книги / Труды IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016 , Пермь, 3-7 октября 2016 г

плавного пуска как асинхронных, так и синхронных электродвигателей. К наиболее крупным производителям устройств плавного пуска относятся отечественные: ОАО «ВНИИР», ООО «ЧЭАЗ-ЭЛПРИ» (г. Чебоксары), ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск); а также зарубежные: АББ, «Солкон», «Тошиба», ХЭМЗ и др. [6].

Изучение технических характеристик электротехнического оборудования для реализации систем плавного пуска различных фирм показал, что они в основном аналогичны и соответствуют современному уровню схемотехники подобного класса устройств. В качестве полупроводниковой элементной базы, как правило, применяются силовые тиристоры высокого класса напряжения (6000–7000 В и выше). Тиристоры соединяются в последовательные группы для достижения требуемого рабочего напряжения. Для оперативных переключений используется вакуумная коммутационная аппаратура. Система управления построена на базе однокристальных микропроцессоров и программируемых логических интегральных схем. Для потенциальной развязки цифровых сигналов между высоковольтным преобразователем и системой управления применяются оптоволоконные линии связи. В качестве измерителей напряжения и тока в наиболее современных устройствах используются бестрансформаторные цифровые датчики с развязкой логическими сигналами и т.п. [5].

Обзор литературы и энергетическое обследование ряда предприятий позволил обосновать перечень параметров приводных высоковольтных двигателей для номинальных линейных напряжений 3, 6 и 10 кВ. Обоснована и разработана шкала типоразмеров серийно изготавливаемых ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы» групповых преобразователей типа ПАД-В-Г и ПСД-В-Г (табл. 1) и комплектных преобразователей типа ПАД-В-К и ПСД-В-К (табл. 2).

Преобразователи для плавного пуска электроприводов переменного тока, разрабатываемых и производимых ЗАО «АСК», структурно и по техническим характеристикам соответствуют аналогичным отечественным и зарубежным [3]. При этом есть и некоторые отличительные особенности. Используется силовая полупроводниковая, защитная и коммутационная эле-

Таблица 1

Технические характеристики групповых преобразователей типа ПАД-В-Г и ПСД-В-Г

Номинальныепараметрыэлектродвигателей

Напряжение, кВ	Мощность, МВт	Ток, А
3	0,315; 0,63; 0,8	80; 160; 250
6	1; 2; 3,15; 5; 6,3; 10	125; 250; 400; 630; 800; 1250
10	1,6; 3,15; 5; 8; 12,5	125; 250; 400; 630; 800

Таблица 2

Технические характеристики комплектных преобразователей типа ПАД-В-К и ПСД-В-К

Номинальныепараметрыэлектродвигателей

	Напряжение, кВ	Мощность, МВт	Ток, А
	3	0,315; 0,4; 0,5; 0,63; 0,8	63; 80; 100; 150; 200
	6	0,315; 0,4; 0,5; 0,63; 0,8;	40; 50; 63; 80; 100;
		1,0; 1,4; 1,8; 2,2	125; 160; 200; 250

ментная база преимущественно российских предприятий. Широко применяются материалы и комплектующие предприятий Уральского региона. Оригинальный алгоритм формирования автоматизированного плавного пуска обеспечивает простоту наладки, настройку на механизмы с различными механическими характеристиками и моментами инерции. Стоимость на 10–15 % ниже аналогичных отечественных устройств и на 40–50 % – зарубежных. Гарантийный срок эксплуатации 5 лет. Имеется сертификат соответствия и разрешение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на применение на нефтепроводах, газопроводах и в горнодобывающей промышленности. Это достигнуто благодаря гармоничному сочетанию науки, разработки и производства, высокому уровню организации и стратегическому направлению ЗАО «АСК» на развитие отечественной техники и технологий.

III. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Тиристорный преобразователь напряжения управляет основным потоком электрической энергии, которая поступает от источника питания силовых цепей к электродвигателю через мощные тиристорные ключи. Вентильные каскады преобразователя содержат высоковольтные тиристоры, необходимые защитные

иделительные элементы. Система датчиков, диагностики и управления преобразователем реализована на современной широкодоступной микроэлектронной базе с применением микроконтроллеров, программируемых логических интегральных схем и оптоволоконной техники.

Помимо обеспечения плавного пуска, преобразователи обладают рядом дополнительных возможностей: автоматическое управление внешней коммутационной аппаратурой; измерение напряжения, тока, мощности

иэнергии электродвигателя. Кроме того, они обеспечивают автоматическое форсирование напряжения (тока) при несостоявшемся запуске ЭП; имеет защитную блокировку от подачи высокого напряжения на ТПН при ошибочных действиях обслуживающего персонала. Предусмотрен обширный набор параметров, которые дают возможность конфигурирования для широких областей применения; имеет изолированные дискретные и аналоговые входы и выходы; выдает подробную информацию о состоянии электропривода на сенсорный графический дисплей; имеет встроенный модуль цифровой передачи данных по шине MODBUS; имеет

энергонезависимые часы реального времени и календарь для протоколирования ошибочных ситуаций.

Преобразователь оснащен комплексом защиты системы от повышенного или пониженного напряжения сети; несимметрии напряжений и токов статора двигателя; неполнофазного режима работы; сверхтоков; дугового разряда в высоковольтном отсеке; замыкания на землю; коммутационных перенапряжений на тиристорах; дисбаланса вентильного каскада; перегрева и ухудшения вентиляции силового тиристорного модуля. Структура системы автоматического управления преобразователя

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 311 -

может быть настроена для различных режимов пуска двигателей. Благодаря наличию универсального программируемого задатчика [2, 4] может быть реализован любой алгоритм формирования управляющего воздействия: с обратной связью по току или напряжению; в разомкнутой системе по времени.

В преобразователь интегрирована автоматизированная система технического учета электроэнергии и состояния электропривода. Необходимые данные каждые 20 мс записываются на съемный электронный носитель – SD-карту. Памяти карты хватает примерно на один год непрерывной записи. Потом старые данные циклически удаляются. В любое время информация с SD-карты может быть загружена на компьютер и проанализирована с высокой детализацией по времени и амплитуде.

На рис. 1 показан внешний вид серийного комплектного преобразователя типа ПАД-В-К-200-6к. В качестве примера на рис. 2 приведена типовая схема электроснабжения высоковольтных синхронных электроприводов центробежных механизмов с системой группового плавного пуска на базе тиристорного преобразователя напряжения типа ПСД-В-Г [5, 6]. Для автоматизированного управления высоковольтными ячейками и тиристорными возбудителями применяются специализированные блоки согласования БСЯ и БСВ. Связь с ними осуществляется по оптоволоконной линии связи.

Рис. 1. Комплектный преобразователь для плавного пуска асинхронного двигателя типа ПАД-В-Г-200-6к

Рис. 2. Схема автоматизированного плавного пуска группы высоковольтных синхронных электроприводов турбомеханизмов

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 312 -

	IV. ВНЕДРЕНИЕ	напряжения на секциях шин в пределах допустимого
	В настоящее время на предприятиях России и за рубе-	ГОСТ 10%-ного уровня [7]. Однако в другой группе
	жом ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы»	механизмов с большим моментом инерции, напри-
	реализовано несколько десятков проектов системы груп-	мер, к которым относятся турбокомпрессоры, вентиля-
	пового и индивидуального плавного пуска синхронных и	торы, дымососы, главным критерием является снижение
	асинхронных ЭП с использованием ТПН на напряжение	динамического момента при старте с целью повышения
	сети 3, 6 и 10 кВ и мощностью двигателя от 0,25 до 4 МВт	эксплуатационного ресурса именно механизма.
	[6]. В табл. 3 приведены основные заказчики систем плав-	За последние годы специалистами ЗАО «АСК» на-
		коплен значительный опыт в разработке, производстве,
	ного пуска. Из всего десятилетнего опыта внедрения
	можно сделать вывод, что большое количество устройств	внедрении и наладке высоковольтных систем плавного
	плавного пуска устанавливается в системы энергоснабже-	пуска на базе тиристорного преобразователя напряже-
	ния недостаточной для прямого пуска мощностью. Это	ния. Системы в полной мере соответствуют предъяв-
	касается вновь вводимых в устаревшую систему энерго-	ляемым требованиям, положительно зарекомендовали
	снабжения объектов. При этом главным критерием яв-	себя в эксплуатации и являются надежными и конку-
	ляется снижение пусковых токов и удержание посадки	рентоспособными изделиями в данном сегменте рынка.

		Таблица 3			Библиографический список
					Шубенко В.А., Браславский И.Я. Тиристорный асинхронный
	География внедрения систем плавного пуска			1.
					электропривод с фазовым управлением. М.: Энергия, 1972. 232 с.
	ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы»
				2. Ткачук А.А., Силуков А.Ю., Кривовяз В.К. Опыт применения
					преобразователя типа ПАД-В для плавного пуска высоковольт-
	Объекты	Заказчики
	внедрения	устройствплавногопуска			ных двигателей // Проблемы и достижения в промышленной
					энергетике: сб. докл. науч.-практ. конф. Екатеринбург: Уральские
	Турбокомпрессоры	УГМК, Высокогорскийгорно-обогатительный
					выставки, 2006. С. 122–125.
	1600–3200 кВт	комбинат, «Сухоложскцемент»,		3.	Ткачук А.А., Копырин В.С. Групповой плавный пуск высоковольт-
		Таджикскийалюминиевыйзавод
					ных синхронных электроприводов компрессорных станций // Элек-
	Погружныенасосы	Уральскаягорно-металлургическаякомпания
					тротехнический рынок. 2007. № 12. С. 22–24.
	250 кВт			4.	Плавный пуск группы высоковольтных асинхронных электро-
		Северскийтрубныйзавод,
	Дымососы				приводов центробежных механизмов / А.А. Ткачук, В.К. Криво-
		Чусовскойметаллургическийкомбинат,
					вяз, В.С. Копырин, А.Ю. Силуков // Силовая электроника. 2008.
	800–1700 кВт	Серовскийметаллургическийкомбинат,
					№ 2. С. 16–19.
		«Буммаш»
				5.	Ткачук А.А., Кривовяз В.К. Серия высоковольтных преобразова-
		Транснефть,
					телей для плавного пуска мощных электроприводов // Известия
		Магнитогорскийметаллургическийкомбинат,
	Центробежные				ТулГУ. Техн. науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010.
		«Саутс-Ойл» (Казахстан),
	насосы			6.	Ч. 2. С. 36–39.
	630–3500 кВт	ОМК–Сталь,			Высоковольтные тиристорные преобразователи в системах плавного
		ЭкибастузскаяГРЭС,			пускаэлектроприводов / А.А. Ткачук, А.Ю. Силуков, А.А. Шелгачев,
		«Полюс-Золото»			В.В. Епифанов // Сб. науч. тр. 7-й Междунар. (19-й Всерос.) конф. по
	Плунжерныенасосы	«ВСМПО-АВИСМА»			автоматизир. электроприводу АЭП–2014. Саранск: Изд-во Мордов.
	800 кВт				ун-та, 2014. С. 467–472.
	Аглоэксгаустеры	Новолипецкийметаллургическийкомбинат		7.	Ткачук А.А. Электромагнитная совместимость тиристорных преоб-
	4000 кВт				разователей напряжения в системах плавного пуска высоковольт-
	Синхронные				ных электроприводов // Электроприводы переменного тока: сб.
	компенсаторы	Сибирскаясервиснаякомпания			науч. тр. 16-й Междунар. НТК. Екатеринбург: Изд-во Урал. федер.
	500–1000 кВт				ун-та им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2015. С. 63–66.

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 313 -

УДК 621.313

Преобразователь частоты морского исполнения с «мягкой» коммутацией транзисторов

Д.А. Токмаков, А.В. Шепелин, А.В. Шепелин, А.Л. Иванов, Е.А. Терентьев, И.В. Викторов

ЗАО «Чебоксарский электроаппаратный завод», Чебоксары, Российская Федерация

Frequency converter with transistors soft switching for marine applications

D.А. Tokmakov, A.V. Shepelin, A.V. Shepelin, A.L. Ivanov, E.А. Terentyev, I.V. Viktorov

JSC “Cheboksary Electric Apparatus Plant”,

Cheboksary, Russian Federation

Рассматривается схема преобразователя частоты (ПЧ) со сниженными динамическими потерями путем «мягкого» включения и отключения транзисторов силовой части. Обосновывается целесообразность применения такой схемы для увеличения надежности инверторов, повышения КПД ПЧ, решения проблемы «длинного кабеля» без применения пассивных фильтров на выходе ПЧ.

The article concerns the scheme of frequency converter (FC) with lower dynamic losses by soft switching on and off of power transistors. It proves the usefulness of this scheme for increasing of the inverters reliability, higher efficiency of FC, solve of problem of “long cable” without using of passive filters on FC output.

Ключевые слова: преобразователь частоты, сниженние динамических потерь, «мягкая» коммутация.

Keywords: frequency converter, decreasing of switching losses, soft switching.

Применение ПЧ для регулирования скорости асинхронных электродвигателей (ЭД), например насосных агрегатов, в настоящее время считается обычной практикой и приобрело широкий размах. Это единственный способ изменения производительности насосов, обеспечивающий оптимальные режимы их работы во всем диапазоне регулирования. Вместе с тем использование современных низковольтных ПЧ на базе транзисторных инверторов напряжения создает ряд ограничений использования ЭД. Прямоугольная форма напряжения на выходе ПЧ с крутыми фронтами и перенапряжениями обусловливает ряд особенностей в работе ЭД, которых нет при работе от сети. Это появление дополнительных гармоник тока, влияющих на нагрев обмоток и момент ЭД, появление емкостных токов, протекающих через подшипники, появление перенапряжений на обмотках ЭД при большой длине кабеля ЭД [1]. Таким образом,

для работы с ПЧ требуются специальные ЭД, конструкция которых учитывает влияние перенапряжений и прямоугольной формы питающего напряжения. При использовании стандартных ЭД, предназначенных для работы от сети, принимаются меры, обеспечивающие их работоспособность при длительной работе. Как правило, для маломощных ЭД рекомендуют эксплуатацию при нагрузке меньше номинальной, а для более мощных низковольтных ЭД (мощностью 160 кВт и выше), особенно на напряжение 690 В, – применение dU/dt- и синусных фильтров. На практике применение дополнительных пассивных устройств сглаживания напряжения приводит к увеличению габаритов и массы оборудования, снижению КПД. Дополнительное падение напряжения на фильтрах может привести к невосполнимому снижению напряжения на входе ЭД и следующему за этим перерасчету работы всей схемы электроснабжения электропривода или режимов работы насосного агрегата.

Для решения проблемы корректной работы стандартного ЭД с питанием от ПЧ без использования дополнительных фильтров специалистами ЗАО «ЧЭАЗ» было предложено использовать схему инвертора напряжения с «мягкой» коммутацией транзисторных ключей [3]. Данная схема, помимо снижения потерь при коммутации транзисторов, позволяет устранить перенапряжения и снизить крутизну фронта ШИМ-прямоугольников напряжения на выходе ПЧ. Это создает возможность избежать применения dU/dt-фильтров на выходе ПЧ. Такое решение было применено при разработке ПЧ морского исполнения, где применение дополнительных фильтров ограничено габаритными размерами оборудования, а также возможностями охлаждения.

Для решения вышеуказанных задач специально был разработан ПЧ ЭПВ-Ш48-7 ОМ4 для управления ЭД мощностью до 320 кВт с номинальным током до 630 А

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 314 -

Рис. 1. Внешний вид шкафа ПЧ ЭПВ-Ш48-7 ОМ4

(рис. 1). ПЧ выполнен в исполнении для эксплуатации в условиях умеренного холодного морского климата и имеет открытую проточную систему водяного охлаждения. ПЧ выполнен по схеме с «мягкой» коммутацией транзисторов и в соответствии с техническим заданием обеспечивает форму выходного напряжения с фронтами не менее 2 мкс. В результате перенапряжения на обмотках ЭД при длине кабеля до 100 м незначительны. Следует заметить, что при необходимости увеличения длины кабеля возможно увеличение длительности фронта напряжения без изменения принципов построения ПЧ. В этом случае только потребуется применение более мощных элементов, обеспечивающих процесс коммутации силовых транзисторов.

Структурная схема силового ключа с «мягкой» коммутацией представлена на рис. 2. Параллельно каждому силовому транзистору K1 инвертора (И), к которому подключены параллельно по переменному току другие транзисторы и диоды, подсоединен вход «дополнительного устройства» (ДУ). ДУ содержит параллельно своему входу конденсатор C1 и генератор импульсов тока (ГИТ), состоящий из последовательно соединенных индуктивного элемента L1, ключа с нулевой обратной проводимостью K2 и энергетического буфера (ЭБ), а также содержит устройство отвода энергии (УОЭ) от ГИТ обратно в ПЧ (рекуперация).

Работа осуществляется следующим образом (см. рис. 2, 3). По приходе в момент времени t1 сигнала управления о необходимости обнуления напряжения на ключе K1 включают ключ K2, включение которого происходит при нуле тока, т.е. с низкими потерями вследствие наличия последовательно включенного индуктивного элемента L1. По мере роста тока по цепи ГИТ происходит снижение напряжения на ключе K1, что

приводит к смене знака напряжения на индуктивном элементе L1 в момент максимума тока через него, а также к обнулению напряжения на ключе K1 в момент t2 –

вэтот момент ключ K1 включают с низкими потерями. После смены знака напряжения на индуктивном эле-

менте L1 ток через него, а значит, и через ключ K2, начинает уменьшаться и становится равным нулю в мо-

мент t3. Далее, вследствие нулевой обратной проводимости ключа K2, обратный ток в индуктивном элементе L1 не возникает (с точностью до неидеальных свойств ключа K2). В момент t3 ключ K2 выключают с низкими потерями.

При протекании вышеописанного процесса происходит передача определенной энергии в ЭБ. Вывод этой энергии обратно в ПЧ осуществляется устройством рекуперации.

Далее в момент t4 ключ K1 выключают, и напряжение на нем вырастает за время более 2 мкс, т.е. значительно большее, чем время закрытия ключа K1,

всилу наличия параллельно подсоединенного кон-

денсатора C1. Это обеспечивает низкие потери при выключении ключа K1. Таким образом, коммутационные потери существенно снижаются, а форма напряжения на выходе ПЧ формируется принудительно

по заданной траектории. В момент времени t5 процесс повторяется снова.

Если в составе ЭБ используется согласующий или разделительный трансформатор, то в качестве индуктив-

ного элемента L1 можно использовать индуктивность рассеяния этого трансформатора.

Необходимо отметить, что ПЧ со схемой «мягкой» коммутации транзисторов имеет значительное преимущество, связанное с повышением надежности за счет того, что:

1)уменьшение коммутационных потерь снижает нагрев кристаллов силовых модулей, при этом отсутствуют коммутационные пики мощности, постепенно разрушающие структуру кристалла;

Рис. 2. Структурная схема силового ключа с «мягкой» коммутацией

Рис. 3. Временная диаграмма напряжения и тока, поясняющая работу схемы

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 315 -

2) отсутствуют выбросы перенапряжения на силовых ключах, за счет чего обеспечивается повышенная долговечность работы.

Отсутствие крутых фронтов перенапряжений в схеме с «мягкой» коммутацией транзисторов создает определенные преимущества при конструировании инвертора. Так, уменьшается влияние на конструкцию ПЧ паразитных индуктивностей силовых шин, вызывающих перенапряжения на кристалле транзистора. Становятся менее актуальными методы планарной разводки силовой схемы, усложняющие конструкцию [2]. Поэтому для ПЧ большой мощности становится доступным параллельное соединение фактически неограниченного количества одноключевых IGBT-модулей.

Преимуществом схемы с «мягкой» коммутацией транзисторов также является возможность более полной диагностики работоспособности силовой схемы и организация дополнительных защит. Например, в вышеописанном ПЧ реализована защита от срыва разряда конденсаторов «мягкой» коммутации, а также защита от пробоя силового транзистора. Эти защиты позволяют предотвратить разрушение ПЧ в случае выхода из строя отдельных элементов, обеспечивают диагностику

конкретной неисправности и значительно снижают время ремонта ПЧ.

Таким образом, применение схем «мягкой» коммутации транзисторных ключей в инверторах ПЧ создает ряд преимуществ перед обычными ПЧ:

1)возможность формирования крутизны фронта выходного напряжения;

2)устранение перенапряжений на выходе ПЧ;

3)повышение надежности ПЧ.

Такие схемы могут быть рекомендованы для исполнений ПЧ с повышенными требованиями к массогабаритным показателям и надежности.

Библиографический список

1.Калашников Б.Е. Проблемы «длинного кабеля» в электроприводах с IGBT-инверторами // Электротехника. 2002. № 12. С. 24–26.

2.Колпаков А.И., Ламп Й. Проблемы проектирования IGBT-инвер- торов: перенапряжения и снабберы // Компоненты и технологии. 2008. № 5. С. 98–103.

3.Пат. 2307441 Российская Федерация, МПК Н 02 М 1/16. Способ снижения динамических потерь в преобразователях электроэнергии / Шепелин А.В., Иванов А.Л., Шепелин А.В.

№2006100572/09; заявл. 10.01.2006; опубл. 27.09.2007, Бюл.

№27. 7 с.

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 316 -

УДК 621.313

Последние достижения компании

ООО «Мицубиси Электрик» в области силовой электроники

В.А. Толстопятов

ООО «Мицубиси Электрик (РУС)», Москва, Россия

Recent achievements of the company LLC “Mitsubishi Electric” in the area of power electronics

V.A. Tolstopyatov

LLC “Mitsubishi Electric (RUS)”,

Moscow, Russian Federation

В публикации представлена информация о последних разработках компании ООО «Мицубиси Электрик» в области силовых полупроводниковых модулей, применяемых в электроприводах в широком диапазоне мощностей.

The publication provides information on the latest developments of the company LLC “Mitsubishi Electric” in the area of power semiconductor modules used in electric drives in a wide power range.

Ключевые слова: силовой полупроводниковый прибор, IGBT, транзистор, преобразователь частоты, инвертор.

Keywords: power semiconditor device, IGBT, transistor, frequency converter, invertor.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время существует устойчивая тенденция по переходу от нерегулируемого электропривода (ЭП) к регулируемому. Обусловлена она не только существенной экономией электроэнергии в случае применения последнего, но и все более жесткими требованиями к приводам со стороны технологических процессов, а также к удобству и скорости управления. Неотъемлемым компонентом в схеме почти любого современного регулируемого электропривода является преобразователь (инвертор), коммутация рабочих токов в котором осуществляется с помощью полупроводниковых ключей. Таким образом, производительность, эффективность, массогабаритные показатели привода во многом определяются характеристиками силовых модулей.

Рассмотрим некоторые новейшие разработки в области силовых транзисторных модулей компании «Мицубиси Электрик».

I. ПРОМЫШЛЕННЫЕ МОДУЛИ SLC

SLC (SoLid Cover – жесткое покрытие) – новейшая технология корпусирования силовых модулей, позволяющая достичь высокой надежности и тепловой проводимости. Сравнение новой и классической структур корпуса показано на рис. 1.

Вкачестве изоляционного материала между силовой частью модуля с полупроводниковыми чипами и основанием модуля обычно используется металлизированная керамика [1]. Данный изоляционный слой соединен с медным основанием с помощью пайки. Слабым местом в такой комбинации материалов является несовпадение коэффициентов теплового расширения (КТР) керамики, припоя и меди. Это несоответствие ведет к постепенному разрушению слоя пайки за счет регулярных изменений температуры и ограничивает, тем самым, срок службы модуля. Способность модуля противостоять этому разрушению определяется его характеристикой длинных термоциклов.

Втехнологии SLC вместо керамики используется резиновая изоляция, имеющая КТР, близкий к КТР меди. Базовая плита модуля и слой пайки устранены за счет того, что верхний и нижний слои меди могут быть присоединены к резиновой изоляции напрямую. За счет такого изолированного металлического осно-

вания (англ. IMB – Insulated Metal Baseplate) количе-

ство термоциклов значительно возрастает. Текущий статус тестирования на количество длинных термоциклов показан на рис. 2. Сейчас достигнуто значение 40 тыс. циклов при разнице температур 80 К. Данный результат уже в 7 раз лучше, чем для обычных

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 317 -

Рис. 1. Сравнение SLC и традиционной структуры корпуса

модулей, но тестирование все еще продолжается. Более того, как показано на рис. 2, после 40 тыс. циклов никакого разрушения не выявлено. Таким образом, ожидается еще более высокая устойчивость новой серии модулей к длинным термоциклам.

В модулях классической структуры размер изоляционных керамических пластин ограничен, так как механическое напряжение в слое пайки при термоциклировании возрастает с увеличением размера пластин. Поэтому обычно в модулях с размерами основания 122 × 62 мм используется две или три керамические пластины. Новая SLC-технология, напротив, состоит из единой общей медной пластины, использующейся для крепления всех чипов и не требующей паяного соединения с изоляцией. За счет такого решения полезная площадь для размещения чипов увеличивается, а также устраняются проводники, соединяющие отдельные пластины, что уменьшает паразитную индуктивность и активное сопротивление в модуле. Таким образом, данная структура является одним из ключевых элементов SLC-технологии по достижению компактности и высокой плотности мощности.

Рис. 2. Результат тестов на длинные термоциклы

SLC-структура имеет сниженное тепловое сопротивление, что позволяет снизить температуру кристаллов и увеличить количество коротких термоциклов. Вместо слоя пайки, имеющего плохую тепловую проводимость, в ней используется прямое соединение медь–резина–медь, при этом активная площадь намного выше в сравнении с керамикой. Толщина слоев выбрана таким образом, что обеспечивает оптимальное соотношение между изоляционными свойствами, надежностью и тепловым сопротивлением. Благодаря этой оптимизации тепловое сопротивление кристалл-основание Rth (j-c) стало значительно ниже, чем у классических модулей, представленных на рынке (с использованием оксида алюминия Al2O3

вкачестве изоляции).

Вобычных модулях с медным основанием и керамической изоляцией искривление базовой плиты является существенной проблемой. Возникает оно из-за биметаллического эффекта при изменении температуры, вызванного несовпадением КТР. Это искривление ухудшает тепловой контакт между базовой плитой

модуля и радиатором Rth (c-s). В модулях, собранных по технологии SLC, коэффициенты теплового расширения всех материалов идентичны и изгибания основания модуля не происходит [2]. Для улучшения теплового контакта между основанием модуля и радиатором используется специальный материал PC-TIM (Phase Change Thermal Interface Material – теплопрово-

дящий материал с изменяемой фазой), толщина которого существенно меньше, чем толщина слоя термопасты в обычных модулях. В итоге за счет использования технологии SLC результирующее тепловое сопротивление кристалл-радиатор было уменьшено более чем на 30 % в сравнении с классическими модулями при одинаковых размерах чипов (рис. 3). Высокие тепловые характеристики являются одним из основных инструментов по созданию надежных модулей с повышенной плотностью мощности.

Полный список модулей поколения NX7 для трех классов напряжений приведен в табл. 1.

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 318 -

	Рис. 3. Сравнение теплового сопротивления
							Таблица 1
		Линейка модулей NX7
Топология		Размеры, мм		Класснапряжения
			600 В		1200 В		1700 В
					225		225
2-в-1		62×152	300		300		300
			450		450		450
			600		600		600
		114×110			1000
6-в-1			100		100		100
		62×122	150		150		150
			200		200
7-в-1		77×137	150		100
			200		150

II.ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ МОДУЛИ СЕРИИ X

Вдекабре 2015 г. компания Mitsubishi Electric объ-

явила о запуске производства высоковольтных модулей X-серии на 6,5 кВ, 1000 А (рис. 4), обладающих

высокой мощностью и стабильными показателями работы при максимальной температуре 150 °С, что является рекордным показателем среди подобных устройств. Сниженныепотериирасширенныйтемпературный диапазон делают эти модули идеальным решением для мощных высоковольтных систем, применяемых в таких сферах, как транспорт и энергетика.

Основные характеристики [3]:

А. Высочайшая в индустрии выходная мощность –

6,5 кВ, 1000 А.

♦Более высокие показатели выходного тока в корпусе размеров предыдущих моделей.

♦Седьмое поколение траншейных транзисторных чипов и RFC-диоды (англ. Relaxed Field Cathode – катод

сослабленным полем) с «мягкой» характеристикой восстановления уменьшают потери на 20 %, а тепловое сопротивление – на 10 % по сравнению с существую-

щими модулями (CM750HG-130R).

Рис. 4. Высоковольтный модуль X-серии на 6,5 кВ, 1000 А

В. Расширенный температурный диапазон.

♦Первый на рынке модуль класса 6,5 кВ, рассчитанный на работу при максимальной температуре в 150 °С.

♦Седьмое поколение траншейных чипов и RFC-дио- дов, а также оптимизированная технология корпусирования уменьшают габариты преобразователя и повышают безопасность работы.

С. Совместимый корпус.

Габариты и позиции выводов нового устройства полностью совпадают с таковыми у существующих высоко-

вольтныхмодулей(CM600HG-130H, CM750HG-130R).

Сравнение модуля на 1000 А, 6,5 кВ с предыдущей серией показано в табл. 2.

Данная серия энергоэффективных модулей будет выпущенавтрехклассахнапряжений: 3,3, 4,5 и6,5 кВ(табл. 3).

				Таблица 2
		Технические характеристики модулей серий X и R
		Параметр	Модель
			CM750HG-130R	CM1000HG-130XA
	Напряжениеколлектор-эмиттер		6,5 кВ	6,5 кВ
	Токколлектора		750 А	1000 А
	Рабочийдиапазонтемператур		–50…+125 °С	–50…+150 °С
	IGBT	Напряжениенасыщения*	5,5 В	3,6 В
		Тепловоесопротивление	12 К/кВт	11 К/кВт
	Диод	Напряжениенасыщения*	4,0 В	3,0 В
		Тепловоесопротивление	22 К/кВт	17 К/кВт

* Tj = 125 °C, Ic (Ie) = 1000 A – типовое значение.

								Таблица 3
		Полная линейка модулей серии X
Класс		Размер, мм			Номиналтока, А
			600	900	1000	1200	1350	1500	1800
3,3	кВ	190×140							●
		130×140				●
4,5	кВ	190×140					●	●
		130×140		●
6,5	кВ	190×140		●	●
		130×140	●

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 319 -

III. МОДУЛИ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Современные транзисторные модули на основе карбида кремния (SiC) по своей структуре делятся на два типа: 1) гибридные (данный тип сочетает в себе кремниевые транзисторы с SiC обратными диодами Шоттки); 2) полные (как транзисторы, так и диоды построены на базе карбида кремния). Из-за лучшего соотношения производительность/стоимость наибольшее распространение пока находят гибридные силовые модули. Однако использование только лишь диодов на основе SiC уже дает снижение потерь в модуле на 30–50 % и более в зависимости от частоты. Такой существенный вклад обусловлен тем, что ток обратного восстановления не только приводит к потерям в диоде, но и сказывается на процессе включения транзистора. На рис. 5 приведены осциллограммы включения рабочего тока для кремниевого модуля на 600 А, 1200 В (Si) и аналогичного гибридного модуля (SiC). Как можно видеть из рисунка, за счет минимизации динамических потерь в диоде перерегулирование тока при включении транзистора практически отсутствует.

При этом, если говорить об общих потерях в модуле, то с ростом частоты вклад потерь на переключение становится все более значительным. Характеристика, отражающая зависимость общих потерь в модулях двух типов, показана на рис. 6.

Говоря о полных модулях на основе карбида кремния, в первую очередь стоит отметить, что за счет более высокого пробивного напряжения данного материала транзисторы здесь выполнены по технологии MOSFET, что также позволяет значительно снизить энергию переключения. На рис. 7 представлено семейство характеристик динамических потерь в модулях SiC и Si на 800 А, 1200 В [4]. По графикам видно, что энергия включения и выключения транзистора снизилась на 80 и 51 % соответственно. Общая энергия динамических

Рис. 5. Включение рабочего тока

потерь в транзисторе на карбиде кремния составляет одну треть от аналогичного показателя кремниевого прибора. Энергией восстановления диодов и вовсе можно пренебречь в сравнении с потерями в проводящем состоянии.

Если сравнивать общие потери в модулях SiC и Si, то при прочих равных условиях модули на основе карбида кремния имеют в 3–5 раз меньшие потери в зависимости от частоты коммутации.

Всего на данный момент компанией «Мицубиси Электрик» серийно выпускается пятнадцать SiC-мо- дулей различных типов и структуры: начиная от маломощного интеллектуального модуля на 600 В, 15 А и заканчивая модулем транспортного исполнения 1700 В, 1200 А (табл. 4). Данный список стремительно расширяется.

Рис. 6. Зависимость потерь в модулях от частоты

				Таблица 4
		Серийно выпускаемые SiC-модули
Vces, В	Ic, А	Топология	Структура	Модель
600	15	DIPIPM	Гибридный	PS219W4-4W
600	20	DIPPFC	Гибридный	PSH20L91A6-A
600	20	DIPPFC	Полный	PSF20L91A6-A
600	200	6-в-1 IPM	Гибридный	PMH200CS1D060
1200	75	6-в-1 IPM	Гибридный	PMH75-120-S002
1200	75	6-в-1 IPM	Полный	PMF75-120-S002
1200	800	2-в-1	Полный	CMF800-24-S001
1200	1200	2-в-1	Полный	FMF1200DX1-24A
1200	100	2-в-1	Гибридный	CMH100DY-24NFH
1200	150	2-в-1	Гибридный	CMH150DY-24NFH
1200	200	2-в-1	Гибридный	CMH200DU-24NFH
1200	300	2-в-1	Гибридный	CMH300DU-24NFH
1200	400	2-в-1	Гибридный	CMH400DU-24NFH
1200	600	2-в-1	Гибридный	CMH600DU-24NFH
1700	1200	2-в-1	Гибридный	CMH1200DC-34S

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 320 -