсаторов, выпускаемых компанией EPCOS AG, не исчерпывается представленным материалом. Вне рамок статьи остались группы силовых конденсаторов, применяемые в тиристорных частотно-регулируемых электроприводах и управляемых выпрямителях, установках компенсации реактивной мощности, импульсных генераторах, источниках бесперебойного питания.