Модули IGBT LV100 для оптимальной производительности в возобновляемых источниках энергии и промышленном применении.

Модули LV100 IGBT обеспечивают превосходную производительность в возобновляемых источниках энергии и промышленных приложениях

Легко спроектируйте преобразователь постоянного тока 1500 В с более высокой удельной мощностью с помощью нового модуля LV100 IGBT 2,0 кВ

Использование силовых модулей IGBT 1700 В для приложений 1500 В постоянного тока сопряжено со многими рисками непредсказуемых отказов преобразователей. Вместо этого, недавно разработанный модуль IGBT 2,0 кВ позволяет надежно и эффективно использовать простые двухуровневые топологии в системах преобразователей постоянного тока 1500 В. Модуль 2,0 кВ предлагает конкурентоспособное решение благодаря упрощенной конструкции и компоновке преобразователя, более высокой удельной мощности и высокой масштабируемости.

Т. Радке, Н. Солтау, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ратинген, Германия; С. Мияхара, Mitsubishi Electric Corporation, Фукуока, Япония

Традиционно доступные модули IGBT с блокирующим напряжением 1700 В предназначены для удовлетворения требований приложений управления двигателями в сетях переменного тока 690 В, где напряжение звена постоянного тока обычно составляет около 970 В и максимум ниже 1200 В. В приложениях, использующих возобновляемые источники энергии, требуется более высокое напряжение звена постоянного тока до 1500 В, что является пределом, установленным Директивой о низковольтном оборудовании (2014/35/EU). Таким образом, был разработан и протестирован новый модуль IGBT 2,0 кВ в корпусе LV100, отвечающий требованиям возобновляемых источников энергии, таких как фотоэлектрические и ветроэнергетические преобразователи. Новое решение на основе модуля IGBT класса 2,0 кВ было сравнено с существующими вариантами, такими как модули IGBT класса 1700 В или 1200 В, по таким параметрам, как потери мощности, рабочая температура, удельная мощность, ограничения механической конструкции и долговременная стабильность искажений постоянного тока (LTDS).

Предыстория разработки модуля IGBT класса 2,0 кВ

В последние годы напряжение постоянного тока 1500 В стало стандартом для крупномасштабных фотоэлектрических электростанций. Завышение размеров фотоэлектрических массивов приводит к увеличению напряжения в точке максимальной мощности (MPP) и даже позволяет достичь непрерывной работы 1400 В для центральных фотоэлектрических инверторов [1]. В инверторах ветроэнергетических установок с классическим напряжением 690 В переменного тока для учета реактивной мощности требуются напряжения звена постоянного тока, превышающие 1200 В постоянного тока [2]. Кроме того, такие события в сети, как перегрев и сохранение высокого напряжения, могут привести к повышению напряжения звена постоянного тока в краткосрочной перспективе. Более того, для снижения стоимости системы рассматриваются более высокие выходные напряжения преобразователей ветроэнергетических установок, например, 900 В переменного тока [1]. Поэтому в преобразователях ветроэнергетических установок напряжения приближаются к пределу директивы по низкому напряжению в 1500 В постоянного тока / 1000 В переменного тока. Аналогичная тенденция наблюдается и для систем хранения энергии на основе батарей. В связи с ограничениями силовых модулей IGBT класса 1700 В в данных условиях эксплуатации, необходим новый модуль IGBT класса 2,0 кВ для обеспечения надежной работы двухуровневого преобразователя при требуемых напряжениях звена постоянного тока.

Ограничения силовых модулей 1700 В

1700 В — это признанный класс напряжения для силовых модулей IGBT, особенно потому, что они хорошо подходят для систем переменного тока 690 В, которые часто используются в мощных промышленных приложениях. Однако при использовании в системах постоянного тока 1500 В существуют высокие риски, поэтому IGBT 1700 В использовать не следует.

Одним из хорошо известных и понятных механизмов отказа является спонтанный отказ, вызванный космическими частицами. Это частицы, генерируемые космическим излучением и проникающие в атмосферу Земли, воздействуя на полупроводник в силовых модулях. Существует определенная вероятность того, что это воздействие может повредить полупроводник. Важно отметить, что отказ из-за космических частиц — это случайный отказ, который может произойти в любой момент времени с определенной вероятностью. Эта вероятность остается постоянной на протяжении всего срока службы силового модуля, в отличие от отказов из-за износа, вероятность которых увеличивается с увеличением времени работы силового модуля.

Вероятность отказа из-за космических частиц зависит в первую очередь от класса напряжения силового модуля и приложенного напряжения. Вероятность отказа, или, скорее, частота отказов, измеряется в лабораторных условиях и в конечном итоге выражается как способность LTDS [8]. Эти исследования показывают, что способность LTDS силовых модулей с номинальным напряжением 1700 В недостаточна для применения в сетях постоянного тока напряжением 1500 В. Работа при напряжении 1400–1500 В приводит к случайным отказам в полевых условиях с неприемлемо высокой частотой отказов. Это будет обсуждаться подробнее ниже.

Помимо отказов, вызванных космическими частицами, еще одним ограничением при работе силовых модулей при высоких напряжениях звена постоянного тока является пиковое перенапряжение. Когда силовой модуль выключен, возникает переходное перенапряжение из-за собственных индуктивностей в основной цепи, которые состоят из паразитной индуктивности силового модуля, шин постоянного тока и конденсаторов. Это напряжение добавляется к напряжению звена постоянного тока. Сумма напряжения звена постоянного тока и переходного перенапряжения всегда должна быть ниже напряжения пробоя полупроводника. Становится очевидным, что при использовании силового модуля IGBT на 1700 В при напряжении 1500 В запас по перенапряжению составляет всего 200 В.

Это технически возможно только при условии значительного ограничения тока и значительного снижения скорости переключения.

Учитывая отказы, вызванные космическими частицами, и ограничение перенапряжения, становится очевидным, что силовые модули класса 1700 В не подходят для разработки преобразователей с напряжением звена постоянного тока 1500 В. Риск разработки ненадежного, неэффективного и в целом неконкурентоспособного преобразователя очевиден.

Силовой модуль 2,0 кВ от Mitsubishi

Решение компании MITSUBISHI ELECTRIC для преобразователей с напряжением звена постоянного тока до 1500 В — это недавно разработанный силовой модуль серии T 2,0 кВ. В силовом модуле используются новейшие IGBT 7-го поколения и диод с ослабленным полем на катоде (RFC). Благодаря современному корпусу LV100, как показано на рисунке 1, силовой модуль обеспечивает высокую плотность мощности и упрощенное параллельное соединение. Новый модуль CM1200DW-40T 2,0 кВ расширяет обширную линейку LV100 и HV100, как показано в таблице 1.

Рисунок 1: Новый силовой модуль 2,0 кВ в корпусе LV100

Таблица 1: Линейка LV100 и HV100 HV100

На рисунке 2 показано схематическое поперечное сечение кристалла IGBT и диода. Структура диода RFC с тонким легированным N-буфером LPT(II) с легким градиентом легирования, в сочетании с неглубоким слоем N+ и слоем P на катодной стороне, обеспечивает достаточные блокирующие характеристики при 2,0 кВ и низкое прямое напряжение. Структура диода RFC позволяет подавлять колебания при высоком напряжении звена постоянного тока без ущерба для низкого значения Err vs. V_F [7].

Фото 2: Вид поперечного сечения чипа IGBT 7-го поколения (слева) и чипа диода RFC (справа)

Увеличение способности блокировать напряжение с 1700 В до 2,0 кВ связано с ожидаемым увеличением прямого напряжения и/или энергии переключения. Этот эффект был тщательно исследован в ходе разработки силового модуля 2,0 кВ. На рисунке 3 показана зависимость прямого напряжения IGBT V_CEsat от энергии выключения E_off для различных классов напряжений. Видно, что кривые зависимости для разных классов напряжений сместились, но для модуля 2,0 кВ нам удалось сохранить аналогичное прямое напряжение V_CEsat, как и для устройства 1700 В. На рисунке 4 аналогично показана зависимость прямого напряжения диода V_f от энергии обратного восстановления E_rr. Для окончательной конструкции силового модуля на 2,0 кВ был выбран диод с низким прямым напряжением.

Фото 3: Компромиссные характеристики IGBT разных классов напряжения

Фото 4: Компромиссные характеристики диодов разных классов напряжения

Как упоминалось ранее, для силовых модулей на 1700 В долговременная стабильность постоянного тока (LTDS) является одним из ограничений для применений с различными напряжениями 1500 В. На рисунке 5 показано сравнение измеренной частоты отказов для устройства на 1700 В и нового устройства на 2,0 кВ. Как показывают измерения, возможности LTDS нового устройства на 2,0 кВ значительно улучшены.

Рисунок 5: Кривые LTDS для тока 1200 А для силовых модулей разных классов напряжения

Рисунки 3–5 наглядно иллюстрируют компромисс между потерями в силовых устройствах и возможностями LTDS. Мы считаем, что силовой модуль 2,0 кВ является эффективным, надежным и хорошо сбалансированным решением для многих применений в сетях постоянного тока напряжением 1500 В.

Сравнение с 3-уровневой топологией

Как уже объяснялось, 2-уровневая топология на основе IGBT на 1700 В считается ненадежной из-за недостаточных запасов и высокой частоты отказов, вызванных космическим излучением. Традиционно для инверторов на 1500 В постоянного тока используется 3-уровневая (A)-NPC топология на основе IGBT на 1200 В. Этот традиционный подход был протестирован в сравнении с новым, упрощенным двухуровневым решением на основе нового модуля LV100 IGBT класса 2,0 кВ.

a) Условия применения

Наиболее распространенным доступным решением для инверторов постоянного тока 1500 В является трехуровневая топология на основе IGBT 1200 В.

Фото 6: Топологии цепей

Поэтому было проведено сравнительное тестирование и оценка трехуровневой топологии на основе трех модулей LV100 CM1200DW-24T с номинальной мощностью 1200 А/1200 В с модулем 2,0 кВ. Модуль CM1200DW-40T в тройной параллельной конфигурации. Номинальное предельное напряжение звена постоянного тока определено Директивой по низковольтному оборудованию и составляет V_DC=1500 В. Для оценки потерь мощности было выбрано немного более низкое напряжение V_DC=1400 В для непрерывной работы. Применялся метод жидкостного охлаждения, широко используемый в системах ветроэнергетических преобразователей. Были выбраны коэффициент мощности 1 и частота переключения 2,5 кГц, что является типичными значениями для центральных фотоэлектрических инверторных блоков и ветроэнергетических преобразователей со стороны сети. Для трехуровневого решения была выбрана половина частоты переключения, т.е. 1,25 кГц, из-за одинакового падения тока при сопоставимых значениях индуктивности фильтра. Подробные условия эксплуатации описаны в таблице 2.

b) Потери мощности и тепловая эффективность

Потери и температуры оценивались в этих условиях.

Таблица 2: Условия применения

T_vjop=150 °C и T_vjmax=175 °C. Та же охлаждающая способность рассматривается для модулей 1200 А / 1200 В в 3-уровневой NPC-конфигурации. Однако максимальная температура перехода достигает 145 °C, что близко к заданным температурным пределам. Это связано с тем, что в 3-уровневой NPC-топологии потери сосредоточены в определенных полупроводниковых компонентах. Внешние IGBT-транзисторы Tr1 и Tr4 работают с высоким коэффициентом заполнения и должны пропускать всю амплитуду выходного тока инвертора, тогда как в двухуровневой топологии параллельно работающие устройства делят ток.

Фото 7: Результаты оценки потерь и температуры IGBT-транзисторов и диодов в двухуровневых преобразователях 2,0 кВ и трехуровневых инверторах 1200 В

В результате потери проводимости IGBT-транзисторов Tr1 и Tr4 достигают 827 Вт. Кроме того, IGBT-транзисторы Tr1 и Tr4 Потери также участвуют в процессе переключения, и к ним необходимо добавить 235 Вт потерь при переключении. Таким образом, общие потери IGBT составляют 1061 Вт, что примерно на 47% выше, чем потери IGBT на 2,0 кВ в двухуровневой конфигурации. Эта высокая концентрация потерь приводит к значительному повышению температуры на внешних переходах IGBT в трехуровневой топологии. Высокая температура перехода ограничивает общую эффективность преобразователя по выходной мощности. С учетом предельной температуры перехода в 150°C в 3-уровневой топологии, эффективный среднеквадратичный выходной ток должен быть ограничен 1250 А. Однако в 2-уровневой топологии с образцами 2,0 кВ возможен выходной ток на 24% выше и составляет 1500 А.

Фото 8: Максимальная температура перехода в зависимости от выходного тока инвертора для 2-уровневой топологии (3 шт. параллельно соединенных 1200 А/2,0 кВ) c) Частота переключения

Видно, что в двухуровневой топологии 2,0 кВ, работающей на частоте переключения 2,5 кГц, доминирующей составляющей являются потери при переключении, достигающие 69%. Однако в трехуровневой топологии 1200 В основной вклад вносят потери проводимости, составляющие 97,6%. Поэтому было сделано предположение, что трехуровневый преобразователь будет более выгоден при более высокой частоте переключения. Было проведено моделирование для сравнения зависимости температуры перехода для трехуровневого и двухуровневого преобразователей. В диапазоне частот переключения до 9 кГц двухуровневый преобразователь имеет более низкую температуру перехода. В диапазоне частот от 0 до 1 кГц работа 3-уровневого преобразователя ограничивается температурой внутренних переходов IGBT-транзисторов Tr2 и Tr3. При коэффициенте мощности cos(φ) = 1 потери и температуры Tr2 и Tr3 не зависят от частоты переключения из-за потерь проводимости. При частотах переключения выше 1 кГц внешние ключи Tr1 и Tr4 ограничивают работу 3-уровневого преобразователя тепловым воздействием. В 2-уровневом преобразователе при предполагаемых условиях эксплуатации IGBT-транзисторы Tr1 и Tr2 имеют самые высокие температуры. Однако из-за напряжения звена полупостоянного тока в 3-уровневом преобразователе частоту переключения можно уменьшить на 50%, чтобы получить сопоставимые пульсации тока при той же индуктивности фильтра переменного тока, что и в 2-уровневом преобразователе. Поэтому это уменьшение частоты переключения также было учтено для 3-уровневого преобразователя. Результаты показывают, что при частотах переключения 3,5 кГц (двухуровневый) и 1,75 кГц (трехуровневый) двухуровневый преобразователь с IGBT класса 2,0 кВ имеет более низкую температуру перехода и более высокую токовую способность. При частотах переключения выше 3,5 кГц (двухуровневый) и 1,75 кГц (трехуровневый) использование трехуровневого преобразователя выгоднее с точки зрения температурного режима. В целом, выбор оптимальной топологии преобразователя зависит от частоты переключения. Используя различные методы модуляции, такие как DPWM с меньшими потерями при переключении, точку перегиба на частоте 3,5 кГц можно сместить на более высокую частоту переключения.

Рисунок 9: Максимальная температура перехода в зависимости от частоты переключения для 3-уровневых и 2-уровневых преобразователей. Пунктирная линия представляет собой половину частоты переключения для 3-уровневой топологии.

Преимущества проектирования преобразователя

Модуль IGBT 2,0 кВ в корпусе LV100 позволяет использовать простой 2-уровневый преобразователь для преобразователей с постоянным напряжением до 1500 В. Избегая более сложной 3-уровневой топологии, можно упростить проектирование.

a) Коммутационная катушка

Коммутационные катушки в 3-уровневой топологии, как правило, больше, превышая 100 нГн [6], поскольку задействовано большее количество последовательно соединенных устройств. Коммутация между несколькими модулями с более высокими индуктивностями, в частности, приводит к более высоким пиковым значениям напряжения выключения [6]. В двухуровневой топологии низкие значения коммутационной индуктивности легко достигаются с помощью корпуса LV100 [3] и проектирования сложных цепей с токовой шиной.

b) Драйвер затвора IGBT

Для управления трехуровневым преобразователем NPC требуется 4 отдельных канала управления затвором для каждой фазной ветви. Таким образом, для всего преобразователя требуется в общей сложности 12 управляющих сигналов и каналов управления затвором. Топология ANPC (Active Neutral Terminal Point) имеет 2 дополнительных активных IGBT-ключа на фазу в терминальной секции. В последнее время эта топология A-NPC стала популярной благодаря дополнительным коммутационным путям, которые позволяют снизить коммутационную индуктивность и общие внутренние потери в ключах [6]. Однако при этой топологии для управления одной фазной ветвью трехуровневого преобразователя A-NPC требуется 6 отдельных каналов управления затвором. В результате для всего трехфазного преобразователя требуется в общей сложности 18 каналов управления затвором. Это в три раза больше, чем требуемые шесть каналов управления затвором для классического двухуровневого преобразователя. Требуемая мощность драйвера затвора на канал для двухуровневого преобразователя выше из-за параллельного соединения модулей. Однако ожидается экономия за счет уменьшения количества необходимых изолированных источников питания, компонентов изоляции сигналов (таких как оптоволокно, сигнальные трансформаторы или оптоволокно) и компонентов, реализующих защитные функции (такие как защита от короткого замыкания, напряжения питания или активное ограничение). Кроме того, корпус LV100 специально разработан для параллельного соединения силовых модулей [9].

c) Конструкция шин и радиаторов

Для реализации трехуровневой топологии необходимо подключить три полумостовых модуля к однофазной ветви. Для соединения модулей требуются дополнительные шины. Кроме того, шина постоянного тока должна состоять из трех слоев вместо двух слоев в двухуровневой топологии. В результате конструкция шин и компоновка модулей в 3-уровневой топологии становятся более сложными, как показано на рисунке 10.В 2-уровневой топологии модули могут быть расположены в простой линейной конфигурации. При такой простой линейной конфигурации водяное охлаждение легко достигается с помощью простых охлаждающих каналов под модулями и микросхемами. Для системы воздушного охлаждения простая линейная конфигурация выгодна, поскольку обеспечивает равномерное охлаждение всех модулей. В трехуровневой конструкции размещение модулей на радиаторе должно учитывать наличие паразитной индуктивности, что не приводит к простой линейной компоновке, как показано на рисунке 10. Следовательно, конструкция системы охлаждения становится более сложной, и существует риск неравномерного охлаждения.

Рисунок 10: Пример расположения модулей и шин, включая плату драйвера
d) Масштабируемость мощности

Концепция корпуса модуля LV100 IGBT была разработана для параллельной работы. В этой оценке рассматривались три модуля, соединенных параллельно, что позволяет получить выходную мощность 1800 кВт. Это соответствует 600 кВт на модуль. Выбирая соответствующее количество модулей, выходную мощность можно легко регулировать с шагом 600 кВт в соответствии с текущими требованиями приложения. Таким образом, модуль IGBT 2,0 кВ в двухуровневом инверторе обеспечивает высокий уровень масштабируемости. В случае трехуровневого инвертора параллельное подключение считается сложной задачей, поскольку работа модулей параллельно приводит к более широким переключателям и большим расстояниям во внешних коммутационных петлях, что увеличивает коммутационную индуктивность. Шаг мощности при параллельном подключении составляет 1800 кВт, что в три раза больше, чем в двухуровневой системе (600 кВт). Поэтому экономически целесообразно масштабировать выходную мощность до промежуточных значений невозможно.

Краткое описание

Новый модуль CM1200DW-40T 1200 A / 2,0 кВ LV100, как было показано, позволяет увеличить плотность мощности на 24% в системах возобновляемых источников энергии с напряжением 1500 В постоянного тока по сравнению с трехуровневым (A)-NPC инвертором.