Электробусы, вперед! – решения Infineon для систем накопления энергии электротранспорта

5 сентября 2018

автомобильная электроникауправление питаниемуправление двигателемответственные примененияInfineonстатьядискретные полупроводникисредства разработки и материалыIGBT

Требования, предъявляемые к современному электротранспорту, в частности – к трамваям и троллейбусам, постоянно растут. Особое внимание уделяется работе электротранспорта в автономном режиме при временном отключении от контактной сети питания. Кроме того, нельзя забывать о необходимости обеспече­ния малого уровня акустических шумов и выполнении требований ЭМС. В решении этих проблем большую роль играют IGBT-модули семейства PrimePACK™производства Infineon.

Перечисленные требования можно выполнить с помощью систем накопления энергии на основе литий-ионных аккумуляторов или суперконденсаторов. Для работы таких систем необходимы силовые преобразователи, которые будут обеспечивать как заряд, так и разряд батарей. Для этих целей используются импульсные DC/DC-преобразователи, способные работать при высоких рабочих температурах.

В некоторых случаях электротранспорт должен работать в автономном режиме без питания от контактной сети. Такой режим актуален в городских районах, где отсутствует соответствующая проводная инфраструктура, например, в исторических центрах. Автономная работа требуется и при переходе между отдельными ветками контактных линий, а также при аварийном отключении электроэнергии. Кроме того, городской транспорт должен обладать малым уровнем акустических шумов, высоким комфортом, минимальным уровнем наводимых помех. Таких показателей невозможно достичь при использовании старых дизель-электрических машин.

Выполнить все это можно за счет совместного использования электрического двигателя и системы накопления энергии.

При этом последняя строится на базе тяговых батарей или суперконденсаторов, которые обеспечивают питание электродвигателя при отсутствии связи с контактной сетью.

Рис. 1. Расположение электрооборудования в трамвае

Рис. 1. Расположение электрооборудования в трамвае

На рисунке 1 показан трамвай с электрооборудованием, установленным на крыше вагона.

DC/DC-преобразователь является частью силового электрооборудования. Он необходим для управления потоком энергии при заряде и разряде батарей.

Преобразователь отличается компактными размерами и, как правило, имеет активное воздушное охлаждение. Разработка электрооборудования подразумевает создание оптимального силового конвертера для работы с аккумуляторами и суперконденсаторами. При этом необходимо выполнение нескольких условий:

  • при питании от контактной сети (режим троллейбуса) преобразователь должен обеспечивать заряд аккумуляторов. Обычно входной диапазон напряжений составляет 400…1000 В DC;
  • при работе от накопительных батарей требуется обеспечить передачу мощности к инвертору, вспомогательным регуляторам и зарядному устройству аккумулятора;
  • в обоих режимах, даже при наличии относительно высоких температур и в условиях ограниченного воздушного охлаждения, преобразователь должен обеспечивать передачу в нагрузку импульсов мощности до 200 кВт длительностью до 60 с;
  • преобразователь должен иметь высокую эффективность, компактные размеры и небольшой вес.

Для выполнения первых двух условий чаще всего используют две топологии DC/DC-преобразователей.

Если в процессе эксплуатации входное напряжение сети может быть как выше, так и ниже рабочего напряжения системы хранения энергии, то используется двухквадрантный DC/DC-преобразователь. Его схема изображена на рисунке 2.

Рис. 2. Двухквадрантный DC/DC-преобразователь

Рис. 2. Двухквадрантный DC/DC-преобразователь

Если напряжение системы накопления энергии постоянно ниже напряжения сети, чаще всего применяется DC/DC-преобразователь, представленный на рисунке 3.

Рис. 3. Схема повышающе-понижающего DC/DC-преобразователя

Рис. 3. Схема повышающе-понижающего DC/DC-преобразователя

В режиме троллейбуса происходит заряд аккумуляторов, и DC/DC-преобразователь работает в качестве понижающего регулятора. При работе от батарей идет передача мощности в обратном направлении, а преобразователь работает как повышающий регулятор.

Чтобы выполнить условия 3 и 4, необходимо выбирать подходящие силовые компоненты. Чаще всего для этой цели используют IGBT-модули с рабочим диапазоном до 1700 В, способные обеспечивать значительную токовую нагрузку, малые статические и динамические потери, а также имеющие надежное корпусное исполнение с низким тепловым сопротивлением. Кроме того, очень часто требуется обеспечить компромиссное соотношение между стоимостью и эффективностью.

IGBT-модули семейства PrimePACK™, построенные на базе кристаллов IGBT/FWD 4-го поколения, являются подходящим решением для поставленных целей. Это семейство представляет собой полумостовые IGBT-сборки на напряжения 1200 и 1700 В с номинальными токами в диапазоне 600…1400 А. Модули снабжены встроенным NTC-термистором для контроля температуры и выпускаются в двух корпусных исполнениях (рисунок 4).

Рис. 4. PrimePACK™ 2 и PrimePACK™ 3 с нанесенным теплопроводящим материалом (термоинтерфейсом)

Рис. 4. PrimePACK™ 2 и PrimePACK™ 3 с нанесенным теплопроводящим материалом (термоинтерфейсом)

Модули PrimePACK™ предназначены для мощных приложений и позволяют создавать масштабируемые решения [1, 2].

Для обеспечения эффективной и безопасной работы IGBT-модуля необходимо использовать подходящий драйвер. На рисунке 5 представлены модули PrimePACK™ с установленными платами драйверов 2ED250E12_F и MA300E17.

Рис. 5. Двухканальный драйвер 2ED250E12_F и повышающий каскад MA300E17

Рис. 5. Двухканальный драйвер 2ED250E12_F и повышающий каскад MA300E17

Чтобы добиться максимальной выходной мощности и при этом не допустить перегрева, требуется точное измерение температуры модулей.

Ранее для контроля температуры часто использовался внешний датчик. Исходя из его показаний система управления устанавливала выходную мощность преобразователя. К сожалению, на практике реальная температура теплоотвода IGBT-модуля всегда оказывается выше показаний внешнего датчика, а следовательно – выше оказывается и температура кристаллов силовых транзисторов и диодов. По этой причине для гарантированного обеспечения безопасности предельная температура выбиралась с большим запасом, что приводило к снижению выходной мощности преобразователя.

Для повышения точности измерения температуры следует выбирать модули со встроенным NTC-термистором [3, 4]. Такое решение обеспечивает более реалистичное представление о тепловой нагрузке полупроводников. Если между температурой кристалла и показаниями терморезистора существует известная зависимость, то получение точных данных не составит труда [3, 4].

Доля электротранспорта со встроенной системой накопления энергии постоянно возрастает. При этом можно с уверенностью утверждать, что тенденция по увеличению выходной мощности DC/DC-преобразователей сохранится. Кроме того, к преобразователям будут предъявляться все более жесткие требования по массогабаритным показателям и ЭМС. Чтобы обеспечить эти требования, компания Infineon представила IGBT-модули 5-го поколения, использующие технологию XT.

Новые IGBT-модули отличаются повышенной эффективностью по сравнению с предшественниками. Благодаря уменьшению потерь мощности удалось поднять допустимую температуру кристалла до Tvjopmax = 175°C, то есть увеличить на 25°C. По оценкам производителя, это позволит повысить плотность мощности примерно на 30% [5]. Кроме того, благодаря сохранению корпусных исполнений имеется возможность замены старых модулей с минимальными затратами времени на перепроектирование.

Применение усовершенствованной технологии внутренних соединений позволяет увеличить срок службы новых модулей при работе со значительными перепадами мощности и температуры [6].

В скором времени для построения мощных преобразователей также будут применяться новые карбид-кремниевые полевые МОП-транзисторы, выполненные по Trench-технологии [7]. Эти силовые компоненты имеют ряд преимуществ перед кремниевыми IGBT. Они, в частности, отличаются малым уровнем динамических потерь. Это позволит добиться существенного улучшения характеристик DC/DC-преобразователей:

  • увеличения выходной мощности при работе с частотами коммутаций более 20…30 кГц и одновременного уменьшения массогабаритных показателей;
  • увеличения эффективности и снижения уровня потерь. Это, в свою очередь, обеспечит упрощение системы охлаждения и уменьшение ее габаритов. Кроме того, рост частоты коммутации также приведет к уменьшению габаритов пассивных элементов фильтров (конденсаторов и индуктивностей);
  • значительного снижения уровня акустических шумов;
  • снижения жесткости требований к охлаждению новых преобразователей с той же выходной мощностью, что приведет к уменьшению размера и веса радиаторов и вентиляторов. И наоборот, конвертер того же размера будет иметь гораздо более высокую выходную мощность.

Работа системы накопления энергии невозможна без специального DC/DC-преобразователя. Это в первую очередь касается электротранспорта. При создании DC/DC-преобразователей важно уделять внимание не только электрическим параметрам, плотности мощности и эффективности, но и возможности работы с циклическим потреблением, характеризующимся значительными перепадами выходной мощности. Кроме оптимального управления мощностью и охлаждением, современные силовые полупроводниковые модули должны обеспечивать минимальный уровень потерь, что позволит упростить задачу по рассеиванию выделяемого тепла в условиях ограниченного пространства. Материалы с широкой запрещенной зоной демонстрируют выдающиеся электрические характеристики и позволяют работать с более высокими частотами, что приводит к уменьшению массы и габаритных размеров. В то же время, несмотря на все инновации в области силовых полупроводниковых компонентов, правильная организация отвода тепла, точное измерение температуры и подходящие тепловые модели остаются важной частью процесса разработки мощных преобразователей.

Литература

  1. Martin Schulz, Power semiconductors for Heavy Mobile Applications ITEC 2016, Busan, Korea, June2016;
  2. Scott T. Allen, Martin Schulz, Wilhelm Pohl, Optimizing Thermal Interface Material for theSpecifc Needs of Power Electronics, PCIM, 2012, Nuremberg, Germany, May 2012;
  3. Martin Schulz, Ma Xin, Correlating NTC-Reading and Chip- Temperature in Power Electronic Modules, PCIM, 2015, Nuremberg, Germany, May 2015;
  4. Ziqin Zhen, Song Shen, Zhen Bo Zhao, Zeping Zhou, Xie Feng, Analysis of temperature correlation on IGBT modules, PCIM, China 2015 Shanghai, China, July 2015;
  5. Martin Schulz, Raghavan Nagarajan, Dirk Brieke, Zhen Bo Zhao, Application Benefts Achieved Utilizing IGBT5-Based Power Semi conductors, PCIM, China, 2015, Shanghai, China in June 2016;
  6. Karsten Guth et. al., New assembly and interconnects beyond sintering methods, PCIM, 2010, Nuremberg, Germany, May 2010;
  7. Maximilian Slawinski, Tim Villbusch, Daniel Heer, Marc Busch kühle, Demonstration of superior SiC MOSFET Module performance within a Buck-Boost Conversion System, PCIM, 2016, Nuremberg, Germany, May 2016.
•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
2ED250E12FEVALNOSA1 (INFIN)
MA300E17 (INFIN)
MA300E17 ENG (INFIN)
DF1000R17IE4 (INFIN)
DF1000R17IE4PBPSA1 (INFIN)
FD1000R17IE4D_B2 (INFIN)
FD1000R17IE4 (INFIN)
FF500R17KE4BOSA1 (INFIN)
FF650R17IE4DB2BOSA1 (INFIN)