КАТАЛОГ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ
Паccивные элементы
Варисторы
Конденсаторы
Конденсаторы SMD
Конденсаторы керамические SMD
Конденсаторы электролитические SMD
Конденсаторы танталовые SMD
Конденсаторы выводные
Электролитические конденсаторы купить в Киеве, цена - Украина
Конденсаторы пленочные
Конденсаторы высоковольтные
Конденсаторы танталовые
Ионисторы
Индуктивности и дроссели
Индуктивности SMD
Индуктивности выводные (дросcели)
Кварц. резонаторы
Кварцевые резонаторы выводные
Кварцевые резонаторы SMD
Резисторы
Резисторы SMD
резисторы 0603
резисторы 0805
резисторы 1206
резисторы 1210
резисторы 2010
резисторы 2512
резисторы SMD
Резисторы выводные
Резисторы выводные аксиальные
Резисторы подстроечные
Резисторы мощные >20Вт
Резисторы керамические
Резисторы разные
Диоди и стабилитроны
Выпрямительные диоды купить Киев
Диоды защитные
Диодные модули
Стабилитроны
Транзисторы
Транзисторы
Транзисторы биполярные
Транзисторы полевые
Транзисторы IGBT
Транзисторы СВЧ
Тиристоры
Оптоэлектроника
Оптические приборы
Оптопары
Оптические трансиверы
Светодиоды
Светодиоды выводные
Светодиоды SMD
Светодиодные ленты
Светодиодные блоки
Светодиодные модули
Светодиодные кластеры
Светодиоды ИК
Фотодиоды
Фотоприёмники
Индикаторы и дисплеи
Индикаторы
Дисплеи LCD
Дисплеи TFT
Панели оператора
Микросхемы
Микросхемы
Микросхемы акселерометры
Микросхемы АЦП
Микросхемы ЦАП
Микросхемы измерительные
Микросхемы генераторы-синтезаторы частоты
Микросхемы генераторы частоты
Микросхемы драйверы
Микросхемы ИОН
Микросхемы зарядные для аккумуляторов
Микросхемы интерфейса
Микросхемы интегральные
Микросхемы изоляторы сигналов
Микросхемы изоляторы цифрового сигнала
Микросхемы ключи
Микросхемы интеллектуальные ключи
Коммутаторы
Микросхемы коммутаторы аналоговых сигналов
Микросхемы коммутаторы
Микроконтроллеры купить Киев
Микросхемы контроллеры
Микроконтроллеры разные
Микросхемы микроконтроллеры
Микросхемы микроконтроллеры разные
Операционные усилители
Компараторы
Микросхемы стабилизаторы
Микросхемы напряжения
Микросхемы регуляторы линейные
Линейные регуляторы
Микросхемы регуляторы разные
Микросхемы импульса
Микросхемы логики разные
Микросхемы логические
Микросхемы логики
Микросхемы логики еще
Микросхемы логические программируемые
Микросхемы памяти
Микросхемы усилители
Микросхемы усилительные
Микросхемы приёмо-передатчики
Микросхемы приёмо-передатчики разные
Микросхемы DC интеллектуальные ключи
Микросхемы датчики температуры
Микросхемы AD
Микросхемы ПЛИС та ПАИС
Микросхемы времени
Модули ЦПУ
Микропроцессоры
Преобразователи
Преобразователи модульные
Преобразователи интегральные
Преобразователи AC/DC модульные
Преобразователи DC/DC модульные
Преобразователи частотные
Микросхемы преобразователи
Преобразователи разные
Элементы питания
Аккумуляторы
Батарейки
Предохранители
Предохранители
Держатели предохранителя
Предохранители самовостанавливающиеся
Звукоизлучатели
Силовые модули и блоки
Силовие модули
Силовые блоки разные
Силовые выключатели
Приёмо-передатчики
Реле, кнопки, переключатели
Реле
Реле твердотельные
Реле времени
Кнопки
Разъёмы, клемники, соединители
Разъёмы
Разъёмы другие
Контакторы
Клеммники
Соединители
Коннекторы SIM
Корпусы, вентиляторы, радиаторы
Корпусы
Вентиляторы
Радиаторы
Трансформаторы
Антенны
Антенны
Антенные переходники
Датчики, энкодеры, измерители
Энкодеры
Датчики влажности
Датчики индуктивные
Датчики положения
Датчики положения оптические
Датчики температуры
Датчики давления
Датчики тока
Датчики разные
Измерители-регуляторы температуры и физ.величин
Расходомеры
Средства для разработки
Средства для разработчика
Наборы (киты)
Программаторы
Ферриты
Разное

Учет влияния паразитной индуктивности при разработке силового преобразователя

05.01.2021

infineon_ff2mr12km1_800x340Применение скоростных микросхем IGBT в силовых преобразователях при более высоких уровнях тока возможно только в системах с низкой индуктивностью. Новые IGBT-чипы компании Infineon и рекомендации специалистов компании разработчикам позволят добиться значительного снижения паразитных индуктивностей и избежать одновременного увеличения динамических потерь.

Ключевым фактором развития силовых электронных преобразователей является увеличение удельной мощности.

Современное поколение IGBT-устройств обеспечивает плотность тока в три раза выше по сравнению с устройствами, разработанными две десятилетия  назад. Это стало возможным благодаря новым технологиям производства кристаллов, улучшению электрических характеристик и увеличению максимальной рабочей температуры IGBT TVJ_OPMAX.

Совершенствование технологий изготовления IGBT и использование таких новых материалов, как карбид кремния и нитрид галлия, позволяет добиться еще большей удельной величины тока, приходящегося на мм² микросхемы. Столь значительное увеличение плотностей тока ведет к тому, что роль индуктивностей модуля и всей системы начинает возрастать, и они могут стать ограничивающими факторами как для скорости переключений, так и для максимального тока. Это обязательно нужно учитывать при проектировании системы.

В статье продемонстрирован практический метод оценки индуктивности системы и показаны некоторые стратегии ее уменьшения на системном уровне; приведен пример системы, имеющей очень низкую паразитную индуктивность и предназначенной для работы на очень высоких скоростях переключения, а также данные соответствующих измерений.

Обзор

Влияние паразитной индуктивности в системе преобразователя мощности особенно пагубно сказывается в момент выключения IGBT. Осциллограмма, приведенная на рисунке 1, иллюстрирует возникновение эффекта пикового перенапряжения и появление колебательного процесса при отключении IGBT в установке с высокой паразитной индуктивностью.

ris_1-1

 

 

 

 

Рис. 1. Отключение IGBT с проявлением эффекта пикового напряжения ΔU и возникновением колебательного процесса

Перенапряжение ΔU, возникающее на коллекторе IGBT, описывается уравнением, приведенным на рисунке 1. Уравнение показывает, что значение перенапряжения прямо пропорционально паразитной индуктивности и скорости изменения тока. Форма тока также зависит от приложенного напряжения между коллектором и эмиттером. Более высокое напряжение, приложенное к IGBT в момент выключения, вызывает более раннее снятие зарядов с устройства и пропадание остаточного тока [1]. Это означает, что паразитная индуктивность, вызывающая перенапряжение, в свою очередь, ускоряет падение тока, и это снова увеличивает перенапряжение.

Кроме того, высокие di/dt и Lσ могут привести к колебаниям, вызывающим электромагнитные помехи (EMI). Это является следствием возбуждения резонансного контура, состоящего из паразитной индуктивности токовой петли и емкости кристалла.

Рост максимальной рабочей температуры TVJ_OPMAX с нынешних 150°C у IGBT четвертого поколения до 175°C у IGBT 5 позволяет увеличить рассеиваемую мощность и достичь более высоких уровней коммутируемого устройством тока, что приводит к возрастанию скорости изменения тока. Чтобы избежать серьезных проблем, связанных с высоким пиковым напряжением отключения и излучением электромагнитных помех, необходимо уменьшить общую паразитную индуктивность. Это требование можно обобщить простым ограничением  [1]. В том случае, если паразитную индуктивность удастся уменьшить, можно использовать более скоростные кристаллы и, следовательно, добиться меньших потерь энергии при выключении.

Система может иметь такой уровень паразитной индуктивности, который вызовет перенапряжение на кристалле, превышающее напряжение пробоя, что приведет к отказу модуля. Худший случай условий эксплуатации, в которых происходит чрезмерное перенапряжение – низкая температура перехода, из-за которой переключение чипа происходит более быстро, и высокий уровень напряжения на шине постоянного тока, либо короткое замыкание и большая токовая перегрузка. Есть несколько методов, которые обычно используются для уменьшения явлений перенапряжения, к примеру, оптимизация значения резистора затвора, введение снабберных конденсаторов, активных схем ограничения напряжения или использование более низких скоростей переключения. Однако у этих методов есть ограничения. Снабберные конденсаторы дороги, и кроме того, их использование может привести к дополнительным колебаниям тока по направлению к основной конденсаторной батарее и от нее. Активные цепи ограничения напряжения трудно подобрать по размеру и допускам так, чтобы обеспечить надежную работу при более высоких рабочих напряжениях шины постоянного тока, а уменьшение скорости переключения кристалла ведет к увеличению потерь. Приведенные решения не помогают увеличить плотность мощности системы, а только облегчают симптомы, не решая при этом основную проблему – наличие паразитной индуктивности.

Следует отметить, что уменьшение индуктивности системы увеличит потери при включении IGBT и уменьшит потери переключения диодов за счет обратного восстановления, как показано в [2] и [3]. В результате произойдет увеличение общих динамических потерь. Это можно скомпенсировать путем использования IGBT-чипов с более быстрой динамикой и обратных диодов с более низким зарядом обратного восстановления.

Очевидно, что низкая паразитная индуктивность системы необходима для минимизации динамических коммутационных потерь в силовых преобразователях с максимальной плотностью мощности, и в то же время ее уменьшение приводит к снижению уровня электромагнитных помех и пикового перенапряжения.

Где расположена паразитная индуктивность?

Паразитная индуктивность типовой схемы преобразователя мощности показана на рисунке 2. Для целей этой статьи ее можно разделить на три части.

ris_2-1Рис. 2. Принципиальная схема типичного силового модуля IGBT, на которой показаны паразитные индуктивности

Модуль IGBT имеет внутреннюю индуктивность (a), значение которой обычно указывается в спецификации модуля. Оптимизация этого значения – задача производителя силового модуля.

Последовательные индуктивности конденсаторов промежуточного контура (b) зависят от типа конденсатора. Этот тип паразитной индуктивности имеет относительно низкое значение, так как большинство батарей конденсаторов состоит из нескольких конденсаторных цепей, включенных параллельно.

На величину индуктивности соединения между конденсатором промежуточного контура и силовым модулем (c) может в значительной степени повлиять разработчик.

Практический метод измерения системной индуктивности

Все индуктивности, задействованные в момент переключения, составляют индуктивность системы. Одним из рекомендованных методов измерения индуктивности является тест двойным импульсом в инверторной установке и наблюдение за поведением во время включения. Пример измерения показан на рисунке 3.

ris_3

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Осциллограмма включения (красный – ток коллектора [300 А/дел.], черный – напряжение «коллектор-эмиттер» [200 В/дел.], зеленый – напряжение «затвор-эмиттер» [5 В/дел.])

Вместе индуктивность системы и скорость нарастания тока di/dt во время включения IGBT приводят к напряжению пробоя ΔU (подробнее – на рисунке 3). Исходя из уравнения (1), получим, что при di/dt, равном 600 A/120 нс и падении напряжения 420 В индуктивность системы составляет 84 нГн.

Методы проектирования, применяемые для снижения паразитной индуктивности

Геометрия соединения между конденсаторами звена постоянного тока и модулями IGBT имеет решающее значение для величины общей индуктивности системы. На рисунке 4 показано, как влияет геометрия соединений на величину паразитной индуктивности.

ris_4-1

Рис. 4. Связь между паразитной индуктивностью и различной геометрией соединения

Из этой диаграммы видно, что структура, состоящая из двух параллельных пластин, имеет более низкую индуктивность по сравнению со структурой, состоящей из двух параллельных проводов.

Соединение модулей и конденсаторов шины постоянного тока, а также отдельных модулей для каждой фазы ламинированной структурой, состоящей из перекрывающихся плюсовых и минусовых пластин шины постоянного тока, является простым и эффективным решением. Можно выделить несколько критериев удачного проектирования: максимально короткие токовые пути, минимальные расстояния между параллельными пластинами, малая площадь вырезов для того, чтобы как можно больше прямых и обратных токов протекали друг над другом, и их магнитные поля нейтрализовались. Устранение изгибов позволит сохранить все векторы токов и магнитных полей в одной плоскости. Вместо того, чтобы пропускать весь ток через одну точку подключения, создавая при этом локальную область сильного магнитного поля, которое не нейтрализуется противодействующим полем, лучше иметь несколько точек подключения.

Оптимальный способ уменьшения индуктивности системы состоит в том, чтобы максимально сохранить структуру полосковых линий [1] на всем пути тока, включая конденсаторы, шину и модуль. К сожалению, это неосуществимо при использовании современных модулей, так как необходимо наличие точек подведения питания к различным компонентам в системе. Эти точки образуют сегменты, которые, как показано на рисунке 4, составляют геометрию двух параллельных проводов и могут вносить наибольший вклад в индуктивность системы. Чтобы исследовать, насколько можно уменьшить паразитную индуктивность в реальной системе, был разработан оригинальный модуль и система межсоединений.

Рассмотрим новую систему в сравнении с типичной трехфазной системой, построенной с использованием 62-миллиметровых модулей. Конструкция преобразователя представляет собой блок 210 кВА с воздушным охлаждением, в котором применены 62 мм модули на 450 А, 1200 В, (FF450R12KE4), в звене постоянного тока используются  электролитические конденсаторы, шина постоянного тока имеет многослойную структуру и подключается с помощью обычных винтовых соединений. Несмотря на использование многослойной шинной конструкции, одноточечные винтовые соединения увеличивают индуктивность системы приблизительно до 70 нГн. Достигнутая удельная мощность составляет 8 кВА/л.

Концепция инвертора с полосковым дизайном

Новый прототип силового модуля [1], показанный на рисунке 5 слева, следует концепции полосковых линий, позволяющей не только снизить внутреннюю индуктивность модуля, но и обеспечить очень низкую индуктивность соединения с остальной частью силовой цепи. Для минимизации общей индуктивности системы в модуле используется принцип многослойной компоновки и наличия нескольких точек подключения к пластинчатой линейной структуре. Для электрических соединений используется технология PressFIT от Infineon [4].

В сочетании с модулем в системе используется предоставленный компанией Epcos прототип конденсатора звена цепи постоянного тока (см. рисунок 5 справа) с контактами Infineon PressFIT, в котором использован чип силового конденсатора (PCC) [5], [6]. Такая конструкция исключает использование одиночных точек соединения [1] и позволяет использовать двухстороннюю печатную плату, соответствующую требованиям ламинированного соединения с низкой индуктивностью, без изгибов, с небольшим количеством вырезов, несколькими силовыми соединениями и параллельными путями прямого и обратного тока. Концепция PCC также имеет очень низкую эквивалентную последовательную индуктивность (ESL), возможность применения при высоком напряжении [5], отсутствие необходимости установки нескольких последовательно соединенных конденсаторов. Эти особенности позволяют снизить паразитную индуктивность по сравнению с электролитическими конденсаторами.

ris_5-1

 

 

 

 

 

Рис. 5. Прототип низкоиндуктивного полумостового модуля IGBT контактами press-fit (а), прототип конденсатора PCC с контактами press-fit (б)

Полная инверторная система B6 с низкоиндуктивными модулями на радиаторе с воздушным охлаждением и конденсаторами PCC, подключенными через сильноточную печатную плату с использованием нескольких контактов press-fit показана на рисунке 6. На дополнительной плате находятся электроника драйвера и функции защиты.

ris_6-1

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Конструкция инверторной системы B6

С помощью всех этих мер можно уменьшить общую индуктивность системы стандартной установки с 62-миллиметровым модулем с 70 нГн до 10 нГн. На рисунке 7 можно увидеть, как сказывается снижение индуктивности на поведении системы в момент переключения.

ris_7-1

Рис. 7. Поведение систем с разной паразитной индуктивностью в момент переключения (синий = VCE [200 В/дел.], зеленый =VGE [10 В/дел.], красный = IC [100 А/дел.]; [100 нс/дел])

На рисунке 7а показано переключение быстродействующего устройства IGBT 3 на 400 А в 62-миллиметровом модульном корпусе. Индуктивность системы составляет 70 нГн. Видно, что при таком значении паразитной индуктивности скоростной чип IGBT 3 имеет склонность к возникновению колебательных процессов. Выброс напряжения составляет 280 В.

При уменьшении индуктивности звена постоянного тока до 35 нГн превышение напряжения с тем же 62-миллиметровым модулем снижается до 160 В, см. рисунок 7b. Колебательный процесс почти не проявляется.

Результат того же измерения, но с новым низкоиндуктивным модулем вместо 62-мм модуля, показан на рисунке 7c. Величина выбросов напряжения при выключении IGBT снизилась и составляет 80 В. Колебательный процесс не наблюдается. Видно, что падение тока сопровождается более мягким «хвостом» из-за меньшего значения перенапряжения по сравнению с системой, имеющей более высокую индуктивность.

Эта низкоиндуктивная установка позволяет использовать прототипы IGBT 5, позволяющие производить более быструю коммутацию с более высокой допустимой нагрузкой по току и уменьшенными потерями мощности. Поскольку максимальная рабочая температура IGBT составляет 175°C, модуль IGBT построен по технологии Infineon .XT [7], [8]. Кроме того, следует соблюдать осторожность при выборе пассивных компонентов [9]. Сильноточная плата, драйвер IGBT 2ED020I12FA и конденсатор PCC звена постоянного тока выбраны для рабочих температур 150°C, 125°C и 115°C соответственно. Таким образом, IGBT может работать при TVJ_OPMAX до 175°C без ограничений, налагаемых другими внешними компонентами.

Увеличение выходной мощности инвертора за счет использования более быстрых микросхем и более высокой температуры перехода

Добившись снижения коммутирующей индуктивности системы до значений менее 10 нГн, можно увеличить плотность тока и мощность, повысив температуру перехода. Появляется возможность использовать новые, более быстрые коммутационные устройства, обеспечивающие более низкие потери мощности, не создавая при этом проблем с перенапряжением и наличием колебательных процессов.

На рисунке 8 показана осциллограмма выключения для низкоиндуктивной системы при 1200 А – удвоенном номинальном токе модуля – и повышенном напряжении промежуточного контура 800 В.

ris_8-1

 

 

 

 

 

 

Рис. 8. Быстрое выключение IGBT при 1200 А – вдвое превышающем номинальный ток модуля – и напряжении постоянного тока 800 В

Видно, что при быстром переключении IGBT в состоянии перегрузки пиковое напряжение составляет 1090 В, при этом не наблюдается никаких колебаний. Однако еще присутствует некоторый остаточный ток; дальнейшая оптимизация конструкции микросхемы может вестись в направлении его уменьшения, что позволило бы еще больше снизить потери при выключении.

На рисунке 9 приведены графики зависимости температуры перехода IGBT от выходного тока для эталонной системы с IGBT E3 и E4 и для низкоиндуктивного прототипа с быстрыми микросхемами IGBT 5 и TVJ_OPMAX, равным 175°C.

ris_9-1

 

 

 

 

 

 

Рис. 9. Зависимость температуры перехода IGBT от выходного тока инвертора при различных технологиях микросхем и разной индуктивности системы

Очевидно, что новая конструкция позволяет увеличить выходной ток на 24% по сравнению с конструкцией на IGBT 3 при 125°C, и на 18% по сравнению с конструкцией на IGBT 4 при TVJ 150°C. Увеличение максимальной рабочей температуры перехода до 175°C даст возможность увеличить выходной ток на 75% по сравнению с решением на IGBT 3 и на 40% по сравнению с решением на IGBT 4. Снижение потерь на чипе для скоростного IGBT 5 в системе с низкой индуктивностью составляет 15% по сравнению с IGBT E4 в конфигурации 70 нГн.

При этом прототип низкоиндуктивного системного преобразователя, способный работать при высоких температурах, имеет удельную мощность на 50% выше, чем эталонная система с IGBT 4. В абсолютных цифрах удельная мощность для прототипа системы с малой индуктивностью и воздушным охлаждением достигает примерно 14 кВА/л.

Заключение

Повышение максимальной рабочей температуры приводит к увеличению удельной токовой нагрузки кристалла. В случае, если конструкция инвертора обладает высокой паразитной индуктивностью, это может привести к высокому, превышающему допустимые пределы, пиковому перенапряжению и большому уровню колебаний в момент выключения чипа. Применение скоростных микросхем IGBT при более высоких уровнях тока возможно только в системах с низкой индуктивностью. Это требует целостного подхода к проектированию, при котором инженеры-электронщики должны плотно сотрудничать с инженерами-конструкторами.

Производители модулей работают над созданием новых корпусов и концепций компоновки для того, чтобы в будущем значительно снизить уровень паразитной индуктивности. Эти технологии потребуются при использовании новых скоростных чипов, например SiC JFET, для снижения пиков перенапряжения и уменьшения электромагнитных помех.

Исследование показывает, что использование оптимизированных по энергопотерям чипов с более высокой максимальной рабочей температурой позволило увеличить удельную мощность примерно на 50% по сравнению с современными технологиями. Шаг вперед возможен за счет дальнейшего усовершенствования конструкции IGBT-чипов и новых технологий их производства.

Литература

  1. Dr. R. Bayerer et al: Power Circuit design for clean switching, CIPS 2010, Nuremberg, Germany
  2. M.Bäßler et al: On the loss – softness trade-off: Are different chip versions needed for softness improvement?, PCIM 2009, Nuremberg, Germany
  3. W. Rusche et al: Influence of Stray Inductance on High-Efficiency IGBT Based Inverter Designs, Issue 7, 2010, Power Electronics Europe
  4. M. Thoben et al: Press-Fit Technology, a Solderless Method for Mounting Power Modules, PCIM 2005, Nuremberg, Germany
  5. Harald Vetter: Mission- Profile bezogene PCC- Designs zur Integration in HEV-Converter, AUTOMOBIL-ELEKTRONIK 6/2007
  6. Harald Vetter: Zwischenspeicher für Hybride, AUTOMOBIL-ELEKTRONIK _ Dezember 2007
  7. A. Ciliox et al: New module generation for higher lifetime, PCIM 2010, Nuremberg, Germany
  8. K. Guth et al: New assembly and interconnects beyond sintering methods, PCIM 2010, Nuremberg, Germany
  9. K. Vogel et al: IGBT with higher operation temperature – Power density, lifetime and impact on inverter design, PCIM 2011, Nuremberg, Germany

 

© 2000-2021 ООО "Ричел". All rights reserved.

.