№2 / 2018 / статья 5

Применение силовых модулей Infineon в каскадных преобразователях для электроприводов среднего напряжения

Дэвид Леветт, Тим Фрэнк (Infineon) и коллектив авторов

Наиболее популярна для применения в электроприводах среднего напряжения каскадная схема преобразования. Для каскадных многоуровневых преобразователей компания Infineon предлагает расширенную номенклатуру модулей IGBT в стандартных промышленных корпусах.

Основным типом силовых устройств, предназначенных для питания низковольтных (до 690 В) электродвигателей переменного тока, является двухуровневый преобразователь напряжения на модулях IGBT. Однако для более высокого диапазона напряжений (2400 В и выше) существует несколько различных топологий преобразователей, каждая из которых обладает своим уникальным набором технико-экономических показателей. Среди всех топологий преобразователей в последние годы заметно возросла популярность каскадных многоуровневых преобразователей (Cascade H Bridge, CHB). Рассмотрим основные принципы работы преобразователей топологии CHB, а также – новые типы силовых полупроводниковых (п/п) модулей, которые могут применяться в преобразователях этого типа для питания электроприводов среднего напряжения.

Преобразователи для электроприводов среднего напряжения (Medium Voltage Drive, MVD) представлены на рынке несколькими различными топологиями:

  • трехуровневый инвертор с фиксацией нейтрали на основе высоковольтных силовых модулей;
  • инвертор тока с однонаправленными полупроводниковыми ключами;
  • пятиуровневый инвертор Т-образного типа;
  • модульный многоуровневый преобразователь (M2L).

Исторически топология CHB была разработана в начале 1970-х годов, однако первый коммерческий продукт был представлен компанией Robicon, США (в настоящее время принадлежит Siemens) только в начале 1980-х годов. В последние годы несколько компаний освоили выпуск преобразователей, выполненных по топологии CHB. Структурная схема формирователя одной фазы на основе пятиуровневого преобразователя показана на рисунке 1, а подробная схема отдельной силовой ячейки – на рисунке 2.

Рис. 1. Структурная схема формирователя одной фазы переменного напряжения на основе каскадного многоуровневого преобразователя с пятью ячейками

Рис. 1. Структурная схема формирователя одной фазы переменного напряжения на основе каскадного многоуровневого преобразователя с пятью ячейками

Структура и принцип работы каскадного преобразователя

Одним из основных компонентов каскадного преобразователя является многофазный разделительный трансформатор, состоящий, как показано на рисунке 1, из одной первичной обмотки, подключенной к низковольтному источнику напряжения, и пяти изолированных вторичных обмоток на 750 В каждая. Каждая вторичная обмотка трансформатора подключена к отдельной ячейке, а все пять ячеек соединены последовательно, образуя формирователь одной фазы. Три формирователя образуют трехфазный преобразователь, содержащий суммарно 15 изолированных вторичных обмоток (рисунок 4).

Рис. 2. Структурная схема типовой ячейки каскадного многоуровневого преобразователя

Рис. 2. Структурная схема типовой ячейки каскадного многоуровневого преобразователя

Типовая ячейка (рисунок 2) включает в себя:

  • Входной трехфазный неуправляемый выпрямитель с цепью плавной зарядки батареи конденсаторов при начальном включении питания. Цепь плавной зарядки может быть подключена к отдельной обмотке сетевого трансформатора, что позволяет включать питание схемы управления привода без подачи силового трехфазного напряжения на первичную обмотку трансформатора.
  • Батарею конденсаторов, предназначенная для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения и формирования постоянного напряжения шины питания.
  • Мостовой импульсный преобразователь на основе четырех IGBT и четырех антипараллельных диодов. Управляя последовательностью переключения транзисторов, на выходных клеммах ячейки можно получить положительное, нулевое или отрицательное напряжение. Выходное напряжение формирователя фазы равно сумме выходных напряжений всех пяти ячеек.
  • Импульсный понижающий преобразователь напряжения, подключенный к шине питания постоянного тока и формирующий на выходе низковольтные напряжения питания драйверов затворов и схемы управления.
  • Оптоволоконный интерфейс, осуществляющий двусторонний обмен сигналами управления и данными с центральным контроллером. Благодаря опторазвязке каждая ячейка имеет «плавающий» относительно потенциала земли потенциал.
  • Теплоотвод силовых модулей IGBT. Ввиду того, что силовые модули и другие компоненты не обеспечивают требуемого уровня изоляции, теплоотвод не соединяется с земляной шиной, а подключается либо к искусственной средней точке шины питания, либо к минусовой шине питания. Электрическое соединение теплоотвода осуществляется, как правило, через низкоомный резистор, демпфирующий высокочастотные колебательные процессы. Для жидкостного охлаждения теплоотвода необходимо использовать деионизированную воду, что предотвращает появление токов утечки, а также эффектов электрокоррозии и осаждения. Альтернативный способ охлаждения основан на использовании фазового перехода [5].

На рисунке 3а изображен преобразователь MV3000 1500hp производства компании WEG для электропривода переменного тока на 4160 В. Слева на снимке видны распределительное устройство и трансформатор, в центре – 18 силовых ячеек, которые более подробно можно рассмотреть на рисунке 3б. На нем ячейка преобразователя с воздушным охлаждением, включающая в себя выпрямительный модуль, расположенный в центре, и два силовых модуля в корпусе 62 мм слева и справа.

Рис. 3. Преобразователь MV3000 1500hp от WEG для электропривода переменного тока на 4160 В (а) и ячейка преобразователя с воздушным охлаждением (б)

Рис. 3. Преобразователь MV3000 1500hp от WEG для электропривода переменного тока на 4160 В (а) и ячейка преобразователя с воздушным охлаждением (б)

Преимущества каскадной схемы:

    • Как видно из рисунка 2, схема силовой ячейки имеет сходство с типовой схемой преобразователей для электроприводов переменного тока, за исключением того, что в ней используется только две полумостовые схемы. Каскадная схема позволяет использовать в ячейках широко распространенную элементную базу, примняемую в низковольтных преобразователях напряжения.
    • Модульная структура обеспечивает гибкость построения системы, что позволяет, например, повысить выходное напряжение подключением дополнительных ячеек и обмоток трансформатора.
    • Каскадная структура обладает избыточностью, позволяющей включить обходной путь (шунтирование) неработающих ячеек (рисунок 4). Если одна из ячеек неработоспособна — ее можно зашунтировать, используя коммутационный элемент (рисунок 2) механического типа или полупроводниковый ключ на основе тиристорного модуля с прижимными контактами. При наличии достаточного запаса по рабочему напряжению преобразователь может быть включен по несимметричной схеме с одной зашунтированной ячейкой либо может переключиться на симметричную схему путем шунтирования ячеек в двух других формирователях фаз.
    • Низкий уровень гармоник входного тока, достигнутый путем намотки вторичных обмоток трансформатора со сдвигом фазы, например, зигзагообразным способом.
    • Низкий уровень гармоник тока в обмотках двигателя и меньшая скорость изменения напряжения на обмотках двигателя dv/dt. Данный эффект достигнут благодаря тому что мостовая схема каждой ячейки работает с относительно малой частотой переключения (обычно в диапазоне 0,5…1 кГц), при этом коммутация нескольких включенных последовательно ячеек увеличивает эффективную частоту переключения на обмотках двигателя.
    • Простота техобслуживания. Переноска и замена силовых ячеек может осуществляться силами двух человек (рисунок 3б). Кроме того, идентичность силовых ячеек позволяет уменьшить номенклатуру запасных частей преобразователя.
Рис. 4. Трехфазная система питания электропривода с одной шунтированной ячейкой и несимметричной схемой включения

Рис. 4. Трехфазная система питания электропривода с одной шунтированной ячейкой и несимметричной схемой включения

Недостатки каскадной схемы:

      • силовой трансформатор имеет большие габариты и сложную конструкцию (рисунок 3а);
      • силовые ячейки должны быть изолированы друг от друга и от земляной шины. Наличие зазоров безопасности, установленных стандартами на электрооборудование, увеличивает габаритные размеры и сложность механической конструкции силовых ячеек;
      • большая величина емкости сглаживающих конденсаторов вследствие питания мостовой схемы каждой ячейки от выпрямленного однофазного напряжения;
      • сложная система жидкостного охлаждения.

Структура импульсов управления

Коммутация мостовой схемы позволяет сформировать три разных выходных напряжения — положительное при замкнутых ключах S1 и S4, отрицательное при замкнутых ключах S2 и S3 и нулевое при замкнутых ключах либо S1 и S2, либо S3 и S4 (рисунок 2).

Наиболее простой способ формирования выходного синусоидального напряжения заключается в последовательной активации ячеек, начиная с ячейки E, далее – ячейки D, и заканчивая ячейкой A. На каждом уровне выходное напряжение поднимается примерно на 1000 В, а посредством ШИМ-модуляции формируется выходной сигнал синусоидальной формы. Недостатком данного способа, называемого модуляцией со сдвигом уровня, являются разные потери в силовых п/п приборах, относящихся к разным ячейкам, а также неодинаковые токи вторичных обмоток трансформатора, что увеличивает уровень гармонических составляющих входных токов.

Другой способ, получивший название угловой модуляции или модуляции со сдвигом фазы (рисунок 5) позволяет получить одинаковые потери во всех ячейках. Импульсы управления ключами формируются с использованием общего для всех ячеек синусоидального сигнала, но со сдвигом фазы двух опорных сигналов на угол 180°, разделенный на число ячеек, что в данном случае для пяти ячеек составляет 36°. Данный способ управления позволяет реализовать чередование сигналов управления и исключить одновременную коммутацию двух ячеек, а также предоставляет два варианта последовательностей импульсов управления для формирования нулевого напряжения на выходе ячейки. На рисунке 5 показан сдвиг фазы между опорными сигналами ячеек A и D 3×36 = 108°.

Рис. 5. Диаграммы импульсов управления со сдвигом фазы для положительной полуволны синусоидального напряжения

Рис. 5. Диаграммы импульсов управления со сдвигом фазы для положительной полуволны синусоидального напряжения

Как и в обычных топологиях инверторов, в каскадных преобразователях могут применяться различные последовательности импульсов управления в зависимости от вариантов их применения, например, для построения преобразователей с векторной ШИМ-модуляцией.

Расчет потерь

Точный расчет потерь в п/п приборах зависит от используемого способа управления, однако приблизительную оценку потерь в преобразователе с питанием от одной фазы выпрямленного напряжения можно получить с помощью прикладной программы Iposim компании Infineon. Эмпирическое правило состоит в том, что при частоте выходного сигнала 60 Гц, частоте переключения 1 кГц и воздушном охлаждении теплоотвода действующее значение тока модулей IGBT не должно превышать 0,6…0,7 постоянного рабочего тока модуля. Таким образом, 300-амперный модуль можно использовать при действующем значении переменного тока до 180…210 А.

Номенклатура силовых п/п приборов Infineon

Для трехфазных выпрямителей компания Infineon выпускает сдвоенные диодные модули с внешними размерами 20, 34 и 50 мм (рисунок 6), используя при этом технологии изготовления как с паяными, так и с прижимными контактами.

Рис. 6. Выпрямительные модули Infineon с внешними размерами 20, 34 и 50 мм

Рис. 6. Выпрямительные модули Infineon с внешними размерами 20, 34 и 50 мм

Применение в мостовой схеме модулей IGBT с рабочим напряжением 1700 В позволяет работать при более высоком напряжении шины питания постоянного тока (примерно до 1200 В) и, соответственно, уменьшить количество последовательных ячеек. В то же время п/п приборы на 1700 В и дополнительные компоненты (выпрямители и конденсаторы шины питания) относятся к широко доступным позициям благодаря их массовому применению в электроприводах переменного тока на 690 В. Для каскадных многоуровневых преобразователей компания Infineon предлагает расширенную номенклатуру модулей IGBT в стандартных промышленных корпусах (рисунок 7):

Рис. 7. Номенклатура силовых полупроводниковых модулей Infineon для построения каскадных многоуровневых преобразователей

Рис. 7. Номенклатура силовых полупроводниковых модулей Infineon для построения каскадных многоуровневых преобразователей

Мостовые модули позволяют получить более компактную конструкцию преобразователя и выпускаются также в варианте с установкой на печатную плату по технологии запрессовываемых контактов (press fit).

Заключение

Топология каскадного многоуровневого преобразователя (CHB) предоставляет разработчикам силовой электроники возможность быстрого выхода на рынок преобразователей для электроприводов среднего напряжения (MVD). Заметный рост популярности топологии CHB на рынке электроприводов среднего напряжения обусловлен рядом преимуществ данной топологии, к которым относится, в частности, возможность использования широко распространенной элементной базы низковольтных преобразователей напряжения.

Литература

    1. Nabae, A. и др., «A new neutral-point-clamped PWM inverter», IEEE IAS Annual Meeting, 1981;
    2. Zargari, N. и др., «A New Current-Source Converter Using a Symmetric Gate-Commutated Thyristor (SGCT)», IEEE IAS, May/June 2001;
    3. Basler, M. и др., «A new medium voltage drive system based on ANPC-5L topology», IEEE-ICIT Chile, 2010;
    4. Lesnicar, A., R. Marquardt, R.: «A new modular voltage source inverter topology», EPE, 2003;
    5. Saums, D. DS&A, «Vaporizable dielectric fluid cooling for IGBT power semiconductors», IMAPS, 2009.

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