Топологии

Трехуровневые инверторы на основе кремниевых IGBT – стандартное решение, обеспечивающее отличное соотношение цена/качество. В [1–3] рассматриваются технические преимущества этих компонентов над классическим двухуровневым инвертором B6 (см. рис. 1а), который позволяет уменьшить коммутационные потери и улучшить фильтрацию за счет более сложной схемы. К двум стандартным трехуровневым схемам для приложений малой и средней мощности относятся диодная и транзисторная топологии с фиксированной нулевой точкой (Neutral Point Clamped, NPC), показанные на рисунках 1б–в, соответственно.

 

Из [2, 4–5] становится понятным, что у обеих трехуровневых топологий имеются свои преимущества и недостатки. У инверторов T-типа в токовой цепи меньше полупроводниковых устройств и, соответственно, меньше потери на проводимость, а у инверторов I-типа – меньше коммутационные потери, поскольку нет необходимости использовать устройство со сравнительно меньшим рабочим напряжением. Таким образом, у инверторов T-типа коммутационные частоты, как правило, на 20–30 кГц выше, чем у инверторов I-типа.

 

Преимущества SiC-технологии

Уникальные характеристики карбидокремниевых (SiC) ключей описаны в [7–8] наряду с возможностями их применения в разных приложениях. С появлением полупроводниковой SiC-технологии свобода выбора проектных решений увеличилась, что открыло дорогу новым решениям. Например, 1200-В SiC-ключи позволяют использовать инверторы Т-типа на более высоких частотах и даже перейти к двухуровневым схемам, чтобы повысить КПД системы и сократить список материалов [6]. Далее мы на практических примерах проанализируем возможности гибридного инвертора Т-типа на 1200-В MOSFET-ключах Cool-SiC и 650-В IGBT TRENCHSTOP 5.

Главными преимуществами нового подхода являются малые потери на проводимость и коммутационные потери, более простая схема фильтрации выходного напряжения и электромагнитных помех (ЭМП) и – по сравнению с преобразователями, в которых используются более трех уровней, – упрощенная схема управления.

 

Экспериментальная установка

Поскольку в этой статье мы рассматриваем влияние только силовых полупроводниковых устройств на эффективность системы, во всех измерениях использовалась однофазная тестовая плата и выходной LCL-фильтр от компаний Technologie Future и Infineon Technologies Austria (см. рис. 2а). В новой схеме на этой платформе одни компоненты заменялись другими. При этом обеспечивался простой доступ к измерению тепловых и электрических характеристик.

Заметим, что абсолютные значения эффективности, обеспечиваемые с помощью однофазной системы, взаимно однозначно не соответствуют показателям трехфазной и трехпроводной системы, т.е. системы, в которой отсутствует незащищенная нейтраль. Во-первых, основные потери фильтров этих систем разные; во-вторых, в схеме модуляции невозможно использовать методику инжекции третьей гармоники. Во всех устройствах, задействованных в рассматриваемом эксперименте, применялся драйвер 1EDI60N12AF от Infineon (см. рис. 2б). Этот компактный изолированный одноканальный драйвер, построенный на трансформаторе без сердечника, обладает высокой устойчивостью к синфазным переходным помехам, что является главным требованием для высокоскоростных ключей. Выходное напряжение драйвера, на который подается переменное напряжение, обеспечивается с помощью рядом расположенного ВЧ-трансформатора. Используя разные значения коэффициента преобразования, можно изменять величину напряжения затвора в диапазоне –5…15 В.

Выходное напряжение однофазного инвертора, работавшего от постоянного напряжения 720 В, составило 230 В (СКЗ). Каждые пять минут выходной ток этого инвертора увеличивали с шагом 1,5 А (СКЗ) с помощью электрической нагрузки по переменному току, что позволяло задавать разные значения эффективности преобразования при разных нагрузках.

 

Результаты эксперимента

В таблице приведены все полученные результаты эксперимента. Для каждой схемы даны измеренные значения коммутационной частоты f_КОММ., максимальной выходной мощности P_МАКС. и эффективности η_МАКС.

На рисунке 3 показана зависимость эффективности преобразования от выходной мощности при 24 и 48 кГц, соответственно. Значения эффективности отражают потери в полупроводниках и пассивных элементах, но не учитывают мощность, необходимую для управления/

На рисунке 4 представлены диаграммы потерь, полученные с помощью расчетной программы и проверенные с использованием значений рабочих температур кристалла и теплоотвода. Небольшие отклонения, обусловленные разбросом значений коммутационных потерь, были скорректированы с помощью экспериментальных данных. Предварительно была выполнена калибровка, позволяющая определить корреляцию между потерями и температурой.

Выбор 1200-В устройств осуществлялся на основе номинального значения постоянного тока из технического описания. Во всех испытаниях использовались одинаковые 650-В ключи S5 IGBT, обеспечивающие компромиссное соотношение между проводимостью и коммутационными потерями. В экспериментах применялись кремниевые диоды и карбидокремниевые диоды SBD с одинаковыми значениями номинального постоянного тока при температуре корпуса 100°C.

 

3L-IGBT – трехуровневое IGBT-решение

Трехуровневое IGBT-решение на кремнии выступало в ходе эксперимента в роли эталонного образца. Как видно из рисунка 3, выходная мощность на фазу достигла 4 кВт, а пиковая эффективность – 98,5% при коммутационной частоте 24 кГц. Эффективность и выходная мощность немного увеличиваются при меньшей коммутационной частоте благодаря использованию большего фильтра, который подавляет пульсацию и ЭМП тех же уровней.

 

3L-Hybrid-1 – гибридное трехуровневое решение

Наиболее эффективный способ уменьшить коммутационные потери состоит в замене ключей Т1 и Т2 инвертора Т-типа ключами CoolSiC MOSFET, например с помощью такого решения как 3L-Hybrid-1. При той же коммутационной частоте 24 кГц можно увеличить пиковую эффективность на 0,5%, а выходную мощность – на 25%. При удвоении коммутационной частоты размер и стоимость выходного фильтра можно уменьшить, сохранив исходные значения эффективности IGBT. Это гибридное решение можно считать относительно сбалансированным, поскольку в коммутационном блоке всегда используется одно карбидокремниевое или кремниевое устройство.

 

3L-Hybrid-2 – гибридное трехуровневое решение

Дальнейшее улучшение характеристик достигается с помощью третьего решения – 3L-Hybrid-2, в котором вместо диодов D3/D семейства Silicon Rapid 1 используются диоды CoolSiC SBD (Schottky Barrier Diodes). И хотя из-за карбидокремниевых диодов потери на проводимость D3/D4 возрастают на несколько Вт, уменьшение коммутационных потерь в T1/T2 и D3/D4 с избытком компенсирует это увеличение. Таким образом, преимущества данного решения становятся больше с ростом коммутационной частоты. По всей видимости, это решение можно оптимизировать для частот даже выше 48 кГц.

 

Выводы

Полученные результаты эксперимента показывают, что использование карбидокремниевых устройств обеспечивает беспрецедентно большую свободу выбора проектных решений для силовой электроники. При необходимости добиться высокой эффективности и выходной мощности с помощью топологии Т-типа можно заменить кремниевые IGBT карбидокремниевыми MOSFET (в конфигурации 3L-Hybrid-1), оставив при этом коммутационную частоту на относительно низком уровне.

Для оптимизации стоимости системы можно повысить коммутационную частоту. В этом случае годятся оба гибридных решения. Выбор одного из них зависит в большой степени от требований к эффективности и коэффициенту мощности, а также от компромисса между выбором магнитного компонента, позволяющего уменьшить цену решения, и карбидокремниевым компонентом, применение которого эту цену увеличивает.

 

Литература

1. M. Schweizer, I. Lizama, T. Friedli, and J. Kolar. Comparison of the Chip Area Usage of 2-level and 3-level Voltage Source Converter Topologies. Proc. IECON 2010, Nov. 2010.

2. M. Schweizer, T. Friedli, J. W. Kolar. Comparative Evaluation of Advanced Three-Phase Three-Level Inverter/Converter Topologies against Two-Level Systems. Industrial Electronics, IEEE

Transactions. Vol. 60. Issue. 12. Dec. 2013.

3. M. Schweizer, T. Friedli and J. W. Kolar. Comparison and implementation of a 3-level NPC voltage link back-to-back converter with SiC and Si diodes. Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf.

4. M. Schweizer and J. W. Kolar. Design and implementation of a highly efficient three-level T-type converter for low-voltage applications. IEEE Trans. Power Electron. Vol. 28. No. 2. 2013.

5. R. M. Burkart, J. W. Kolar, and G. Griepentrog. Comprehensive Comparative Evaluation of Single-and Multi-Stage Three-Phase Power Converters for Photovoltaic Applications. Proc. INTELEC.

Oct. 2012.

6. R. M. Burkart and J. W. Kolar. Comparative evaluation of SiC and Si PV inverter systems based on power density and efficiency as indicators of initial cost and operating revenue. Vol. 23. No. 26.

7. Friedrichs and M. Buschkühle. The Future of Power Semiconductors – Rugged and Higher Performing Silicon Carbide Transistors. Bodo’s Power. Apr. 2016.

8. M. Slawinski and M. Buschkühle. Cool-SiC MOSFET – a Revolution to Rely on. Bodo’s Power. Oct. 2016.

 

Рис. 1. Стандартные инверторные конфигурации: а) двухуровневый инвертор B6; б) трехуровневый инвертор на NPC-диодах (NPC-1, I-типа); в) трехуровневый инвертор на NPC-транзисторах (NPC-2, T-типа). Каждая из топологий представлена только в одной из трех фаз

 

Рис. 2. Вид однофазных экспериментальных платформ спереди и сбоку

Switches – Ключи

XMC Control Board – Управляющая плата XMC

DC Link Capacitors – Конденсаторы фильтра

LCL Output Filter – Выходной LCL-фильтр

Electrolytic Caps – Электролитические конденсаторы

Film Capacitors – Пленочные конденсаторы

Driver Board – Плата с драйвером

Driver – Драйвер

Pulse Transformer – Импульсный трансформатор

 

Рис. 3. Эффективность преобразования в зависимости от выходной мощности однофазной испытательной системы при единичном коэффициенте мощности

точки по вертикали заменить запятыми

По вертикали – Эффективность η, %

По горизонтали: Выходная мощность P_ВЫХ., Вт

Надпись сверху: Эффективность преобразования при 24 кГц

надпись в скобках удалить

kHz – кГц

 

Рис. 4. Потери в полупроводниках в однофазной испытательной системе при единичном коэффициенте мощности

По вертикали: Мощность потерь P_ПОТ., Вт

kHz – кГц

Conduction – Проводимость

Switching – Коммутация

Passives – Пассивные элементы

Надпись сверху: Потери при 4 кВт

 

 

 

 

Таблица. Тестовые сценарии и результаты измерения однофазной системы при единичном коэффициенте мощности

Схема     Т1/Т2 D1/D2	3L-IGBT вставить схему из таблицы   IKW40N120H3 1200-В 40-A Si IGBT (H3) 1200-В 20-A Si Diode	3L-Hybrid-1 вставить схему из таблицы     IMW120R045T1 1200-В 45-мОм CoolSiC MOSFET		3L-Hybrid-1 вставить схему из таблицы       IMW120R045T1 1200-В 45-мОм CoolSiC MOSFET
Т3/Т4 D3/D4	IKW30N65ES5 650-В 30-А Si IGBT (S5) 650-В 30-А Si-диод (Rapid 1)	IKW30N65ES5 650-В 30-А Si IGBT (S5) 650-В 30-А Si-диод (Rapid 1)		IKW30N65_S5 + IDH16G65C5 650-В 30-А Si IGBT (S5) 650-В 16-А SiC SBD (Gen 5)
fКОММ.	24	24	48	24	48
PМАКС., кВт*	4	5	4,2	5,5	5,2
ηМАКС., %**	98,5	99	98,5	99,1	98,8

* P_МАКС. –выходная мощность, которая достигается устройством при температуре передней стороны корпуса не выше 100°C.

** η_МАКС.– максимальное значение КПД.