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在先进的功率应用中使用IGBT模块化平台

发布时间:2005-08-30 09:39   类型:应用案例   人浏览
IGBT模块化平台能够提高很多功率设备系统的开发效率,特别是其中一些非常新颖的系统。这种平台能够为产品的应用带来很多益处,包括:软开关大功率逆变器、带有减少直流电容组并且增加可靠性的AC/AC变换器、多电平模块化的可升级的大功率逆变器以及由一个大功率低频变换器和一个小功率高频多功能负载调节器而构成的高性能、低成本的功率变换系统。

使用赛米控的由先进的开关模式功率拓扑结构以及可实现的单板多模块化的SEMIX模块化平台,可以设计制造出平均故障间隔时间达80,000小时(10年)的现代的、高可靠性的逆变器。SEMIX就是赛米控产品主要目标的实例,即针对特定的应用领域减少系统总的功耗,其先进的设计技术使系统的损耗降到最低是从器件级开始的。低功率损耗意味着更高的工作效率、节省能量、简化散热、从而实现更为紧凑的、体积更小的、重量更轻的、成本更低的系统。在热处理过程中消除不必要的热阻以及提高硅片的性能一样重要。沟槽门极元器件中已经使用了很多当前先进的技术以减少在模块上的、连接部分的、磁性材料以及热处理部分的静态损耗。

  更好的磁性材料和更高的开关频率都有助于实现更为紧凑的设计,因此人们就追求模块更高的工作频率,由此产生的问题就是在半导体开关器件中开关损耗就变成了主导因素。在追求更高效率的过程中,器件的动态开关损耗、吸收电路的损耗、电机绝缘上承受的dv/dt应力、电磁兼容问题、高开关频率下长电缆连接的电机端的电压提升效应以及能量质量等问题都要通过硅芯片技术和开关元件的拓扑技术来解决。开关损耗最小的软穿通(SPT)模块可工作在高开关频率下。器件在零电压下导通(ZVS)或零电流下关断(ZCS)的软开关技术有助于进一步减小或消除上述问题。

先进的功率设备系统

  图1是一个三相零电流瞬变(ZCT)逆变电路的软瞬变控制策略图。每相电路包括一个LC谐振器、两个主开关器件和两个辅助开关器件。在文献[3]中报道了它们可以显著地降低器件的开关损耗和电压/电流应力。该电路主要的优点如下:
  每相辅助电路是独立的,只与主电路该相的软瞬变有关;
因为在主功率回路上没有其它的串联器件,因此开关电压应力就是直流母线电压;
辅助开关器件的额定电流和主开关器件相比要小得多。
  
  同硬开关电路相比,软开关器件的开通损耗可降低70%,关断损耗可降低85%。更为重要的是二极管反向恢复峰值电流减少了75%,而器件关断时的电压过冲和高频振荡则基本消失了[4]。每个开关周期的电流应力和热应力平均分布在辅助器件上,谐振电容器上电压应力降低了30%。每相的软瞬变过程是独立进行的,与主控制器无关。任何为硬开关逆变器而设计的脉宽调制模式也适用于软开关逆变器。辅助开关器件仅仅在主功率开关器件导通和关断的瞬变过程中开关,通过它的是一个很窄的、峰值谐振电流很高的信号。辅助开关器件的最大峰值电流和平均电流的比值可高达20倍。使用SEMIX3模块(700A/1200V)作为主电路,SEMIX2模块(300A/1200V)或SEMIX2模块(200A/1200V)做辅助电路的有功功率电路图如图1a。S3 MULTI适配板用于将SKYPER的驱动、监视、保护和控制信号传送到控制板。
 
图.1.三相零电流瞬变(ZCT)逆变器电路图
 
图. 1a.三相零电流瞬变(ZCT)逆变器中的SEMIX模块系列

  文献[5]提出了一种新型高性能低成本的功率变换系统的结构图。该系统由一个主变换器和一个多功能负载调节装置构成,如图2所示。主变换器在低开关频率下处理大部分的能量变换,负载调节装置在很高的开关频率下只处理小部分的能量转换,因此由非线性负载导致的谐波电流仅占整个负载电流的一小部分。系统的主变换器的开关频率为5kHz,输出功率为150 kW,负载调节装置的开关频率为20kHz,输出功率为30kW。主变换器使用的是SEMiX703GD126 模块,而负载调节装置使用的是3 x SEMiX302GB128模块。
 
图. 2.  由主逆变器和负载调节器构成的功率系统的电路框图

  文献[6]描述了多电平大功率和/或高压电机驱动器。多电平变换器可以产生近似的正弦电压基波信号,其几乎不会产生电磁干扰或共模电压,非常适合于驱动大电流,高电压的电机。这种分级串联逆变器可以适合大型汽车的全部电气驱动,因为它存在几个电平级别的直流电压源。分级串联逆变器由一系列的H桥(单相,全桥)逆变单元构成,如图3所示。这些多电平变换器因为开关频率很低所以其效率很高。当多级逆变器作为整流器将交流电转换为直流电时的功率因数接近1,并且不会产生电磁干扰或共模电压/电流问题。采用SEMIX智能功率模块的多电平变换器如图3所示。
 
图. 3.用于大功率和/或高压电机驱动的多电平变换器电路配置图
 
图. 3a.大功率、高压多电平变换器所用的SEMIX模块化平台

  钳位电容器多电平逆变器(FCMI)的技术可推而广之,从三电平扩展到任意电平数,如图4所示。多电平逆变器在高压传动领域有很多优势,因为它能将高的输入/输出直流电压通过一定数量的低额定电压器件合成合适的多级输出电压信号。多电平 逆变器能够减小电压应力和导通损耗,改善大功率应用的谐波问题。不同的多电平理论和拓扑结构的逆变器已经在电机驱动等领域得到了应用。这些逆变器的结构因电压嵌位方法不同而相差很大。钳位电容器多电平逆变器(FCMI)需要在成对的两个开关器件之间配一个嵌位电容CF,为每一对开关管形成一个标准的悬浮的两电平逆变器。FCMI为变换器的每个开关臂节省了两个额外的嵌位二极管和一个中间电容点。因此FCMI结构相对简单,并消除了嵌位二极管的反向恢复问题。图4a使用了两个SEMiX904GB126模块,其中采用的最新沟槽IGBT技术的低正向导通压降是这种逆变器的一个技术亮点。文献[7]提出了针对FCMIs的几种不同的软开关拓扑结构。
 

图.  4. 带有钳位电容器的半桥三电平逆变器的电路配置图
 

图.  4a. SEMIX模块化平台在带有钳位电容器的三电平逆变器上的应用

  反对将矩阵功率变换器(MC)用于工业用途的主要论据在于矩阵功率变换器需要大量的有源器件和门极驱动电路,从而不利于降低成本和提高可靠性。在传统的矩阵变换器中,需要18个独立控制的有源器件和门极驱动电路,而有直流电压环节的功率变换器只需要12个。通过改变能量交换过程可以减少作为双向开关的有源器件的数目。如果吸收电容器和双向开关器件并联,则在两个连续的通态之间形成一小段死区时间,在此期间负载电流由吸收电容器承担。在没有开关状态重叠的条件下,双向开关可以安全的切换,这便可以减小关断损耗、限制dv/dt以及消除开关器件的过压。已有少数几个有吸引力的软开关方法在工业应用领域得到了实现,其中之一就是辅助谐振换流极(ARCP)原理[8]。该文献中提出了一种标新立异的拓扑结构,它能够大大减少所需元件的数目。有源器件的数目能够减少到12个,这和具备中间直流环节的变换器的数目一样多,只是传统矩阵变频器数目的2/3。由于器件通态损耗的更均匀分布以及更小的开关损耗,因此和相同功率的有中间直流电压环节的变频器相比,器件的芯片面积可以做得更小,但控制的复杂度会增加。如果诸如故障处理方法、虚拟地的稳定性、控制硬件的可靠性及优化的双向器件等问题能成功解决,则ARCP-MC可以满足超高开关频率下一些特殊用途的变换器的需要。用于优化双向器件的修正后的GB模块SEMIX如图5所示。所增加的控制复杂度可由S3 MULTI智能适配板解决。
 
Fig. 5.  用于矩阵变换器交流开关器件的改进后的SEMIX“GB”模块
 
Fig. 5a.软开关9+3开关矩阵变换器电路图
结论:
功率器件技术的进步,大功率集成电路和分布式控制技术的发展,为技术先进、硅片密集的高效率直接交-交功率变换技术带来了全新的机会,这些技术可用于电机驱动、不间断电源、变频器以及能量再生控制。

使用很多小功率半导体器件来构建相对的较大功率的变换器,这样一种多电平能量转换技术已经引起了高度的重视。这种技术具有开关损耗低,输出交流谐波含量少的优点,但是它的控制也非常复杂。

  多单元多电平变换器正吸引人们的注意,这类变换器有很多优点(EMC,模块化,可维护性…)但是也有很多控制和结构上的问题。分布式控制策略正成为功率变换器控制方式的的新趋势。多单元功率变换器的分布式控制策略通常由空间矢量PWM算法和状态矢量空间(SS)方法来实现。带SEMIX S3 MULTI适配板的智能功率模块解决方案能够支持这种复杂的分布式控制策略。
 


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