Рубрики
Составляющие силовой электроники

IGBT силовые модули большой мощности для тяговых преобразователей производства компании Infineon

IGBT силовые модули большой мощности для тяговых преобразователей производства компании Infineon Анатолий Юдин Современные IGBT-модули находят обширное применение при разработке неуправляемых

IGBT силовые модули большой мощности для тяговых преобразователей производства компании Infineon Анатолий Юдин

Современные IGBT-модули находят обширное применение при разработке неуправляемых и управляемых выпрямителей, автономных инверторов для питания движков неизменного и переменного тока средней мощности, преобразователей индукционного нагрева, сварочных аппаратов, источников бесперебойного питания и домашней техники. Необыкновенную роль IGBT-модули играют в развитии городского и жд электротранспорта. Применение этих многообещающих устройств в тяговом преобразователе позволяет увеличивать частоту переключения, упрощать схему управления, минимизировать загрузку сети гармониками и обеспечивать максимально низкие утраты в обмотках трансформатора и дросселей.

Тяговые преобразователи являются обычным примером внедрения современной силовой электроники на электротранспорте. Потому что в тяговых сетях неизменного тока находятся значимые колебания напряжения, то при расчете преобразователей ориентируются на IGBT с завышенным уровнем напряжения. К примеру, при напряжении контактной сети 750 В приходится считаться со скачками до 1000 В и промежуточное звено конвертора рассчитывать на напряжение более 1100 В неизменного тока. Не считая того, следует учесть, что в процессе эксплуатации сумма напряжений промежных контуров 2-ух веток преобразователя больше, чем напряжение в контактной сети.

Прогресс в области применений IGBT на транспорте обоснован возникновением транзисторов с более высочайшим уровнем напряжения. Так, в вагонах трамваев, эксплуатируемых на сетях с напряжением контактной сети 600 и 750 В неизменного тока, стали употребляться IGBT на напряжение 1700 В. Для сетей метрополитена напряжением неизменного тока 1500 В были разработаны транзисторы IGBT на напряжение 3,3 кВ, которые подменяют запираемые тиристоры. Потом появились стандартные модули IHV/IHM, которые можно использовать для режима 6,5 кВ/600 А, также переключать на режимы 3,3 кВ/1200 А и 1,7 кВ/2400 А. Эти модули позволили отрешиться от параллельного соединения огромного числа модулей на базе IGBT для реализации схем завышенной мощности.

В преобразователях электроподвижного состава далекого сообщения применялись запираемые тиристоры с параметрами 4,5 кВ/3 кА. Если при питании от сети переменного тока напряжение промежного звена может быть выбрано в определенной степени произвольно, то для линий неизменного тока с напряжением в контактной сети 3 кВ нужен конвертор с напряжением промежного звена более 4 кВ. С возникновением запираемых IGBT-транзисторов с рабочим напряжением 6,5 кВ стала вероятной реализация преобразователя, в каком импульсный инвертор подключается конкретно к напряжению контактной сети неизменного тока, равному 3 кВ. В текущее время для электроподвижного состава далекого сообщения используются модули IGBT с рабочим напряжением 6,5 кВ, с водяным остыванием и параллельным соединением модулей.

При выборе транзисторов IGBT для преобразователей электротранспорта руководствуются требованием низких утрат в открытом состоянии, определяемых напряжением насыщения, также низким уровнем коммутационных утрат. Не считая того, транзистор IGBT должен обеспечивать «жесткую» коммутацию активно-индуктивной нагрузки с длительным временем включения (при неизменной времени индуктивно-резистивной нагрузки, намного большей периода частоты коммутации). Особенностью такового режима переключения является высочайший импульсный ток и напряжения на транзисторе во время включения и выключения. Соединенный с транзистором встречно-параллельный диодик обязан иметь «мягкую» характеристику восстановления для обеспечения малого значения динамических утрат. При мягеньком восстановлении в схеме не появляется перенапряжений, вызванных спадом оборотного тока диодика.

В отличие от промышленных тяговые преобразователи на транзисторах IGBT в эксплуатации подвержены значимым и активно изменяющимся тепловым нагрузкам. При эксплуатации в течение года происходит 106–107 циклов конфигурации температуры транзисторов с перепадами от 15 до 40 К, на которые накладываются температурные провалы, вызванные эксплуатационными паузами. Эти скачки температуры оказывают огромное воздействие на проволочные подводы снутри транзистора и паяные соединения меж глиняной подложкой и пластинкой теплоотвода. Для улучшения критерий работы паяного соединения производители IGBT-модулей перебегают от Al2O3 к керамике на базе AlN, обладающей наилучшей теплопроводимостью, и от меди к сплаву AlSiC в качестве материала теплоотвода.

В мире только несколько компаний разрабатывают и создают массивные высоковольтные IGBT-модули для тяговых преобразователей электротранспорта. С входом в состав Infineon компании Eupec для русских производителей и разработчиков тяговых преобразователей такие IGBT-модули стали еще доступнее. Разглядим главные особенности и перспективы развития модулей вышеуказанных классов напряжения, производимых в текущее время этой компанией.

Компания Infineon при разработке номенклатуры IGBT-модулей класса 6,5 кВ прикладывает усилия для объединения преимуществ современных кристаллов высоковольтных IGBT и технологии их пакетирования. Новое поколение кристаллов Infineon для 6,5 кВ делается на базе NPT-технологии и имеет положительный температурный коэффициент напряжения насыщения, функцию защиты при маленьком замыкании и высшую выносливость относительно перегрузки по току. Важной задачей, которую компания ставит впереди себя, является увеличение стойкости модулей к термический цикличности работы в жестких критериях среды. К примеру, для улучшения термического рассредотачивания, увеличения напряжения изоляции и защищенности от частичных разрядов Infineon все почаще применяет в собственных модулях AlSiC опорные плиты и AIN-подложки.

Область внедрения IGBT-модулей на 6,5 кВ повсевременно расширяется (рис. 1). До сего времени тяговые приложения, работающие от сети в 3 кВ DC, и промышленные приводы с напряжением сети от 2,3 кВ АС и выше в большинстве случаев управляются средством использования GTO либо IGCT. Если заместо этих тиристорных устройств использовать IGBT, то работу можно сделать лучше. Достоинства достигаются за счет более обычного управления МОП-затвором, более обычный системы остывания и высочайшей степени изоляции при стопроцентно изолированном корпусе. Либо же заместо применяемых на данный момент пар поочередно соединенных 3,3 кВ IGBT-модулей можно применить один ключ на 6,5 кВ, что упростит пуск, управление и сделает лучше изоляцию.

IGBT силовые модули большой мощности для тяговых преобразователей производства компании Infineon

Модули тяговых преобразователей в большинстве случаев работают от сети с номинальным напряжением неизменного тока 3 кВ. Эта сеть допускает броски напряжения +20%, но на практике из-за рекуперативного торможения они могут больше в пару раз. Благодаря высочайшей способности по запирающему напряжению модули на 6,5 кВ гарантируют большой припас прочности для индуктивных выбросов перенапряжения, обеспечивая коммутацию на уровне неизменного тока с напряжением 4500 В. В этих критериях неопасное выключение может срабатывать при скоростях нарастания тока di/dt до 10 кА/мкс и при паразитных индуктивностях рассеивания до 200 нГ.

Вторым направлением внедрения модулей 6,5 кВ являются промышленные приводы среднего напряжения. Понятие среднего напряжение относительно. Оно находится в зависимости от индустрии, страны и приложения. Для приводов движков переменного тока этот спектр простирается от 600 В до 15 кВ. В Европе, к примеру, порогом такового класса напряжения является 1 кВ. На практике большая часть имеющихся приводов среднего напряжения работают в спектре от 2,3 до 7,2 кВ. Стандартные североамериканские средние напряжения — 2,3 и 4,16 кВ, а преобладающие напряжения сети в Европе и остальной части мира — 3,3 и 6,6 кВ. Типовыми приложениями привода для этого класса напряжения являются насосы, вентиляторы, компрессоры, экструдеры (машины для литья под давлением) и системы конвейеров, которые употребляются в разных отраслях индустрии.

Преобразователи для сети 2,3 кВ АС и соответственно напряжения сети 3,25 кВ DC могут проектироваться с ключами, работающими конкретно с сетевым напряжением. Приложения с сетью 4,16 кВ АС (5,9 кВ шина DC) могут быть реализованы трехуровневой схемой с зафиксированной нейтральной точкой. При сохранении принципа модульной формы уже существующая конструкция инвертора для более низкого напряжения сети может просто быть приспособлена к новенькому классу напряжения.

Третьим направлением внедрения IGBT-модулей 6,5 кВ являются массивные импульсные преобразователи напряжения, которые получают все большее распространение в мире. Основной целью их внедрения является подмена ламп тиратрона твердотельными модуляторами и обеспечение времени подъема и спада импульса в несколько наносекунд. Эти устройства должны быть способны переключать пиковую мощность порядка 10 МВт, питая клистроны и магнитные сердечники импульсами, в микросекундном временном интервале.

Номенклатура IGBT-модулей Infineon до 6500 В представлена в таблице 1. В ней отражены модули с кристаллом IGBT первого поколения (KF-1) с температурой хранения –40 °С. Разработанные и производимые компанией Infineon IGBT-модули 6,5 кВ имеют три новых конструктивных варианта корпуса. Установочные размеры новых корпусов схожи стандартным размерам имеющихся высоковольтных IHV корпусов, потому имеющиеся конструкции силовых преобразователей могут быть просто адаптированы к новым модулям.

Таблица 1. IGBT-модули Infineon на 6500 В VCES в корпусе IHV
IGBT силовые модули большой мощности для тяговых преобразователей производства компании Infineon

Модернизация осуществлена методом получения нужных значений для величины зазора и длины пути утечки тока в согласовании с новым уровнем напряжения. Модули сконструированы в согласовании со эталоном EN50124-1 и соответствуют классификациям категории перенапряжения OV2, также уровню загрязнения PD3. Исходя из номинального напряжения изоляции силового IGBT-модуля 10,2 кВ, для корпуса была выбрана конструкция с воздушным зазором в 26 мм и длиной пути утечки тока в 56 мм.

В текущее время на 6,5 кВ возникают модули второго поколения с температурой хранения –55 °С (KF-2). Идут работы над третьим поколением (KE-3) и уже есть рабочие эталоны на ток 750 А. В последнее время следует ожидать модулей FZ600 с кристаллами первого и второго поколений на ток до 750 А, с рабочей температурой кристалла до +150 °С и с температурой хранения до –55 °С.

Если гласить о новых IGBT-модулях на 3,3 кВ, то у Infineon появились устройства на 1000 и 1500 А с 2-мя различными версиями кристаллов. Одна версия с пониженным уровнем напряжения насыщения, имеет в обозначении буковку L. И другая версия для устройств с низким уровнем паразитной индуктивности, маркируются буковкой E. Обе версии рассчитаны на рабочую температуру кристалла +150 °С. Их температура хранения специфицирована на –55 °С. Напряжение изоляции составляет 6 кВ. Ожидается версия для транспортного внедрения с высочайшим напряжением изоляции 10,5 кВ (обозначение оканчивается на _B5). Все модули данного класса напряжения делаются в корпусах IHM/IHV. Номенклатура данных модулей представлена в таблице 2.

Таблица 2. IGBT-модули Infineon на 3300 В VCES в корпусах IHM/IHV
IGBT силовые модули большой мощности для тяговых преобразователей производства компании Infineon

Если обратиться к IGBT 1700 В, то тут появились модули с кристаллами IGBT 4-го поколения с 2-мя версиями их оптимизации — версия P4 для корпусов высочайшей мощности и версия Е4 для корпусов средней мощности. Тут нет версии Т4 для малых мощностей, потому что для 1700 В на такую мощность нет рынка. Кристаллы IGBT 4-го поколения имеют наивысшую рабочую температуру +150 °С. Увеличение рабочей температуры кристаллов 4-го поколения (IGBT4) с 125 °С до 150 °С позволяет при той же самой площади кристалла для напряжений 1200 и 1700 В получать действующее значение тока на 20% больше, повысить в два раза устойчивость к энергетическим циклам и надежность IGBT в целом. Не считая того — позволяет улучшить динамические свойства переключения в смысле мягкости переключения.

Для больших мощностей у Infineon появились два новых корпуса для IGBT-модулей. Какой-то из них IHM-B, а 2-ой — PrimePACK. Новые продукты владеют большей надежностью, имеют более высочайший КПД и поболее малую стоимость. И в каждом новеньком семействе есть пробы понижения утрат мощности.

Новый корпус IHM-B предназначен для большой мощности. Он стопроцентно совместим с корпусом предшествующего поколения IHM-А, но обладает завышенной способностью по числу энергетических циклов и может работать с кристаллами IGBT4 с рабочей температурой 150 °С. Этот корпус уже подготовлен к последующему поколению IGBT-кристаллов. В нем выполняются IGBT-модули 1200 и 1700 В в конфигурации одиночного ключа на ток от 1400 до 3600 А. Из всей номенклатуры модулей на 1700 В в таблице 3 приведены данные только для модулей с AlSiC подложкой (в их обозначении находится _B2), созданных для тяговых преобразователей.

Таблица 3. Тяговые IGBT-модули Infineon на 1700 В VCES в корпусе IHM
IGBT силовые модули большой мощности для тяговых преобразователей производства компании Infineon

Последующий новый корпус — это PrimePACK™ с 2-мя версиями размеров. Какой-то из них короче — PrimePACK™-2, 2-ой более длиннющий — PrimePACK™-3. В этих 2-ух корпусах есть IGBT-модули на 1200 и 1700 В, другими словами употребляется один механический дизайн для 2-ух классов напряжений. Благодаря большенному количеству отверстий для крепления увеличена механическая стабильность. Модули в корпусе PrimePACK™ предусмотрены как для промышленных, так и для тяговых применений.

Усовершенствование конструкции (а именно, IGBT-кристаллы сдвинуты поближе к точкам крепления подложки винтами к теплоотводу) отдало понижение термического сопротивления меж подложкой и теплоотводом и дополнительно уменьшило на 60% внутреннюю паразитную индуктивность по сопоставлению со стандартными модулями. Уменьшение паразитной индуктивности принципиально для увеличения стойкости к импульсам перенапряжения. Особая топология разводки улучшила рассредотачивание тепла, что снизило термическое сопротивление системы в целом. Предельная рабочая температура составляет +150 °C заместо +125 °C у модулей-предшественников. Нижняя граница температуры хранения у PrimePACK™ снижена с –40 до –55 °C.

Внедрение новых IGBT-модулей в массивных преобразователях позволяет прирастить номинальные токи приблизительно на 20% при том же оборотном напряжении и таких же размерах модуля либо рассеять такую же мощность в модулях сравнимо наименьшего размера.

Модули PrimePACK™ имеют две модификации по размерам корпуса: 89-172 мм PrimePACK™-2 и 89-250 мм PrimePACK™-3. Оба модуля на 45% легче, чем подобные модули с таковой же мощностью. Полумостовая конфигурация и модульность конструкции PrimePACK™ упрощают масштабирование мощности преобразователей методом использования модулей различных размеров либо соединения однотипных модулей параллельно. И что еще принципиально, этот корпус рассчитан и для IGBT на 3,3 кВ.

Для PrimePACK™, как и для всех других типов модулей Infineon, имеются платы адаптеров. Они созданы для ускорения процессов испытаний на шаге разработки и не продаются как продукты, а поставляются для поддержки проектов. Кроме самих плат могут поставляться и файлы с описанием адаптеров. Платы можно подправлять с учетом разрабатываемого проекта и самим создавать. К примеру, набор MA300 + 2ED300C17-S + 2ED300E17-SFO представляет собой гибкий стартовый набор привода для обычного параллельного соединения модулей PrimePACK™.

Драйвер размещается на плате адаптера. Эта система позволяет управлять как единичным модулем, так и параллельным соединением до 3-х модулей.

Номенклатура товаров в корпусе PrimePACK™ начинается с модулей на ток 450 А в корпусе PrimePACK™-2 и модулей на ток с 1000 А для корпуса PrimePACK™-3. В текущее время уже есть устройства на 1400 А. В таблице 4 приведены данные для модулей в корпусе PrimePACK™ на напряжение 1200 и 1700 В.

Таблица 4. IGBT-модули Infineon в корпусе PrimePACK™
IGBT силовые модули большой мощности для тяговых преобразователей производства компании Infineon

Необходимо отметить, что для PrimePACK™-2 на 900 А есть три версии: IE4, IP4 и IP4D. FF900R12IE4 с кристаллом средней мощности предназначен для приложений с резвым переключением, к примеру для частотного UPS. У этого модуля очень низкие динамические утраты, но для обеспечения низкой индуктивности конструкции требуется наружный дополнительный конденсатор. Другими словами снаберный конденсатор обязателен. Для приложений, где нет способности установить таковой конденсатор, в том же корпусе предлагается версия с кристаллом IGBT на огромную мощность: FF900R12IP4. Этот модуль переключается медлительнее. А в версии FF900R12IP4D имеется большой антипараллельный диодик. Этот модуль предназначен для первичной стороны конвертора — для активного выпрямителя.

Внешний облик массивных IGBT-модулей компании Infineon для тяговых преобразователей показан на рис. 2.

IGBT силовые модули большой мощности для тяговых преобразователей производства компании Infineon

При конструировании всех видов массивных преобразователей основными неуввязками, решаемыми разработчиками, являются вопросы, связанные с управлением модулями и отводом рассеиваемой в виде тепла мощности. Беря во внимание это, компания Infineon разрабатывает и производит не только лишь модули, да и сборки на их базе. Одним из последних предложений компании являются модульные силовые электрические блоки PrimeSTACK. Они включают стандартизированные базисные элементы, состав которых можно разнообразить зависимо от предъявляемых требований и решаемых задач. Доступный диапазон таких товаров простирается от прямоходового однофазного преобразователя с простейшими функциями для нескольких кв до полного комплекта 4-квадрантного 3-фазного инвертора с водяным остыванием на мощность в 1 МВт с комплексом логической защиты.

PrimeSTACK состоят из последующих логических и физических компонент:

  1. Силовая секция строится на базе 62-миллиметровых IGBT-модулей Infineon. Применяемые модули непременно соответствуют управляемой мощности и данной топологии схемы. Для классов напряжения 600, 1200 и 1700 В и номинальных токов модулей до 1600 A в PrimeSTACK на данный момент имеются топологии:
    • одиночный полумост — 1/2 B2I;
    • однофазовый мост — B2I;
    • трехфазный мост с либо без тормозящего чоппера — B6I.
  2. Секция управления силовой частью на базе драйверов Infineon EiceDRIVER™, которые интегрированы в электрическую схему PrimeSTACK. Вся электроника приспособлена в согласовании с избранной топологией схемы силовой секции и используемых IGBT-модулей.
  3. Система защиты: в дополнение к базисным, которые обеспечиваются стандартной самозащитой, по просьбе доступны дополнительные составляющие защиты. Последующие физические характеристики отслеживаются и/либо измеряются в реальном масштабе времени и предусмотрены в электрическом интерфейсе PrimeSTACK в качестве значений аналогового напряжения:
    • мониторинг тока нагрузки каждого логического фазового выхода (эталон);
    • мониторинг недлинного замыкания моста (эталон);
    • мониторинг температуры с защитой от перегрева (эталон);
    • мониторинг снижения напряжения питания контроллера, который служит надежному переключению IGBT (эталон);
    • мониторинг напряжения шины DC, включая выключение при перенапряжении (опционально);
    • симуляция температуры перехода IGBT и аппаратная защита от краткосрочного температурного перегрева (опционально).
  4. Охладитель — зависимо от приложения и требуемой мощности:
    • радиатор с форсированным воздушным остыванием (эталон);
    • водяное остывание.
  5. Конструкция шины DC для PrimeSTACK была разработана особая — чтоб выполнить требования минимизации места в купе с обеспечением наилучших термических и электронных черт. Шина DC состоит из последующих компонент:
    • бокс конденсаторов (включая шинопровод);
    • электролитические конденсаторы;
    • снаберные конденсаторы;
    • разделительные резисторы.

Если требования по величине обеспечиваемой мощности не могут быть реализованы при помощи 1-го PrimeSTACK, то несколько PrimeSTACK можно соединять наряду с/без секции шины DC. Опционально доступен разработанный специально параллельный интерфейс, также шинопровод DC для соединения личных шин DC. Эта возможность обоснована так именуемой Kit-set концепцией конструкции PrimeSTACK, которая отображена на рис. 3.

IGBT силовые модули большой мощности для тяговых преобразователей производства компании Infineon

Зависимо от потребностей семейство товаров PrimeSTACK можно поделить на три подсемейства:

  1. PrimeSTACK;
  2. PrimeSTACK IPM — семейство без верхнего радиатора;
  3. PrimeSTACK System — полное системное решение.

Каждое из этих подсемейств содержит стандартно производимые составляющие. Как и в Kit-set, требуемые составляющие могут добавляться либо уменьшаться. В последнее время комплекты PrimeSTACK будут доступны не только лишь в стандартной версии, да и в версии для тяговых преобразователей.

Заключение

За последние годы транзисторы IGBT стали обширно применяться в тяговых преобразователях всего спектра мощностей, а в новых разработках они будут стопроцентно теснить запираемые тиристоры. Ни высочайшие напряжения сетей, ни очень жесткие требования к рабочим чертам не являются на данный момент препятствием для их внедрения. В итоге заказчики получают выгодные тяговые преобразователи, которые превосходят по таким показателям, как цена, надежность, габариты и масса, надлежащие системы на запираемых тиристорах. Компания Infineon обеспечивает производителей преобразователей модулями для большой мощности на все классы напряжений — 1200, 1700, 3300 и 6500 В. Все новые IGBT-модули Infineon имеют наивысшую рабочую температуру 150 °С, а температура хранения снижена до –55 °С. Для всех новых модулей увеличена цикличность мощности. Они все выпускаются в новых корпусах.