Инверторная платформа SEMIKUBE – quadratisch, praktisch, gut! Универсальная платформа для построения трехфазного инвертора IGBT

Общей тенденцией современного рынка мощных преобразовательных устройств стал рост предложения готовых мощных узлов и подсистем. Подобные функционально законченные блоки, предназначенные для решения конкретных задач, сейчас гораздо более востребованы потребителями, чем дискретные силовые модули. Прежде всего это относится к применению в ветроэнергетике, сварочном оборудовании, в лифтовом оборудовании, в городском электротранспорте, электрических и гибридных транспортных средствах. Специализированный конвертор, разработанный, изготовленный и испытанный по требованиям заказчика, обеспечивается полным комплектом технической документации. Предусмотрено и послепродажное обслуживание. Все это значительно сокращает затраты на проектирование конечного продукта и время его выхода на рынок. Кроме того, при такой организации работы заказчик может постоянно находиться в контакте с разработчиком, оперативно решать все проблемы, связанные с эксплуатацией оборудования.

Для соответствия требованиям рынка компания SEMIKRON, известная своими уникальными разработками в области преобразовательной техники, объединила девять научных центров, расположенных в Южной Корее, Австралии, Южной Африке, США, Франции, Англии, Бразилии, Индии и Словении, в глобальную международную дизайнерскую сеть (Solution Centers Network). Основная задача нового центра — создание базовых конструкций силовых сборок для основных промышленных применений. Наличие таких «платформ» позволяет быстро адаптировать готовый продукт под требования заказчиков, находящихся в различных странах. Соединение исследовательских лабораторий, разбросанных по всему миру, в сеть позволяет объединить их возможности в области разработки, испытаний, маркетинга, логистики и технического сопровождения.

В декабре 2004 года компания SEMIKRON представила первый проект, выполненный в рамках глобальной сети. Потребителям была предложена конструктивная платформа конфигурации B6CI (выпрямитель плюс инвертор) со сверхнизкой индуктивностью силовых шин, предназначенная для построения приводов мощностью 220–900 кВт. Новый конструктив, получивший название SEMIKUBE, представляет собой компактный стандартизированный универсальный модуль, предназначенный для решения широкого круга приводных задач. Разработка первой в мире универсальной инверторной платформы — результат более чем 45-летней работы в области проектирования силовых сборок.

В настоящее время завершены испытания всех компонентов платформы SEMIKUBE™ B6CI. Теперь данное изделие считается серийным и может поставляться заказчикам без выдачи задания на разработку.

Семейство SEMIKUBE™ включает шесть типоразмеров модулей с током от 200 до 1550 А. Все изделия рассчитаны на режим принудительного воздушного охлаждения. Расчетный срок службы модулей составляет более 60 тыс. часов при предельных электрических нагрузках и температуре окружающей среды 45 °C. Конструкция низкоиндуктивных DC-шин блоков SEMIKUBE™ позволяет осуществлятьих произвольное горизонтально-вертикальное соединение. Банк конденсаторов модулей имеет отдельную систему охлаждения, что гарантирует надежность, долговременную стабильность параметров и исключает возможность появления зон локального перегрева. На рис. 1 показан внешний вид базового блока платформы — модуля SEMIKUBE 1 мощностью 220 кВт. Некоторые варианты исполнения платформы представлены на рис. 2: самая мощная версия SEMIKUBE 3V, а также модуль SEMIKUBE 2V, имеющий дополнительные терминалы для подключения дросселя DC-шины.

Блоки SEMIKUBE могут содержать:

• трехфазный инвертор IGBT;
• драйверы управления;
• охлаждаемый банк конденсаторов;
• датчики тока, температуры и напряжения DC-шины;
• трехфазный неуправляемый/полууправляемый выпрямитель (для типоразмеров 1, 2Н и 2V).

Внешний вид и основные характеристики пяти выпускаемых типоразмеров блоков SEMIKUBE приведены в таблице.

Для расширения области применения платформы состав семейства в июне 2005 года был дополнен элементом типоразмера SEMIKUBE 1/2, обеспечивающим диапазон мощности от 60 кВт (рис. 3). Размеры основания нового модуля SEMIKUBE 1/2 составляют 339×275 мм, высота — менее 400 мм. В этом пространстве размещены входной выпрямитель, инвертор, датчики тока, напряжения шины и температуры, плата управления и DC-шина с банком конденсаторов. Блоки SEMIKUBE имеют рекордное соотношение мощность/объем для инверторов данного диапазона мощности, достигающее 7,3 кВ·А/дм³.

Концепция, использованная при создании SEMIKUBE, включала следующие основные положения:

• в изделии должны применяться электронные силовые модули, имеющие лучшие показатели эффективности;
• для сборки всех блоков серии должны применяться только надежные стандартные механические элементы;
• конструкция блоков должна обеспечивать возможность их соединения для наращивания мощности.

В блоках SEMIKUBE использован режим принудительного воздушного охлаждения силовых модулей и конденсаторов DC-шины, что гарантирует высокую надежность и исключает возникновение локальных перегревов в любой точке конструкции. Практически идеальная симметрия шин, соединяющих силовые модули, и конструкция звена постоянного тока обеспечивают оптимальное распределение тока и минимальные значения переходных перенапряжений. Во всех пяти типах SEMIKUBE применяются одинаковые крепежные и соединительные элементы. Этим достигается простота установки, подключения и наращивания блоков. Три из пяти типоразмеров серии содержат полууправляемый выпрямитель с системой предварительного заряда конденсаторов шины питания, запатентованной SEMIKRON.

Конструктивно платформа SEMIKUBE представляет собой набор одинаковых блоков, имеющих специальные крепежные элементы для их взаимного соединения, обеспечивающего заданные механические и электрические характеристики. Для связи использованы силовые шины и коннекторы с низкой индуктивностью. Благодаря кубической форме блоков и специальным креплениям DC-шин модули могут быть скомпонованы в горизонтальном и вертикальном положении.

Общий вес составных частей базового модуля SEMIKUBE не превышает 30 кг, все точки крепления доступны со стороны лицевой части. Модульная конструкция позволяет наращивать блоки, при этом требуется минимальное количество крепежных элементов. Простота конструкции упрощает послепродажное обслуживание готовых изделий и их замену.

Инверторы SEMIKUBE имеют предельно малые габариты для данного класса изделий. В основе конструкции лежит единичный модуль, содержащий IGBT-транзисторы или выпрямители, DC-шину с конденсаторами, радиатор, вентилятор, драйвер и датчик тока. В качестве силовых ключей использованы модули IGBT SEMITRANS последних поколений, выпускаемые по технологии Trench FS со сверхнизкими потерями проводимости и SPT с оптимизированным соотношением потерь проводимости и переключения. Платы управления SEMIKUBE, разработанные на основе новейших драйверов SEMIKRON серии SKYPER 32, имеют гальваническую изоляцию цепей управления и все необходимые защитные и сервисные функции.

Базовый единичный модуль SEMIKUBE содержит четыре элементарных узла, конструкция одного из которых показана на рис. 4. Узел состоит из двух параллельно соединенных модулей IGBT, датчика тока на основе эффекта Холла и соединительных шин. Элементы единичного модуля могут работать независимо, как это реализовано в трехфазных инверторах минимальной мощности (типоразмеры SEMIKUBE 1 и 1/2). Для увеличения выходной мощности единичные модули соединяются параллельно в горизонтальном или вертикальном положении (рис. 5, типоразмеры 2V, 3V, 2H, 3H).

В окончательном виде объединенные в необходимой конфигурации единичные модули устанавливаются в корпус и снабжаются терминалами для внешнего подключения. На рис. 1b в качестве примера показан внешний вид готового преобразователя SEMIKUBE 1 (фотография сделана на выставке PCIM-2005). Кроме элементов инвертора модуль содержит выпрямитель, охлаждаемый банк конденсаторов и датчики. На фотографии видна плата управления с установленными на ней тремя драйверами SKYPER 32PRO.

На рис. 5 схематически показано, как осуществляется промежуточная связь и параллельное соединение единичных модулей SEMIKUBE, внешний вид и параметры которых приведены в таблице 1. В компонентах серии используется два типа соединения: вертикальное (типоразмеры 2V, 3V) и горизонтальное (типоразмеры 2Н, 3Н).

Блоки первого типа с вертикальным способом наращивания единичных модулей предназначены для использования в изделиях, для которых определяющим требованием являются минимальные габариты (ширина не превышает 450 мм). Охлаждение вертикальных блоков серии Compact Line осуществляется одним вентилятором; максимальная выходная мощность для типоразмера 3V составляет 560 кВт при скорости потока охлаждающего воздуха 500 м³/ч.

В блоках серии High Power Line, как видно из их названия, главным является получение максимальной выходной мощности, которая в данном случае достигает 900 кВт для типоразмера 3Н (рис. 2а). Каждый единичный модуль в этом наиболее мощном варианте имеет собственную систему охлаждения, скорость потока охлаждающего воздуха — 1000 м³/ч.

Одно из важнейших достоинств конструкции SEMIKUBE— ее гибкость, возможность использования любых вариантов промежуточного соединения. На рис. 6 показано одно из таких нестандартных исполнений в конфигурации «B6HK + B6CI», включающей трехфазный инвертор и выпрямитель с дополнительным банком конденсаторов. Обратите внимание, что в данном случае применено горизонтальное соединение вертикальных блоков типоразмера 2V. На рисунке хорошо видны расположенные между вертикальными блоками элементы крепления: фиксация соединительных шин осуществляется с помощью специальных барашковых болтов.

Для различных версий SEMIKUBE разработаны несколько вариантов плат управления, спроектированных на основе новейших драйверов SKYPER™ 32РRO [4]. Устройства управления SEMIKUBE отличаются расширенными функциями мониторинга и защиты, что обеспечивает максимально высокую степень интеграции и интеллектуализации изделия. Внешний вид драйвера SKYPER 32РRO и платы управления модуля SEMIKUBE 1/2 с тремя установленными на ней драйверами приведены на рис. 7.

Драйверы серии SKYPER™ имеют все необходимые базовые виды защиты и мониторинга; ниже приведены их основные характеристики:

• два канала управления;
• выходной ток (пиковый) — 15 A;
• заряд затвора управляемого транзистора — до 6,3 мКл;
• встроенный изолированный DC/DC-конвертор;
• гальваническая изоляция сигналов управления с помощью импульсных трансформаторов;
• виды защиты: DESAT, UVLO, подавление коротких импульсов, программируемое время t_dt.

Кроме базовых функций, выполняемых SKYPER, платы управления блоками SEMIKUBE™ содержат схемы обработки сигналов датчиков:

• тока каждой фазы;
• напряжения DC-шины;
• температуры радиатора.

Все датчики SEMIKUBE, включая датчик напряжения DC-шины, имеют аналоговые гальванически изолированные выходы, напряжение изоляции 4 кВ.

Платы управления SEMIKUBE обеспечивают следующие виды защит:

• от перегрузки по току и короткого замыкания (комбинированная по напряжению насыщения и выходному току);
• от перегрева;
• от перенапряжения по шине питания;
• от разбаланса выходных токов параллельных модулей.

На платах расположены светодиодные индикаторы, показывающие причину последней неисправности. Состояние индикатора сохраняется после повторного запуска инвертора. Кроме того, устройство управления включает плату параллельного соединения затворов IGBT с резисторами R_Gon, R_Goff и ограничителями напряжения затворов.

Расположение выводов сигнальных разъемов модулей аналогично цоколевке разъемов модулей SKiiP в конфигурации GD и GB, выход ОТ (сигнал перегрева) предлагается в качестве опции. В платах, предназначенных для управления наиболее мощными версиями модулей, драйверы SKYPER используются с усилителями, увеличивающими выходной пиковый ток до 30 А на частоте 20 кГц при заряде затвора 30 мКл.

На модули семейства SEMIKUBE выпущена вся необходимая техническая документация, доступны файлы с техническими характеристиками всех компонентов серии SEMIKUBE. В них содержатся необходимые для расчетов технические характеристики, в частности на рис. 8 приведены графики зависимости тока перегрузки от номинального тока при различной длительности перегрузки и номинального тока от рабочей частоты при различных коэффициентах перегрузки для SEMIKUBE 3H.

Для упрощения процесса расчета рабочих режимов и выбора компонента платформы специалистами компании разработана специальная программа, названная SEMIKUBE CALCULATOR. Внешний вид рабочего меню программы показан на рис. 9.

При работе с SEMIKUBE CALCULATOR необходимо учитывать следующие положения:

• все расчеты производятся для синусоидального выходного тока без учета гармонических составляющих;
• частота огибающей выходного напряжения должна быть выше 2 Гц;
• анализ режима перегрузки по току производится для случая импульсного характера перегрузки (плавный режим нарастания тока не рассматривается).

Работа с программой чрезвычайно проста, все этапы хорошо видны на рисунке:

1. Выбор типа модуля SEMIKUBE: 1/2, 1, 2V, 2H, 3V, 3H.
2. Выбор типа силового ключа: SKM300GB126D, SKM300GB128D, SKM400GB126D, SKM400GB128D, SKM600GB126D.
3. Выбор типа выпрямителя (диодного или тиристорного). Для версий без выпрямительного моста выбирается строка «No rectifier».
4. Ввод рабочих режимов в ячейки, помеченные желтым цветом:
   • Ambient temperature — максимальная температура окружающей среды;
   • I (RMS) — эффективное (среднеквадратичное) значение выходного тока инвертора;
   • Overload duration — длительность режима перегрузки;
   • Cycle period — период повторения состояния перегрузки;
   • Overload Factor — коэффициент перегрузки;
   • Output frequency — частота выходного сигнала (частота огибающей);
   • Switch. Freq — частота ШИМ;
   • U_ac — эффективное значение выходного напряжения;
   • U_dc — постоянное напряжение DC-шины.

При вводе каждой переменной программа автоматически производит вычисления тока перегрузки (Overload current), суммарной мощности потерь (Total losses) и КПД (Efficiency). Одновременно на графике Current cycle изменяется соответствующим образом кривая, отображающая рабочий цикл изменения тока нагрузки. Также автоматически производится расчет важнейших тепловых параметров в номинальном режиме и режиме перегрузки (результаты отображаются в ячейках таблицы):

• Rectifier junction Temp Nominal — номинальная температура кристаллов выпрямителя;
• IGBT junction Temp Nominal — номинальная температура кристаллов IGBT-модуля;
• FW Diode Temp Nominal — номинальная температура кристаллов антипараллельных диодов IGBT-модуля;
• Heatsink Temp Nominal — номинальная температура радиатора;
• Overload rectifier junction Temp Max — температура кристаллов выпрямителя в режиме перегрузки;
• Overload IGBT Temp Max — температура кристаллов IGBT-модуля в режиме перегрузки;
• Overload FWD Temp Max — температура кристаллов антипараллельных диодов IGBT-модуля в режиме перегрузки;
• Overload heatsink Temp Max — температура радиатора в режиме перегрузки.

Допустимыми считаются тепловые режимы, приведенные во втором окне меню; в рассматриваемом варианте это 125 °С для номинального режима эксплуатации и 130 °С для режима перегрузки.

Если после ввода всех исходных данных нажать кнопку «Calc. Max possible current», программой будет произведен расчет максимально допустимого выходного тока для заданных условий, и полученное значение появится в ячейке I (RMS).

Заключение

Более 45 лет SEMIKRON разрабатывает и производит мощные преобразователи, содержащие силовые полупроводниковые ключи, конденсаторы, драйверы, шины, устройства охлаждения, датчики. За эти годы выпущено более 15 тыс. подобных изделий, что позволило компании накопить огромный опыт и стать мировым лидером в области производства силовых сборок для конкретного применения по требованиям, определяемым заказчиком. Яркий пример лидерства: в 57% ветрогенераторов, работающих в энергосистемах по всему миру, используются преобразователи, разработанные и изготовленные компанией SEMIKRON.

Платформа SEMIKUBE является первой разработкой нового международного подразделения SEMIKRON, объединившего 9 исследовательских лабораторий, расположенных в разных странах. Создание новой дизайнерской сети SEMIKRON позволило объединить все имеющиеся у компании ресурсы в области проектирования, производства и маркетинга. Философией исследовательской сети является «глобальная работа в рамках локальной задачи», такая концепция позволяет максимально приблизить все имеющиеся ресурсы к решению конкретной проблемы. Все отдельные исследовательские центры имеют собственные команды инженеров-разработчиков и специалистов по применению, каждый из которых отвечает за свое направление. В составе этих групп есть и сотрудники, занимающиеся испытанием готовых изделий, в их обязанности входит подтверждение соответствия технических характеристик заданным условиям.

Универсальная платформа инвертора SEMIKUBE, разработанная и испытанная новым подразделением SEMIKRON, обеспечивает:

• оптимальное использование объема модуля, SEMIKUBE не имеет аналогов по компактности, плотности мощности и уровню интеграции;
• гибкость конструкции: горизонтальное, вертикальное или смешанное расположение единичных модулей позволяет адаптировать конструкцию изделия под конкретные требования с минимальными затратами;
• высокую надежность и минимальные затраты при изготовлении за счет применения электронных элементов с лучшими характеристиками эффективности и стандартных надежных механических частей;
• простоту сборки, монтажа, ремонта и изменения конфигурации за счет уникальной конструкции единичных модулей и соединительных шин.