Анализ аппаратных и стоимостных затрат при реализации автономного инвертора напряжения с амплитудной модуляцией

УДК 621.314.58

А.А. Щербаков, Ю.М. Голембиовский

АНАЛИЗ АППАРАТНЫХ И СТОИМОСТНЫХ ЗАТРАТ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ АВТОНОМНОГО ИНВЕРТОРА НАПРЯЖЕНИЯ С АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Представлены результаты исследования зависимости температуры перехода транзистора в автономном инверторе напряжения с амплитудной модуляцией от параметров модуляции и нагрузки. Проведен сравнительный анализ температуры перехода для двух модулей одной серии, рассчитанных на различную мощность. На основе полученных данных сформулированы рекомендации по выбору IGBT модуля для инвертора напряжения.

Автономный инвертор напряжения, амплитудная модуляция, мощность потерь, температура перехода, IGBT модуль

A.A. Scherbakov, Yu.M. Golembiovsky

ANALYSIS OF HARDWARE OUTLAYS AND COST OF AUTONOMOUS VOLTAGE INVERTER

WITH AMPLITUDE MODULATION

The paper presents the analysis results relating the junction temperature dependence in the autonomous voltage inverter transistor with the modulation amplitude depending on modulation and load parameters. The comparative analysis referring the transition temperature for two modules in the series designed for different powers is provided. Based on these results recommendations on the choice of IGBT module for voltage inverter are formulated.

Autonomous voltage inverter, amplitude modulation, power losses, junction temperature, IGBT module

Как известно, для управления величиной выходного напряжения и улучшения его гармонического состава в преобразовательной технике используется модуляция, формируемая алгоритмами переключения силовых ключей. Наибольшее распространение в настоящее время получили схемы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), отличающиеся простотой как схемной реализации, так и алгоритма управления. Как правило, инверторы с ШИМ представляют собой мостовую схему, накрест лежащие силовые ключи которой поочередно открываются, обеспечивая приложение импульсного напряжения с чередующейся полярностью к нагрузке, подключенной в выходам мостовой схемы. При очевидной простоте ШИМ инверторы обладают и существенными недостатками, основными из которых являются наличие бесконечного спектра гармонических составляющих в выходном напряжении, что требует обязательной установки выходного фильтра низких частот, и высокая частота коммутации, превышающая частоту несущего сигнала на 1,5-2 порядка, что приводит к большим динамическим потерям при эксплуатации. Попытка решения первой проблемы привела в появлению большого количества модификаций ШИМ' синусоидальная, ШИМ с предмодуляцией третьей гармоникой, векторная ШИМ с коммутацией по фронту/спаду/двусторонняя ШИМ. Однако предложенные варианты бессильны перед второй проблемой.

В то же время существует альтернативный вариант модуляции - амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), обеспечивающая получение ступенчатого напряжения, приближенного к синусоидальному, при относительно низкой частотой коммутации (частота модуляции превышает частоту несущего сигнала в 2-10 раз). Большинство базовых схем и алгоритмов для инверторов с АИМ были разработаны в 70-80-е гг. ХХ века параллельно со схемами ШИМ, однако высокая стоимость и массогабаритные показатели силовых ключей того времени предопределили популярность ШИМ, требующей меньших аппаратных затрат. В последние 10 лет наблюдается устойчивый рост интереса к инверторам с АИМ, причиной которого является повышение требований со стороны потребителей к качеству питающего напряжения (особенно к его гармоническому составу), которое неспособна обеспечить ШИМ. Способствует данному процессу значительное удешевление IBGT и MOSFET модулей [1].

В настоящее время в специальной литературе отсутствует объективное сравнение схем с ШИМ и АИМ. Кроме того, недостаточно изучен вопрос использования самой АИМ, т.к. внимание исследователей занимает изучение многоуровневой ШИМ, которая является гибридным вариантом ШИМ и АИМ и обладает как достоинствами обоих методов, так и недостатками. Данная статья посвящена исследованию АИМ в разных режимах работы, отличающихся коэффициентом мощности нагрузки, питаемой автономным инвертором напряжения.

Исследование проведено на примере силовой схемы с коммутатором и мостом, обеспечивающей генерацию 8-уровневого ступенчатого напряжения. В качестве силовых ключей выбраны по-лумостовые IGBT модули серии М2ТКИ-ххх-12К производства ОАО «Электровыпрямитель». Модули данной серии построены на основе IGBT IV поколения с вертикальным каналом (trench gate) и встроенных быстродействующих диодов обратного тока (EmCon Fast diodes), что обеспечивает сверхнизкие потери в открытом состоянии.

Несмотря на значительное удешевление IGBT модулей, их стоимость превышает 2-3 тыс. руб., что делает задачу сравнительного анализа достаточно затратной. Учитывая тот факт, что испытания желательно проводить, в том числе, в предельных режимах, единственным приемлемым методом является использование математического моделирования.

Для этой цели был выбран пакет MATLAB\Simulink, обеспечивающий возможность определения и визуализации широкого спектра показателей электрических схем при относительной простоте моделирования. На рис. 1 показана схема инвертора с коммутатором, обеспечивающего генерацию 8-уровневого напряжения на полупериоде, считая нулевой уровень. Подобранные углы коммутации ключей обеспечивают суммарный коэффициент гармонических искажений выходного напряжения, равный 7%, при учете всего спектра. Исследования проводились для активной и активноиндуктивной нагрузки с активной мощностью 100 кВт. Амплитудное значение питающего напряжения 742 В. Такая величина напряжения выбрана с целью обеспечения на выходе инвертора действующего напряжения, равного 514 В, что соответствует значению напряжения, получаемому на выходе трехфазного выпрямителя.

На первом этапе моделирования проведено измерение средних значений тока и напряжения на каждом из модулей при коэффициентах мощности, равных 1 и 0.8, и постоянной активной мощности в нагрузке. На основе полученных данных выбраны силовые модули для второго этапа моделиро-

вания, а именно определения мощности потерь модулей и их температуры с учетом различной интенсивности охлаждения.

Для определения мощности статических и динамических потерь использована 8ішиііпк модель, основанная на схеме, предложенной в [2], учитывающая реальные потери на основе аппроксимации зависимостей величин падения напряжения, энергии включения и выключения модуля, представленных в паспортных данных на ЮБТ модуль. Для расчета температуры в схеме используется тепловая модель транзистора и диода, состоящая из ЯС элементов, сопротивление и емкость которых представлены в паспортных данных на модули. Данная тепловая модель обеспечивает точное моделирование температуры перехода на основании данных о мощности потерь и температуры корпуса. Схема расчета температуры корпуса и охладителя учитывает, что используемые в моделировании модуля являются полумостами, соответственно, на температуру корпуса и охладителя оказывает влияние суммарная мощность модулей полумоста.

Рис. 1. Схема инвертора с коммутатором, генерирующего ступенчатое выходное напряжение

В качестве вариантов модулей были проанализированы полумостовые схемы М2ТКИ-200-12К и М2ТКИ-300-12К. Полумостами представляются попарно блоки коммутатора ЮВТ1 и ЮВТ4, ЮВТ2 и ЮВТ5, ЮВТ3 и ЮВТ6, а также две пары силовых ключей моста.

Углы коммутации модулей и коэффициент частоты коммутация модуля (отношение частоты коммутации Ркомм к частоте модуляции Рмод) представлены в табл. 1. В табл. 2 представлены усредненные по времени графики мощности статических и динамических потерь соответственно для модулей ЮВТ1, ЮВТ2 и ЮВТ3. Частоты коммутации этих модулей относятся друг к другу как 14:6:2, а напряжения на модулях как 1:2:4. С ростом амплитуды питающего напряжения растет мощность

статических потерь и со снижением частоты коммутации снижается мощность динамических потерь, что и подтверждается графиками.

Таким образом, для анализа влияния частоты коммутации на суммарную мощность потерь в инверторе данной топологии достаточно данных о модуле ЮБТ1, который имеет наибольшую частоту коммутации и, соответственно, наибольшую динамическую составляющую в общей мощности потерь. Полученные в результате моделирования интегральные характеристики представлены в табл. 2.

Таблица 1

Углы коммутации силовых ключей в схеме инвертора напряжения с коммутатором

Модуль Углы коммутации на полупериоде, ° F комм^ мод

2-11, 21-32, 44-57, 71-109, 123-136, 148-159, 169-178 14

IGBT2 11-32, 57-123, 149-169 6

IGBT3 32-148 2

IGBT4 Противофазно IGBT1 14

IGBT5 Противофазно IGBT2 6

IGBT6 Противофазно IGBT3 2

IGBT7,10 2-178 1

IGBT8,9 182-358 1

Таблица 2

Статическая и динамическая составляющая мощности потерь для ключей коммутатора

Модуль Мощность статических потерь, Вт Мощность динамических потерь, Вт

185 80

IGBT2 220 35

IGBT3 265 12

Рассмотрим подробно зависимость массогабаритных, стоимостных показателей и установленной мощности инверторов, построенных на различных ЮБТ полумостах одной серии. Целью исследования будет выявление скрытых закономерностей, влияющих на выбор того или иного модуля, и отсечение малозначащих критериев.

Исследования проводим при частоте генерируемого сигнала 400 Гц, активная мощность нагрузки - 100 кВт, амплитудное значение питающего напряжения - 742 В, которое делится в соотношении 1:2:4 для питания трех полумостов коммутатора. Соответственно напряжения, прикладываемые к каждому из модулей, равны 106, 212 и 424 В. При построении преобразователя частоты существует два способа добиться такого соотношения напряжений: использование конденсаторного делителя напряжения либо многообмоточного трансформатора.

В табл. 3 представлены значения средних токов и напряжений на каждом из полумостов схемы при работе на чисто активную нагрузку, и полученной исходя из этих значений величин установленной мощности.

Представленные в табл. 3 значения определяют необходимый модуль. В данном случае необходимо использовать модули, рассчитанные на прямой ток коллектора от 137 А до 187 А (меньшие значения не учитываются, т.к. модули попарно входят в полумост и тип модуля определяется максимальным током в одном из ключей полумоста).

По данным критериям был выбран модуль М2ТКИ-200-12К и для сравнения с ним более мощный модуль М2ТКИ-300-12К.

Результаты расчета температуры перехода данных модулей при различной интенсивности охлаждения представлены на рис. 2, 3 соответственно.

Таблица 3

Значения средних токов 1т, напряжений 11т и мощности Рт для каждого из силовых ключей инвертора

при работе на активную нагрузку 100 кВт

Рт, кВт 1т, А ит, В

ЮВТ1 10,78 156 69

ЮВТ2 22,27 169 132

ЮВТ3 47,31 187 253

ЮВТ4 9,25 116 80

ЮВТ5 15,92 96 165

ЮВТ6 17,75 52 339

Коммутатор 123,28

ЮВТ7,10 49,59 137 361

ЮВТ8,9 49,59 137 361

Мост 198,36

Общая 321,64

230 210

о

го" 190 ч: о

<и

С

£ 150 > н го

& 130

с

н 110 90 70

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Тепловое сопротивление охладитель-окружающая среда,°С/Вт

Рис. 2. Зависимость температур перехода транзисторов в силовых ключах М2ТКИ-200-12К коммутатора и моста от интенсивности охлаждения при работе инвертора на активную нагрузку 100 кВт

Из сравнения графиков на рис. 2, 3 следует, что более мощный модуль требует менее интенсивного охлаждения при работе на тех же режимах за счет более низкого сопротивления, более низких потерь включения и выключения, а также более низкого теплового сопротивления. Максимально допустимая температура перехода, указанная в паспортных данных исследуемых модулей, составляет 150 °С. Таким образом, модуль М2ТКИ-200-12К требует теплового сопротивления охладитель-окружающая среда Я^а менее 0.3 °С/Вт для безопасной работы, тогда как М2ТКИ-300-12К позволяет практически для всех позиций, кроме ЮБТ1,4, работать при тепловом сопротивлении 0.4.

Поставим задачу определить наиболее оптимальный вариант решения проблемы охлаждения: повышение интенсивности охлаждения или установка более мощных модулей. Модули М2ТКИ-200-12К и М2ТКИ-300-12К в соответствии с паспортными данными обладают одинаковыми массогабаритными показателями: размеры 106.5*61.5 мм, масса 0.35 кг. Из полученных при моделировании результатов очевидно, что если система охлаждения не способна обеспечивать тепловое сопротивление менее 0.4 °С/Вт, то установки М2ТКИ-300-12К недостаточно. Следующие модули в серии М2ТКИ-600-12К и М2ТКИ-800-12К, во-первых, обладают размерами 130*140 мм, что потребует полного изменения блока инвертора, включая расположение модулей, а, во-вторых, их масса 1.5 кг, что приведет к увеличению массы схемы инвертора более чем в 4 раза с 5*0.35=1.75 кг до 5*1.5=7.5

кг. При этом значительно возрастет и стоимость схемы. Установка менее мощного модуля М2ТКИ-100-12К при обеспечении высокой интенсивности охлаждения также невозможна, т.к. для данного модуля значение среднего тока коллектора не должно превышать 100 А, тогда как при питании нашей нагрузки ток, проходящий через модули, больше 100 А (табл. 3).

—о—IGBT1,4 ------- IGBT2,5

--й--ЮВТ3,6

__*__ЮВТ7-10

Тепловое сопротивление охладитель-окружающая среда,

°С/Вт

Рис. 3. Зависимость температур перехода транзисторов в силовых ключах М2ТКИ-300-12К коммутатора и моста от интенсивности охлаждения при работе инвертора на активную нагрузку 100 кВт

Для оценки стоимости схемы воспользуемся данными интернет-магазина «Номинал» [3]. Стоимость М2ТКИ-200-12К - 5030 руб., стоимость М2ТКИ-300-12К - 6211 руб. Таким образом, увеличение стоимости инвертора при замене модулей М2ТКИ-200-12К модулями М2ТКИ-300-12К составляет (6211-5030)*5=5905 руб.

Оценим вариант с установкой более интенсивной системы охлаждения. В каталоге охладителей ОАО «Электровыпрямитель» [4] представлены охладители О55, О56, О57 и О58, предназначенные для использования в мощных инверторах напряжения. Из анализа таблицы охладителей следует, что обеспечиваемое тепловое сопротивление корпус - окружающая среда, а также цена зависят от массогабаритных показателей охладителя и скорости воздушного потока и в меньшей степени от его формы (табл. 4).

Таблица 4

Соотношение цены и веса охладителей силовых модулей

Модель охладителя О25 О35 О46 О47 О55

Масса, кг 2,17 1,26 2,58 3,25 5,2

Цена, руб. [5] 640 480 900 1000 1650

Цена/Масса 294,9309 380,9524 348,8372 307,6923 317,3077

Для упрощения задачи будем рассматривать случай, когда на один модуль останавливается отдельный охладитель. При установке одного охладителя на 2 или 4 модуля соотношение интенсивности охлаждения к массогабаритным показателям останется прежним. Изменится лишь требование к скорости воздушного потока для поддержания прежней температуры модулей.

Зависимости массогабаритных и стоимостных показателей схемы представлены в табл. 5. Таким образом, для получения такого же результата, как и замена модуля М2ТКИ-200-12К на более мощный М2ТКИ-300-12К, необходимо установить более мощные охладители, например О57 вместо О56. Стоимостные затраты при установке более мощного модуля для снижения теплового сопротивления на 0.1 °С/Вт составляют ~600*5=~3000 руб. При этом, если используется один охладитель на 2

или 4 модуля, то затраты на снижение теплового сопротивления будут меньше соответственно в 2 или 4 раза (очевидно, что первоначальные требования к охладителям будут больше, т.к. охладитель должен быть способен рассеивать мощность 2 или 4 силовых модулей соответственно).

Таблица 5

Соотношение массогабаритных и стоимостных показателей схемы инвертора при использовании различных охладителей

°С/Вт Температура перехода, °С Модель охладителя Масса охладителя, кг Цена охладителя, руб.

ЮБТ1,4 ЮБТ2,5 ЮБТ3,6 ЮБТ7,10

0,1 75 78 78 76 О55, принудит. охл 3,5*5+сист. охл 1650*5

0,2 116 117 114 112 О57, ест. охл 9,2*5 2950*5

0,3 155 144 149 148 О56, ест. охл 7,5*5 2400*5

0,4 194 179 200 184 О55, ест. охл 3,5*5 1650*5

На основе полученных данных можно сделать вывод, что для решения задачи питания более мощного потребителя выгоднее повысить интенсивность системы охлаждения, чем устанавливать более мощные силовые модули. Эта зависимость остается верной для случаев естественного охлаждения модулей. Если возможностей естественного охлаждения оказывается недостаточно, то требуется установка принудительного охлаждения, что требует дополнительных затрат на эту систему. Кроме того, такой подход снижает надежность инвертора, т.к. выход системы охлаждения из строя может привести к выходу из строя всего инвертора из-за превышения максимально допустимой температуры перехода. Таким образом, установка более мощного модуля является предпочтительной в только в тех случаях, когда это позволяет предотвратить установку системы принудительного охлаждения, либо при жестких требованиях к массогабаритным показателям схемы, т.к. массогабаритные показатели охладителей являются определяющими при общей оценке массогабаритных показателей инвертора напряжения.

Сформулированные выше выводы справедливы для инверторов, работающих на нагрузку с разным коэффициентом мощности. Для подтверждения этого факта проведем моделирование работы инвертора на активно-индуктивную нагрузку с коэффициентом мощности 0.8 и прежней активной мощностью 100 кВт (табл. 6).

Таблица 6

Значения средних токов 1т, напряжений 11т и мощности Рт для каждого из силовых ключей инвертора при работе на активно-индуктивную нагрузку с коэффициентом мощности 0.8 и активной мощностью 100 кВт

Модуль Рт, кВт 1т, А ит, В

ЮБТ1 13,15 190 69

ЮБТ2 26,44 200 132

ЮБТ3 54,41 215 253

ЮБТ4 12,46 156 80

ЮБТ5 23,56 143 165

ЮБТ6 42,02 124 339

Коммутатор 172,04

!0БТ7,10 64,31 178 361

!0БТ8,9 61,56 170 361

Мост 251,74

Общая 423,78

Очевидно, что значения токов, протекающих через силовые модули, возрастают за счет роста полной мощности до 125 кВА. Как следствие растут и значения мощности статических и динамических потерь, а также температуры перехода. На рис. 4, 5 показаны графики зависимости температуры перехода от интенсивности охлаждения при использовании силовых ключей М2ТКИ-200-12К и М2ТКИ-300-12К соответственно.

Тепловое сопротивление корпус-окружающая среда, °С/Вт

Рис. 4. Зависимость температур перехода транзисторов в силовых ключах М2ТКИ-200-12К коммутатора и моста от интенсивности охлаждения при работе инвертора на активно-индуктивную нагрузку с коэффициентом мощности 0.8 и активной мощностью 100 кВт

Тепловое сопротивление корпус-окружающая среда, °С/Вт

Рис. 5. Зависимость температур перехода транзисторов в силовых ключах М2ТКИ-300-12К коммутатора и моста от интенсивности охлаждения при работе инвертора на активно-индуктивную нагрузку с коэффициентом мощности 0.8 и активной мощностью 100 кВт

Сравнивая графики на рис. 2 и 4, а также рис. 3 и 5, можно сделать вывод, что температура перехода выросла в соответствии с ростом общей мощности нагрузки, но остальные зависимости остались неизменными.

На основании представленных в работе данных можно сделать следующие выводы относительно использования амплитудной модуляции в автономных инверторах напряжения:

— Частота коммутации не оказывает решающего влияния на выбор модуля. Она превышает частоту выходного сигнала в 2-14 раз, что критично только при эксплуатации модулей в предельном режиме, т.е. когда частота выходного напряжения становится соизмерима с максимально допустимой частотой коммутации силовых ключей. Однако при таких условиях амплитудная модуляция является единственной альтернативой, т.к. частота ШИМ гораздо выше.

— Температура перехода для всех модулей коммутатора практически одинакова. Объясняется это тем, что в предложенной схеме к модулям коммутатора прикладывалось напряжение разной амплитуды, и частота переключения более мощных модулей была меньше. Таким образом, рост мощности динамических потерь компенсируется уменьшением статических потерь, и общая мощность потерь меняется слабо. При другой топологии, например, при использовании каскадной мосто-

71

вой схемы, частота коммутации всех модулей будет одинаковой и питающие напряжения всех модулей также будут одинаковыми, поэтому мощность потерь, а, следовательно, и температура перехода, разных модулей инвертора будут равны.

— Установленная мощность модуля влияет на температуру перехода в меньшей степени, чем интенсивность охлаждения. Таким образом, установка более эффективного охладителя позволяет использовать менее мощные модули даже при большой нагрузке.

— Коэффициент мощности не оказывает влияния на выбор модуля. Решающее значение имеет лишь общая мощность нагрузки и, как следствие, токи, протекающие в силовых ключах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Muhammad H. R. Power Electronics Handbook / Rashid H.Muhammad. Butterworth Heinemann, 2010. 1362 c.

2. Жемеров Г.Г. Расчет мощности потерь и температуры структуры транзисторно-диодных модулей при компьютерном моделировании преобразователей / Г.Г. Жемеров, В.В. Ивахно, О.И. Ковальчук // Электротехника и электромеханика. 2011. № 4. С. 21-28.

3. Прайс-лист силовых модулей [Электронный ресурс] / «Номинал». Режим доступа: http://номинал.su/price/price_sklad_nominal_1 .xls, свободный.

4. Охладители [Электронный ресурс] / ОАО «Электровыпрямитель» Режим доступа: http://www.elvpr.ru/poluprovodnikprib/ohladiteli/silovmodul_vozd.php, свободный. - Загл. с экрана.

5. Прайс-лист на радиаторы [Электронный ресурс] / Литые игольчатые радиаторы. Режим доступа: http://www.ligra-spb.ru/Price.htm, свободный. - Загл. с экрана.

Щербаков Андрей Александрович -

аспирант кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Andrey A. Scherbakov -

Postgraduate

Department of System Engineering

Yury Gagarin State Technical University of Saratov

Голембиовский Юрий Мичиславович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Yury M. Golembiovsky -

Dr. Sc., Professor

Department of System Engineering

Yury Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 15.03.13, принята к опубликованию 20.05.13