Параллельная работа: влияние параметров силового модуля

Параллельная работа: влияние параметров силового модуля

Задача параллельного соединения модулей IGBT заключается в понимании необходимого снижения номинальной мощности преобразователей с учетом различных параметров модуля. Это понимание важно для правильной параллельной работы модулей в пределах тепловых и безопасных рабочих ограничений. В данной статье описывается методология анализа влияния параметров модуля на распределение тока и дисбаланс энергии переключения при параллельной работе силовых модулей.

Авторы: Н. Солтау, Э. Виснер, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ратинген, Германия; Ю. Андо, ​​Дж. Сакаи, К. Хатори, Корпорация Mitsubishi Electric, Фукуока, Япония

Введение

Дисбаланс тока во время работы модуля может быть вызван как характеристиками параллельно соединенных силовых модулей, такими как различное прямое напряжение, так и конструкцией самого преобразователя мощности. Интерфейсы силовых модулей, такие как соединение источника питания постоянного/переменного тока, конструкция драйвера затвора и интерфейс драйвера затвора с силовым модулем, влияют на статический и динамический дисбаланс тока в параллельно соединенных модулях. Обзор различных факторов, влияющих на производительность параллельно соединенных силовых модулей, представлен на рисунке 1.

В следующих разделах основное внимание уделяется анализу характеристик IGBT и диодов в отношении дисбаланса тока в параллельно соединенных силовых модулях. В анализе были учтены равномерные условия охлаждения.

Рисунок 1: Факторы, влияющие на производительность параллельных силовых модулей

Установка для оценки и тестовый образец

Каждый производитель подвижного состава имеет свою уникальную конструкцию преобразователя, поэтому производителям полупроводников было бы сложно провести репрезентативный анализ силовых модулей без стандартизированной установки для тестирования. Эта трудность была решена в проекте «Shift2Rail» в рамках программы «Горизонт 2020» [2]. Участники проекта договорились определить стандартизированный интерфейс между поставщиком полупроводников и производителем силовых преобразователей для обсуждения снижения номинальной мощности силовых модулей. Эталонная схема показана на рисунке 2. Одна из целей этой эталонной схемы — минимизировать влияние внешних компонентов на дисбаланс тока параллельно соединенных силовых модулей.

Рисунок 2: Эталонная схема тестирования для оценки параллельного соединения

На стороне постоянного тока каждый силовой модуль имеет отдельный конденсатор DClink; подключение переменного тока осуществляется через широкую шину с центральным подключением нагрузки под модулями. Для управления параллельно соединенными модулями используется только один центральный драйвер затвора в сочетании с низкоиндуктивной интерфейсной платой.

В следующих разделах будет выбрана эталонная схема тестирования для проверки параллельного соединения модулей в силе. Модуль CM450DA-66X в корпусе LV100 является типичным представителем силовых модулей серии X и был выбран в качестве тестового устройства для оценки и анализа. Модули серии X с кремниевой микросхемой и алюминиевой подложкой показаны в таблице 1. В этих силовых модулях используется современная микросхема серии X 7-го поколения с IGBT-транзистором CSTBT™(III) и RFC-диодом. И IGBT, и диоды имеют положительный температурный коэффициент для прямого напряжения в широком диапазоне токов. Эта особенность полезна для тепловой балансировки параллельно работающих модулей, если температура распределена неравномерно по радиатору. Встроенный в модуль терморезистор NTC позволяет контролировать температуру корпуса каждого отдельно подключенного параллельно модуля.

Таблица 1: X-Series LV/HV100 Line

Кроме того, в силовых модулях серии X используется новая инновационная алюминиевая опорная пластина со встроенной керамической изоляцией AlN, так называемая плата MCB (Metal Casting Direct Bonding). Новая конструкция опорной пластины имеет значительно меньшее тепловое сопротивление между контактом и корпусом по сравнению с традиционной конструкцией, что позволяет увеличить выходную мощность или снизить температуру перехода. Кроме того, силовые модули серии X от Mitsubishi Electric обладают характеристиками, подходящими для сложных железнодорожных применений, такими как высокий CTI материала корпуса, измерение частичного разряда, высокий контроль качества и прослеживаемость.

Корреляция параметров силового модуля и форм сигналов параллельного переключения

Для исследования влияния различных параметров силовых модулей IGBT на распределение тока были измерены параллельные соединения десяти различных пар силовых модулей. Затем был проведен линейный регрессионный анализ для корреляции характеристик формы сигнала переключения с параметрами силового модуля. Для получения дополнительной информации см. [3].

В качестве тестовых устройств использовались силовые модули CM450DA-66X с номинальным напряжением 3,3 кВ и током 450 А в корпусе LV100. Эти устройства демонстрируют естественное распределение электрических параметров. Прямое напряжение коллектор-эмиттер варьируется от 2,61 В до 2,81 В, пороговое напряжение затвор-эмиттер — от 6,56 В до 7,70 В, а прямое напряжение диода — от 2,20 В до 2,45 В. Были проанализированы характеристики переключения десяти пар транзисторов в режимах включения, выключения и обратного восстановления.

Анализ переключения в режиме выключения

На рисунке 3 показаны два примера результатов измерения в режиме выключения. Когда параметры IGBT-транзисторов схожи, достигается равномерное распределение тока. Однако, когда параметры силовых модулей различаются, ток нагрузки распределяется неравномерно между силовыми модулями.

Линейный регрессионный анализ десяти пар позволяет установить корреляцию между параметрами силовых IGBT-модулей и характеристиками переключения. Было обнаружено, что разница в установившемся токе ΔI_C коррелирует только с разницей в напряжении коллектор-эмиттер. Было установлено, что другие параметры силового модуля незначительны (коэффициент детерминации <95%). Линейный регрессионный анализ приводит к следующему соотношению для дисбаланса тока. Подробности можно найти в [3].

Анализ включения

На рисунке 4 показаны осциллограммы включения двух силовых модулей, соединенных параллельно. Если параметры силовых модулей схожи, ток будет равномерно распределен между обоими модулями. Однако, если параметры силовых модулей различны, следует ожидать неравномерного распределения тока между модулями.

Было установлено, что распределение тока коррелирует с разностью пороговых напряжений затвор-эмиттер ΔV_GE(th) и разностью прямых напряжений диодов ΔV_EC. Анализ линейной регрессии приводит к следующей зависимости для текущего дисбаланса. Подробную информацию можно найти в [3].

Рисунок 3: Примеры сигналов выключения (зеленый: V_GE 10 В/дел, синий: I_C1 150A/дел, желтый: I_C2 150A/дел, красный: V_CE 500V/дел, 2.0 мкс/дел)

Рисунок 4: Примеры сигналов включения (зеленый: V_GE 10V/дел, синий: I_C1 300A/дел, желтый: I_C2 300A/div, красный: V_CE 500V/div, 2.0 us/div)

Рисунок 5: Примеры сигналов обратного отпускания (синий: I_C1 300A/div, желтый: I_C2 300A/div, красный: V_CE 500V/div, 2.0 us/div)

Переключение с помощью диода

Примеры результатов переключения с помощью диода показаны на рисунке 5. Снова ток равномерно распределяется между двумя силовыми модулями. Если параметры силовых модулей различаются, становятся заметны различия в статическом токе и пиковом обратном токе отключения.

Линейный регрессионный анализ показывает, что равномерное распределение статического тока коррелирует только с разностью прямых напряжений диода ΔV_EC. Другие параметры силового модуля оказались незначительными. Для дисбаланса тока была обнаружена следующая зависимость. Подробную информацию можно найти в [3].

Расчеты снижения номинальной мощности для параллельного соединения до шестикратного соединения

На основе коэффициентов снижения номинальной мощности для токов и энергий, определенных в предыдущем разделе, можно определить требуемое снижение номинальной мощности при параллельном соединении более двух модулей. Для этого предполагается, что один из параллельно соединенных модулей имеет минимальную характеристику (приводящую к максимальной энергии или коммутационному току), в то время как все остальные модули имеют максимальные характеристики (приводящие к минимальной энергии или коммутационному току). Используя следующее уравнение, вы можете рассчитать индекс снижения тока коллектора для более чем двух параллельно соединенных модулей в качестве примера.

Рисунок 6: Индекс снижения тока коллектора в зависимости от разности прямых напряжений