Pentru motoarele standard de joasă tensiune (≤690Vac), sursa de tensiune bazată pe IGBT topologia de nivel 2 domină peisajul. Cu toate acestea, la tensiuni mai mari (≥2400Vac)

Pentru motoarele standard de joasă tensiune (≤690Vac), sursa de tensiune bazată pe IGBT topologia de nivel 2 domină peisajul. Cu toate acestea, la tensiuni mai mari (≥2400Vac), situația se schimbă și există o mulțime de topologii diferite, fiecare cu avantaje tehnice și/sau economice unice. Una dintre aceste topologii, denumită adesea cascadă, sau Cascade H Bridge (CHB), a crescut în popularitate în ultimii ani. Acest articol va explica principiile de bază de funcționare ale unității CHB și va prezenta câteva module de putere noi potrivite cu acest tip de convertor.

Introducere

Pentru unitățile de medie tensiune (MVD), există mai multe tehnologii concurente: clemă cu puncte neutre pe trei niveluri (NPC) tip 1 folosind module de putere de înaltă tensiune (1), proiecte de surse de curent utilizând semiconductori de blocare inversă (2), tip T cu cinci niveluri (3) și Modular Multi-Level (M2L) (4), pentru a numi unele dintre cele mai comune tipuri disponibile astăzi pe piață. Istoria topologiei CHB este că a fost inventată la începutul anilor 1970, dar a fost introdusă pentru prima dată pe piață de Robicon SUA (acum deținută de Siemens) la începutul anilor 1980. În ultimii ani, numeroase companii au introdus MVD-uri bazate pe CHB. Topologia generală a unei faze este prezentată în Figura 1 și o schemă mai detaliată pentru o celulă individuală în Figura 2.

Topologie în cascadă

Cheia topologiei în cascadă este un transformator de izolare multifazică, a se vedea Figura 1, prezentată aici cu o primară de medie tensiune și 5 înfășurări secundare izolate, în acest exemplu fiecare având o valoare de 750 Vac. Fiecare transformator secundar alimentează o singură celulă și cele 5 celule sunt „înlănțuite în lanț” împreună în serie pentru a face o fază completă. Alte două faze sunt utilizate pentru a construi o acționare trifazată completă cu un total de 15 înfășurări secundare izolate. Vezi Figura 4.

siliciului
Figura 1: Schema generală a unei faze a unui convertor CHB de 5 celule per fază.
Figura 2: Exemplu de schemă tipică a celulei CHB.

Schema detaliată a unei celule tipice este prezentată în Figura 2. Acesta cuprinde:

Figura 3a prezintă un convertor tipic cu un transformator și 18 celule. Figura 3b prezintă o celulă individuală.

Figura 3a: MV3000 o unitate 4160Vac 1500hp de la WEG. Comutator și transformator pe stânga și 18 celule (prezentate în detaliu în Figura 3b) în centru.
Figura 3b: Celulă răcită cu aer care prezintă module redresoare (negru) în centru și module de 62 mm (alb) în dreapta și în stânga.

Avantaje

  • Din Figura 2, se poate observa că proiectarea celulei de putere este foarte asemănătoare cu o unitate de curent alternativ standard, cu excepția faptului că sunt utilizate doar două jumătăți de punți. Acest lucru permite utilizarea componentelor fabricate în volum mare pentru convertoarele de tensiune mai mică.
  • Designul modular permite flexibilitate, deoarece tensiunea de ieșire poate fi mărită prin adăugarea mai multor celule și înfășurări ale transformatorului.
  • Celulele pot fi ocolite pentru a permite redundanța. Vedeți Figura 4. Dacă o celulă este inoperabilă din orice motiv, poate fi scurtcircuitată utilizând un comutator de bypass, consultați Figura 2. Acest comutator poate fi mecanic sau bazat pe semiconductori utilizând un modul de tiristor bazat pe tehnologia contactului de presiune. Atâta timp cât există o anumită marjă de tensiune, unitatea poate funcționa în continuare fie într-o stare dezechilibrată, fie prin scurtcircuitarea unei celule pe celelalte două faze, într-o stare echilibrată.
  • Armonice de intrare foarte reduse, deoarece înfășurările secundare ale transformatorului pot fi schimbate de fază utilizând, de exemplu, un design de transformator în zig-zag.
  • Armonicele curentului motorului sunt foarte scăzute și dv/dt aplicat înfășurărilor motorului este redus. Puntea H funcționează la frecvențe de comutare scăzute de obicei 500Hz - 1kHz deoarece numărul de celule înmulțește frecvența efectivă de comutare văzută de înfășurările motorului.
  • Întreținere simplificată, deoarece celulele individuale pot fi suficient de ușoare pentru a fi manipulate de două persoane și pot fi conectate, vezi Figura 3b. De asemenea, deoarece fiecare celulă este identică, reduce stocul de piese de schimb.
Figura 4: Sistem trifazat și care arată dezechilibru cu o fază care este ocolită.

Dezavantaje

  • Transformatorul este mare și complex. Vezi Figura 3a.
  • Celulele trebuie izolate una de cealaltă și măcinate. Acest lucru adaugă complexitate și dimensiune mecanică pentru a îndeplini standardele de degajare.
  • Necesită o valoare ridicată a capacității de netezire datorită funcționării monofazate a celulei H Bridge.
  • Răcire lichidă mai complexă.

Model de comutare

Puntea H poate fi comutată pentru a genera trei tensiuni diferite la ieșire, pentru o tensiune pozitivă, S1 și S4, vezi Figura 2, sunt pornite, pentru o tensiune negativă S2 și S3 sunt pornite. Pentru o stare de tensiune zero, fie S1 și S2, fie S3 și S4 pot fi activate.

În cel mai simplu mod de funcționare, unda sinusoidală de ieșire poate fi construită, de exemplu, pornind fiecare celulă în ordine cu celula E mai întâi, apoi D până la A cu fiecare pas, crescând tensiunea de ieșire cu by1000 VDC și Comutarea PWM utilizată la fiecare nivel pentru a forma forma de undă într-o undă sinusoidală. Aceasta este denumită o modulație de schimbare a nivelului, dar are dezavantajul că semiconductorii de putere din fiecare celulă nu văd pierderi egale, iar înfășurările transformatorului nu trag curent egal, ceea ce nu minimizează curenții armonici de intrare.

O altă metodă, denumită modulație de unghi sau de fază, este prezentată în Figura 5 și creează pierderi egale între celule. Modelul folosește o referință standard de undă sinusoidală comună pentru toate celulele, dar fază deplasează referința PWM cu un factor al numărului de celule împărțit la 180 °, în acest caz cu 5 celule, 36 °. Acest lucru eșalonează modelele PWM și împiedică comutarea a două celule în același timp, împărtășește, de asemenea, stările de tensiune zero în mod egal între cele două opțiuni posibile. Figura 5 prezintă defazarea între celulele A și D la 3 x 36 = 108 °. Acum, ca și în cazul unităților obișnuite, există numeroase nuanțe ale generării de tipare PWM, o astfel de modulație vectorială spațială, toate cu avantaje tehnice vizate.

Figura 5: Model de comutare a celulei de unghi sau de fază pentru o undă sinusoidală semipozitivă.

Calculul pierderii

Pierderile depind de tipul modelului de comutare utilizat. Cu toate acestea, o simplă aproximare la pierderi poate fi făcută folosind un instrument online, cum ar fi Infineon’s Iposim și estimând pierderile presupunând o operație monofazată. O „regulă de ansamblu” dură este că la o frecvență fundamentală de ieșire de 60Hz, frecvența de comutare de 1 kHz pe un radiator cu răcire cu aer modulele IGBT ar trebui să poată avea o ieșire RMS de 0,6 - 0,7 x curent continuu nominal al modulului. Deci, pentru un modul 300A, curentul RMS poate fi de 180 - 210 ARMS.

Opțiuni Power Silicon

Pentru redresorul trifazat, modulele standard cu diodă dublă de 20 mm, 34 mm și 50 mm sunt disponibile atât în ​​tehnologia de lipire, cât și în tehnologia de contact de presiune. Vezi Figura 6.

Figura 6: module redresoare Infineon 20mm, 34mm și 50mm.

Pentru podul H, dispozitivele IGBT de 1700V sunt adesea selectate, deoarece acest lucru permite o tensiune mai mare a celulei, până la un maxim de ≈1200Vdc, permițând mai puține celule în serie. În același timp, componentele de siliciu și periferice de 1700V, cum ar fi redresoarele și condensatoarele de magistrală, sunt disponibile cu ușurință datorită utilizării lor în unități cu clasificare 690Vac. Infineon și-a mărit portofoliul de module IGBT în pachete standard din industrie pentru a corespunde cerințelor unităților CHB, așa cum se arată în Figura 7. Modulele duale din pachetele 62mm sau EconoDUAL ™ 3 sunt disponibile până la 600A și punți H complete, pentru un sistem mai compact sunt disponibile în pachetele EconoDUAL ™ 3 și Econo 3. Cea mai recentă este potrivită pentru proiectele bazate pe PCB folosind tehnologia press-fit.

Figura 7: Opțiunile de module oferite de Infineon adaptate pentru o punte H a celulei în cascadă.

Concluzie

Pentru inginerul de proiectare electronică de putere, utilizarea unei topologii CHB a oferit un punct de intrare tehnic mai scăzut pe piața MVD prin utilizarea componentelor de bază ale convertorului de putere fabricate în volum mai mare pentru piața convertorilor de tensiune mai mică. Acest lucru și avantajele de performanță enumerate au alimentat creșterea acestei topologii pe piața MVD.

Despre companie

Infineon Technologies AG este un proiectant, dezvoltator și producător de semiconductori și soluții de sistem conexe din Germania. Compania operează pe patru segmente: Automotive, Controlul energiei industriale, Managementul energiei și multimarket și Chip Card & Security. Compania este lider mondial în soluții de semiconductori care fac viața mai ușoară, mai sigură și mai ecologică.

Referințe

  1. Nabae, A. et.al.: „Un nou invertor PWM cu punct neutru”; Reuniunea anuală IEEE IAS 1981.
  2. Zargari, N. et.al.: „Un nou convertor curent-sursă care folosește un tiristor simetric comutat la poartă (SGCT)”; IEEE IAS mai/iunie 2001.
  3. Basler, M. et.al.: „Un nou sistem de acționare de medie tensiune bazat pe topologia ANPC-5L”; IEEE-ICIT Chile 2010.
  4. Lesnicar, A .; R. Marquardt, R.: „O nouă topologie invertor de sursă modulară de tensiune”; EPE 2003.
  5. Saums, D. DS&A: „Răcirea fluidului dielectric vaporizabil pentru semiconductorii de putere IGBT”; IMAPS 2009.

Acest articol a apărut inițial în revista Bodo’s Power Systems.