Отвечают технические специалисты
В этом номере мы решили задать вопросы двум техническим специалистам ведущих компаний-производителей в сфере силовой электроники. Андрей Колпаков (SEMIKRON) и Евгений Обжерин (Infineon) говорят о тенденциях развития силовых модулей и наиболее удачных решениях этого года.
Евгений Обжерин, инженер по применению компании Infineon
Охарактеризуйте перспективы развития силовой электроники в России
На мой взгляд, в связи с устареванием инфраструктуры будет возникать большое количество новых проектов (например: транспорт, энергетика, ЖКХ и т. д.), в которых будет широко востребована продукция отечественных производителей силового электронного оборудования.
Назовите новый, наиболее интересный продукт вашего бренда, выпущенный в 2012 году
FF600R17ME4 — 600 A/1700 В IGBT-модуль в конфигурации полумост в корпусе EconoDual. Данный модуль обеспечивает самую высокую плотность мощности среди всех доступных на рынке модулей в этом корпусе на напряжение 1700 В.
Назовите самый эффективный, на ваш взгляд, драйвер для управления полумостом 17 класса (ток до 450 А)
Infineon выпускает хорошо зарекомендовавшие себя 1700 B драйверы EiceDRIVER.
Наиболее нестандартное решение отвода тепла от IGBT-модуля
Наиболее интересное решение теплоотвода — модули с имплементированными игольчатыми радиаторами Pin-Fin для высокоэффективного жидкостного охлаждения, например IGBT-модуль для автомобильных применений 800 A/650 В HybridPackTM2 FS800R07A2E3.
Андрей Колпаков, старший технический специалист компании SEMIKRON
Новый, наиболее интересный продукт вашего бренда, выпущенный в 2012 году
Таким продуктом можно назвать инверторную сборку SEMISTACK RE (Renewable Energy) — новую концепцию силового преобразователя, предназначенного для применения в энергетических установках высокой мощности. Сборка WindSTACK представляет собой 3–фазный инвертор на базе интеллектуальных модулей (IPM) SKiiP, содержащих силовой каскад, схему управления и защиты, датчики тока и температуры, а также радиатор. Широкий диапазон топологий схем, возможность выбора типа охлаждения (воздушное или жидкостное), простота параллельного соединения позволяют применять эту сборку в конвертерах различных энергетических систем высокой мощности. Прежде всего, новая разработка ориентирована на новейшие типы ВЭУ с синхронным генератором и полноразмерным 4-квадрантным конвертором.
Базовый конструктив WindSTACK включает 3 фазные ячейки, соединенны в вертикальном положении. Каждая ячейка содержит полумостовой модуль SKiiP IPM на радиаторе, звено постоянного тока (ЗПТ) с полипропиленовыми конденсаторами и снабберами, а также терминалы для подключения АС-выходов. Элементы сборки устанавливаются на жесткой раме, связь ЗПТ с DC-терминалами осуществляется посредством низкоиндуктивных шин. Фазные блоки соединяются между собой копланарными коннекторами, позволяющими сформировать 2Q– или 4Q– конфигурацию, а также включить модули SKiiP в параллель, удвоив таким образом мощность инвертора.
В фазных ячейках можно использовать модули SKiiP с воздушным или жидкостным радиатором, при этом сборка инвертеров в различных конфигурациях осуществляется с помощью одинаковых механических частей. Благодаря этому в рамках одного базового конструктива можно изготовить инвертер для различного типа ветро- или гидротурбин, солнечных батарей, приводов и т. д.
Основным элементом WindSTACK, определяющим его мощностные характеристики, является самый мощный в мире полумостовой интеллектуальный модуль SKiiP. Этот силовой ключ очень популярен и востребован на рынке возобновляемых источников энергии.
Использование гибких базовых платформ, к которым относится WindSTACK, предоставляет пользователям широкие возможности по выбору конфигурации схемы и диапазона мощности. Производитель готовой системы избавляется от необходимости проектировать силовую часть преобразователя, закупать комплектующие, заниматься изготовлением и испытаниями конвертера. Соответственно, исключаются риски, связанные с перечисленными этапами разработки и производства, существенно сокращается время вывода изделия на рынок.
Самый эффективный, на ваш взгляд, драйвер для управления полумостом 17 класса (ток до 450 А)
SKYPER 42 предназначен для управления полумостовыми модулями IGBT 06, 12 и 17 класса при напряжении DC-шины до 1200 В. Токовые характеристики драйвера позволяют использовать его в составе инверторов мощностью до 1 МВт и выше.
Разработка нового 2-канального ядра SKYPER 42 решила задачи расширения диапазона мощностей, повышения гибкости и универсальности применения драйвера и улучшения показателей надежности.
Основные технические характеристики SKYPER 42:
- суммарный заряд затвора IGBT — до 50 мкКл;
- гальваническая изоляция сигналов управления по стандарту EN50178 PD2;
- напряжение изоляции — 4 кВ;
- выходной ток (пиковый) — 30 A;
- мощность (на 1 канал) — 4 Вт;
- рабочая частота — до 100 кГц;
- стойкость к dv/dt — до 100 кВ/мкс;
- виды защиты: DSCP — динамическая от перегрузки по току и КЗ, подавление коротких шумовых импульсов SPS, программируемое время tdt;
Для подключения SKYPER 42 к силовым ключам различного типа предусмотрена серия плат-адаптеров, позволяющих осуществлять управление как одиночными модулями, так и их параллельным соединением. Для подключения затворов параллельных IGBT предусмотрены отдельные коннектеры, на которые подаются согласованные импульсы управления. Симметрирование контрольных сигналов позволяет снизить уровень токовых перегрузок, обеспечить высокую эффективность преобразования, полностью реализовать мощностные характеристики IGBT. Адаптерные платы осуществляют механический и электрический интерфейс ядра с силовыми модулями, на них устанавливаются компоненты, являющиеся специфическими для конкретного IGBT.
При разработке SKYPER 42 была проведена модификация основных узлов схемы базового ядра SKYPER 32, начиная с управляющего контроллера. В изделии использован помехозащищенный 15 В интерфейс, внедрен новый цифровой блок подавления шумовых импульсов. Передача управляющих сигналов и импульсов управления изолированным источником питания осуществляется с помощью специализированных трансформаторов со сверхнизкой проходной емкостью, что позволило довести иммунитет к dv/dt до 100 кВ/мкс. Для повышения надежности работы преобразовательной системы в SKYPER 42 реализован режим стабилизации амплитуды импульсов управления затворами IGBT. Благодаря оптимизации топологии печатной платы и применению специального экранирующего слоя помехозащищенность изделия в 2 раза превышает уровень, оговоренный стандартами EN.
Среднее время наработки на отказ SKYPER 42 в 3 раза превышает средние показатели доступных на рынке мощных схем управления затворами. Оптимизированная конструкция платы, использование уникального экрана EMI и встроенный блок подавления шумовых импульсов гарантируют высокий уровень защиты от электромагнитных помех. SKYPER 42 способен управлять параллельным соединением IGBT 12 и 17 класса с суммарным зарядом затвора 50 мКл, что позволяет драйверу работать в инверторах мощностью свыше 1 МВт.
Наиболее нестандартное решение отвода тепла от IGBT-модуля
Можно выделить несколько «экзотических» типов охлаждения. Микроканальное охлаждение является одним из вариантов жидкостного. В процессе диффузионного напыления меди на керамику микроканалы образуются с помощью нескольких медных пленок, размещаемых между двумя DBC–слоями. Эти пленки перфорируются таким образом, чтобы отверстия были смещены одно напротив другого. В керамической подложке на нижнем слое DBC делаются отверстия для подвода и отвода воды.
Охлаждение на фазовом переходе использует тот факт, что для испарения жидкости требуется определенное количество тепла (теплота испарения). Если газ конденсируется, то данное количество тепла затем будет рассеяно снова. При организации цикла испарения и конденсации в замкнутом контуре существует возможность переноса большого количества тепла из точки испарения в точку конденсации. Сила тяжести и капиллярные силы способны поддерживать этот процесс без применения насосов.
Охлаждение орошением (струйное) осуществляется посредством разбрызгивания жидкого охладителя (в виде аэрозоля или струи) на нагретую поверхность (например, кристалла).