№9 / 2018 / статья 3

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

Мартин Шульц (Infineon Technologies)

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