Реферат: Igbt -модули прижимной конструкции играют особую роль в развитии железнодорожного транспорта

Силовые Press-Pack IGBT компании WESTCODE для тяговых электроприводов


Автор статьи: Юрий Коваль, руководитель технического отдела, фирма СЭА

E-mail: yurikov@sea.com.ua





IGBT -модули прижимной конструкции играют особую роль в развитии железнодорожного транспорта. Применение этих перспективных приборов с минимальным весом и габаритами в тяговом преобразователе позволило повысить частоту переключения, упростить схему управления, минимизировать загрузку сети гармониками и обеспечить предельно низкие потери в обмотках трансформатора и дросселей.


^ Структура IGBT

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис.1 приведено условное обозначение IGBT.






рис. 1. Условное обозначение IGBT

рис. 2. Схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT

IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем (MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер) и C (коллектор), а в цепь управления - выводом G (затвор).

    Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.


^ Преимущества прижимной конструкции IGBT

Наряду с развитием традиционной технологии паяной конструкции силовых модулей с изолированным основанием продолжает интенсивно развиваться технология прижимной конструкции IGBT- модулей (см. рис.3), подобная таблеточной конструкции тиристоров SCR (Silicon Controlled Rectifier) и GTO (Gate Turn-Off) - press-pack technology, в которой наряду с уменьшением более чем в 10 раз теплового сопротивления и габаритов значительно улучшены надёжность, термоциклоустойчивость [1]. Высоких параметров IGBT- модулей прижимной конструкции достигла компания Westcode.

Полное отсутствие проволочных соединений, сварки и пайки позволило принципиально улучшить режим эксплуатации силового кристалла. Каждый отдельный IGBT и диод выполнен в своей ячейке. Параллельное включение таких элементов позволяет получить нужные конечные характеристики модуля. На рис.3, показан модуль на 900 Ампер, 5200 Вольт. Электроды затворов выполнены в виде прижимных золотых контактов, которые объединяются посредством общей печатной платы.

рис.3


Поскольку внутренние базовые элементы имеют одинаковую конструкцию для одного напряжения, то легко могут быть получены специальные конфигурации модуля в одном и том же корпусе. Границы определены только возможностями корпуса и величиной потерь, которые приведены на рис.4.



рис.4

Полученные характеристики надежности показывают значительное превосходство перед альтернативными методами изготовления модулей, в том числе и паяных конструкций. Отсутствие проволочных соединений, пайки и сварки устранило основную причину повреждения модулей в процессе эксплуатации: неравномерное распределение тока, термоудар и механическую деформацию от перегрева. IGBT-чипы изготовленны по PT (punch through) технологии. IGBT - транзисторы, изготовленные по этой технологии, обладают высокой du /dt стойкостью, и обеспечивает надёжную работу приборов при предельных загрузках по току и напряжению. Эти транзисторы имеют положительный температурный коэффициент напряжения насыщения, что позволяет успешно использовать IGBT- модули в параллельных соединениях. Внутренняя паразитная индуктивность затвора и эмитера значительно уменьшена по сравнению с обычными выводными IGBT модулями, что делает их более выносливыми при коротких замыканиях по выходной нагрузке. Принципиальным отличием данной технологии является возможность двухстороннего охлаждения кристалла и удвоение эффективности охлаждающей системы. В дополнение, прямое охлаждение эмиттерного контакта подразумевает наличие области безопасной работы SOA в характеристике модуля. Герметичный корпус предлагает другую опцию- возможность погружения модуля во фреон или масло для более эффективного охлаждения.


^ Использование в тяговом электроприводе

Press-pack IGBT позволяют произвести модернизацию существующего оборудования на GТО тиристорах. При этом может быть сохранена прежняя конструкция, схемы контроля и система охлаждения, с заменой только силовых модулей и драйверов управления. Press- Pack IGBT подходят как для приводов постоянного, так и переменного тока, поскольку там используется схожая топология. GТО тиристоры обычно характеризуются максимальным значением контролируемого анодного тока, в то время как IGBT характеризуются номинальным значением постоянного тока коллектора при максимальной рассеиваемой мощности на заданной температуре. Однако, IGBT может контролировать двойной ток коллектора при
включении и выключении. Это означает, что для замены GТО тиристора может быть использован IGBT, у которого токовая характеристика в 2 раза меньше. Рассмотрим для примера 2-х уровневый трехфазный преобразователь с ШИМ на GТО тиристорах. В данном проекте применены 500А Press-pack IGBT (WESTCODE T0500NA25E) для замены GТО тиристоров 1000А (WESTCODE G1000LL250). Нормализованные величины потерь преобразователя показали увеличение потерь проводимости до 150%, но сокращение потерь переключения до 32% по сравнению с GТО тиристорами. При этом, определяющими являются именно потери переключения, где IGBT имеют преимущество начиная с частоты 140 Гц (рис.4.). В большинстве случаев, приводная техника работает на частотах более 150Гц, поэтому IGBT являются
закономерным выбором для построения современного преобразователя. В дополнение отметим, что система крепления осталась без изменения, поскольку модули выполнены в одном конструктивном исполнении с GТО тиристорами.


^ Трамвай в Варшаве

Начиная с сентября 2003 года, Институт Электротехники Польши применяет Press-pack IGBT в трамвае в г. Варшава. При этом, для модернизации был заменен только драйвер управления и сам модуль, остальная электроника и конструкция осталась без изменения. Сейчас снятая с производства модель 2500В, 1200А СТО тиристора (WESTCODE WG12025) была заменена на 2500В, 500А IGBT (WESTCODE T0500NA25E). Эти примеры замены стали возможны лишь потому, что изделия были в идентичных корпусах. Каждый
трамвай имеет два силовых преобразователя и лишь один был заменен на IGBT, при этом сохранилась полная функциональность всего оборудования.


^ Тяговый электропривод (Польский проект)

Немного более амбициозный проект был реализован в Польше для модернизации РКР
локомотива (см. рис.5).



рис.5


Данный локомотив работает от контактной сети 3000 Вольт постоянного тока. Локомотив приводится в движение четырьмя двигателями, объединенными в две группы с последовательным соединением (см. рис.6). Потребляемая мощность нормализуется с помощью входного фильтра, включенного сразу после контактной сети. Напряжение контактной сети может быть увеличено до 4 кВольт с кратковременным значением 5 кВольт, поэтому были использованы последовательно соединенные IGBT на 5200 Вольт (WESTCODE T0850TA52B) с конденсатором для подавления пульсаций. Преобразователь состоит из трех идентичных модулей, каждый из которых состоит из двух последовательно соединенных IGBT и двух диодов. Модуль управляется драйвером C0030BG400 компании WESTCODE с оптическим интерфейсом и изоляцией 10 кВольт. RC снабберные цепи использованы совместно с диодами, IGBT работает без снабберных цепей. Один модуль контролирует ток двух последовательно соединенных двигателей, третий модуль используется для защиты от превышения напряжения. Каждый из модулей собран с использованием алюминиевых радиаторов с хорошей теплопроводностью и компактными размерами (см. рис.7). Устройство собрано из двух субмодулей: один состоит из IGBT, другой- из диодов, что позволило уменьшить собственную индуктивность конструкции и унифицировать систему крепления элементов. Система охлаждения собрана в огнебезопасном GPO3 конструктиве в виде трубы, который обеспечивает прямое охлаждения элементов при отсутствии обдува критичных к воздействию поверхностей. При установке системы, два модуля, непосредственно управляющие моторами, были установлены перед трубой системы охлаждения, в то время как модуль контроля напряжения охлаждался естественной конвекцией. Ток двигателя контролировался с помощью ШИМ 400 Гц. Максимальный рабочий ток двигателя- 320А, пиковый ток- 400А. Привод управляется микропроцессором, который обеспечивает нужные функции управления, разгона и торможения двигателей.



рис.6





рис.7

Преобразователь был протестирован вместе с системой управления и контроля лабораторией IEL в Варшаве (см. рис.7.), обеспечил заданные характеристики во всех режимах и был установлен в локомотив для дальнейшей работы.


Заключение

На сегодняшний день IGBT как класс приборов силовой электроники занимает, и будет занимать доминирующее положение для диапазона мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором прижимной конструкции (Press-pack IGBT) компании WESTCODE (см. табл.1), выполненные в стандартных таблеточных керамических корпусах, позволяют использовать стандартную конструкцию модуля и системы охлаждения, обеспечивают самый высокий уровень надежности в эксплуатации, предоставляя следующий уровень производительности современных IGBT модулей.

Таблица 1

Наименование

IGBT

Vces


В

Ic


A

Icm


A

Vce(sat)
Ic=Ic

В

Eon
Дж

Eoff
Дж

VF
If=Ic

В

Idm
A

tdrr
мксек

Qdr

мкК

Tjm
°C

Rthjs

IGBT Диод

K/W K/W

Размеры,

Диаметр x высота,

мм

T0160NA45A

T0160NA52A

T0250NA45E

T0250NA52E

T0360NA25A

T0500NA25E

T0650TA52A

T0900TA52E

T1200TA25A

T1500TA25B

T1500TA25E

4500
5200
4500
5200
2500
2500
5200
5200
2500
2500
2500

160
160
250
250
360
500
650
900
1200
1500
1500

310
320
400
520
720
1000
1300
1800
2400
3000
3000

3.8
4.1
4.5
4.5
3.6
3.3
5.1
4.6
3.75
3.5
3.4

0.5
0.4
0.72
0.64
0.75
0.8
1.7
2.1
2.5
3.1
3.3

0.42
0.33
0.84
0.53
0.34
0.5
1.4
1.9
1.4
2.0
1.7

4.5
4.3
нет
нет
2.5
нет
4.1
нет
3
нет

нет

400
400
нет
нет
250
нет
1600
нет
670
нет

нет

0.96
0.25
нет
нет
0.93
нет

2.3
нет

1.5
нет

нет

340
340
нет
нет
285
нет
1400
нет
830
нет

нет

125
125
125
125
125
125
125
125
125
125
125

0.056
0.056
0.042
0.042
0.054
0.0386
0.016
0.012
0.0169
0.0136
0.0132

0.092
0.092
нет
нет
0.073
нет
0.039
нет 0.0292
нет
нет

74*26
74*26
74*26
74*26
74*26

74*26
112*26
112*26
112*26
112*26
112*26

Сокращения: VCES – максимальное напряжение между коллектором и эмитером, IC – максимальный DC ток коллектора при температуре 125°C, ICM – максимальный импульсный ток коллектора, Vce(sat) –напряжение насыщения между коллектором и эмитером, EON –энергия включения, EOFF –энергия выключения, VF – падение напряжение на диоде в прямом направлении, IDM –прямой ток диода, tdrr - время восстановления диода, Qdr –заряд на восстановление диода, TJM –максимальная температура выводов, Rthjs - тепловое сопротивление между выводами и радиатором


По вопросам заказа IGBT, диодов, тиристоров и предохранителей компании Westcode (www.westcode.com), а также технической поддержки по ним обращайтесь к официальному дистрибьютору в Украине - фирме СЭА, тел 044 575-94-00, e-mail:info@sea.com.ua, www.sea.com.ua.


Литература:

[1]. F.Wakeman, K.Billett, R.Irons и M.Evans, ‘Electromechanical characteristics of a bondless pressure contact IGBT’ APEC 1999, pp. 312-317