Робота силового кремнію для двигунів частотного струму на основі каскадної комірки

Для стандартних двигунів низької напруги (≤690Vac) топологія 2 рівня джерела напруги на основі IGBT домінує в ландшафті. Однак при більш високих напругах (≥2400Vac)

Для стандартних приводів низької напруги (≤690В перемінного струму) топологія 2 рівня джерела напруги на основі IGBT домінує в ландшафті. Однак при більш високих напругах (≥2400Vac) ситуація змінюється, і існує безліч різних топологій, кожна з яких має унікальні технічні та/або економічні переваги. Одна з цих топологій, яку часто називають каскадом, або мостом Каскаду H (CHB), за останні роки зросла популярність. У цій статті буде розказано про основні принципи роботи приводу CHB та продемонстровано деякі нові силові модулі, що відповідають даному типу перетворювача.

Вступ

Для приводів середньої напруги (MVD) існує кілька конкуруючих технологій: трирівневий нейтральний затиск (NPC) тип 1 із використанням силових модулів високої напруги (1), конструкції джерел струму з використанням напівпровідників із зворотним блокуванням (2), п’ятирівневий тип T (3) та Модульний багаторівневий (M2L) (4), щоб назвати деякі найпоширеніші типи, доступні сьогодні на ринку. Історія топології CHB полягає в тому, що вона була винайдена на початку 1970-х років, але вперше комерційно виведена на ринок компанією Robicon USA (нині власником Siemens) на початку 1980-х. В останні роки численні компанії запровадили MVD на базі CHB. Загальна топологія однієї фази показана на рисунку 1, а більш детальна схема для окремої комірки на рисунку 2.

Топологія каскаду

Ключем до каскадної топології є багатофазний ізолюючий трансформатор, див. Рисунок 1, показаний тут із первинною середньою напругою та 5 ізольованими вторинними обмотками, у цьому прикладі кожна з 750 В змінного струму. Кожен вторинний трансформатор подає живлення на одну клітинку, а 5 комірок послідовно з'єднують ланцюжком, щоб зробити повну фазу. Дві інші фази використовуються для побудови повного трифазного приводу із загальною кількістю 15 ізольованих вторинних обмоток. Див. Малюнок 4.

Рисунок 1: Загальна схема однієї фази перетворювача CHB на 5 комірок.

Рисунок 2: Приклад типової схеми клітин CHB.

Детальна схема типової комірки показана на малюнку 2. Вона включає:

На рис. 3а показаний типовий перетворювач з трансформатором та 18 елементами. На малюнку 3b показана окрема комірка.

Малюнок 3a: MV3000, привід потужністю 4160 В змінного струму на 1500 к.с. від WEG. Розподільний пристрій та трансформатор зліва та 18 комірок (детально показано на малюнку 3b) у центрі.

Малюнок 3b: Осередок з повітряним охолодженням, що показує модулі випрямляча (чорний) в центрі та модулі 62 мм (білий) праворуч і ліворуч.

Переваги

З малюнка 2 видно, що конструкція силових елементів дуже схожа на стандартний привід змінного струму, за винятком того, що використовуються лише два напівмости. Це дозволяє використовувати компоненти, які виготовляються у великих обсягах для перетворювачів нижчої напруги.
Модульна конструкція забезпечує гнучкість, оскільки вихідну напругу можна збільшити, додавши більше комірок та обмоток трансформатора.
Клітини можна обійти, щоб забезпечити надмірність. Див. Рисунок 4. Якщо одна комірка з якої-небудь причини не працює, її можна замкнути за допомогою байпасного перемикача, див. Рисунок 2. Цей комутатор може бути механічним або напівпровідниковим за допомогою тиристорного модуля, що базується на контакті під тиском. Поки існує деякий запас напруги, привід все одно може працювати або в незбалансованому стані, або, також умикаючи одну комірку на інших двох фазах, у збалансованому стані.
Дуже низькі вхідні гармоніки, оскільки вторинні обмотки трансформатора можуть бути зміщені по фазі за допомогою, наприклад, конструкції зигзагоподібного трансформатора.
Гармоніки струму двигуна дуже низькі, а значення dv/dt, яке застосовується до обмоток двигуна, зменшується. Міст Н працює на низьких частотах комутації, як правило, 500 Гц - 1 кГц, оскільки кількість комірок збільшує ефективну частоту комутації, яку бачать обмотки двигуна.
Спрощене обслуговування, оскільки окремі осередки можуть бути достатньо легкими для роботи двома людьми та зробити їх підключеними, див. Малюнок 3b. Оскільки кожна комірка однакова, це зменшує запас запасних частин.

Малюнок 4: Трифазна система та демонструє дисбаланс з однією фазою, яку обходять.

Недоліки

Трансформатор великий і складний. Див. Малюнок 3a.
Клітини потрібно ізолювати один від одного і заземлити. Це додає механічної складності та розміру, щоб відповідати стандартам кліренсу.
Потрібно велике значення згладжувальної ємності завдяки однофазній роботі комірки H Bridge.
Більш складне рідинне охолодження.

Шаблон перемикання

Міст H можна перемикати, щоб генерувати три різні напруги на виході, для позитивної напруги вмикаються S1 і S4, див. Малюнок 2, для негативної напруги S2 і S3. Для нульового стану напруги можна включити S1 і S2, або S3 і S4.

У найпростішому режимі роботи вихідну синусоїду можна створити, наприклад, включаючи спочатку кожну комірку послідовно з коміркою E, потім D аж до A з кожним кроком, збільшуючи вихідну напругу на ≈1000 В постійного струму і ШІМ-перемикання, що використовується на кожному рівні для формування форми сигналу до синусоїди. Це називається модуляцією зі зміщенням рівня, але він має недолік, що силові напівпровідники в кожній комірці не бачать однакових втрат, а обмотки трансформатора не тягнуть однакового струму, що не мінімізує вхідні гармонічні струми.

Інший метод, який називають модуляцією кута або фазового зсуву, показаний на малюнку 5 і створює рівні втрати в комірках. Шаблон використовує стандартне загальне посилання на синусоїду для всіх клітин, але фаза зміщує посилання ШІМ на коефіцієнт кількості клітин, поділеного на 180 °, в даному випадку з 5 клітинками, 36 °. Це вражає ШІМ-скоромовки та перешкоджає одночасному переходу двох комірок, а також порівну ділить нульові стани напруги між двома можливими варіантами. На малюнку 5 показано фазовий зсув між клітинами A і D при 3 x 36 = 108 °. Зараз, як і у звичайних накопичувачів, є численні нюанси генерації шаблонів ШІМ, така космічна векторна модуляція, все з цільовими технічними перевагами.

Рисунок 5: Схема перемикання комірок з кутом або фазою для напівпозитивної синусоїди.

Розрахунок збитків

Втрати залежать від типу використовуваної схеми перемикання. Однак можна просто наблизити втрати, використовуючи Інтернет-інструмент, такий як Infineon’s Iposim, та оцінюючи втрати, припускаючи однофазну роботу. Приблизним "правилом" є те, що на основній вихідній частоті 60 Гц, частоті перемикання 1 кГц на радіаторі з охолодженням повітрям модулі IGBT повинні мати середньоквадратичну потужність 0,6 - 0,7 x номінального струму модуля постійного струму. Отже, для модуля 300А середньоквадратичний струм може становити ≈ 180 - 210 ARMS.

Параметри живлення кремнію

Для трифазного випрямляча стандартні подвійні діодні модулі 20мм, 34мм і 50мм доступні як в технології пайки, так і в технології контакту під тиском. Див. Малюнок 6.

Малюнок 6: Випрямлячі модулі Infineon 20 мм, 34 мм і 50 мм.

Для мосту H часто вибирають пристрої IGBT на 1700 В, оскільки це дозволяє підвищити напругу комірки до максимуму ≈1200 В постійного струму, що дозволяє зменшити кількість комірок послідовно. У той же час 1700 В кремнію та периферійні компоненти, такі як випрямлячі та шинні конденсатори, легко доступні завдяки їх використанню в приводах з номінальною напругою 690 В змінного струму. Infineon збільшив портфоліо модулів IGBT в стандартних упаковках, щоб відповідати вимогам накопичувачів CHB, як показано на малюнку 7. Подвійні модулі в пакетах 62 мм або EconoDUAL ™ 3 доступні до 600A та комплектні мости H для більш компактного дизайну, доступні в упаковках EconoDUAL ™ 3 та Econo 3. Пізніше підходить для конструкцій на основі друкованих плат із використанням технології прес-фіту.

Рисунок 7: Модулі, запропоновані Infineon, призначені для мосту каскадної комірки H.

Висновок

Для інженера-проектувальника силової електроніки використання топології CHB забезпечило нижчу технічну точку входу на ринок МВС завдяки використанню основних компонентів перетворювача потужності, виготовлених у більших обсягах, для ринку перетворювачів нижчої напруги. Це та перераховані переваги продуктивності сприяли зростанню цієї топології на ринку MVD.

Про компанію

Infineon Technologies AG - німецький дизайнер, розробник та виробник напівпровідників та відповідних системних рішень. Компанія працює у чотирьох сегментах: автомобільна, промислова система управління потужністю, енергоменеджмент та мультимаркетинг, а також чіп-картка та безпека. Компанія є світовим лідером у галузі напівпровідникових рішень, які роблять життя простішим, безпечнішим та екологічнішим.

Список літератури

Набае, А. та ін.: «Новий ШІМ-інвертор із затиском у нейтральній точці»; Щорічні збори IEEE IAS 1981.
Zargari, N. et.al .: «Новий перетворювач джерела струму з використанням симетричного тиристора із комутованим затвором (SGCT)»; IEEE IAS травень/червень 2001 р.
Баслер, М. та ін.: «Нова система приводу середньої напруги на основі топології ANPC-5L»; IEEE-ICIT Чилі 2010.
Леснікар, А .; Р. Марквардт, Р .: “Нова топологія модульного інвертора джерела напруги”; EPE 2003.
Саумс, Д. DS&A: «Випаровуване діелектричне охолодження рідини для силових напівпровідників IGBT»; IMAPS 2009.

Ця стаття спочатку з’явилася в журналі Bodo’s Power Systems.