Как проложить силовые шины в силовых преобразователях

August 14, 2013 by admin Комментировать »

Эта задача на первый взгляд кажется тривиальной: ну что может быть особенного в прокладке силовых питающих шин? Казалось бы, достаточно выбрать соответствующее сечение проводов по значению протекающего номинального тока, побеспокоиться о надежной изоляции, — и, собственно, можно рисовать электромонтажный чертеж. Такой подход годится для конструирования распределительных силовых щитов, а вот для преобразовательной техники он не подойдет совершенно. Как мы уже говорили ранее, для проводников силовых схем, должны быть минимальными не только их активные сопротивления (а значит, и длина проводников также должна быть минимальной), но также и значение распределенной паразитной индуктивности. Именно поэтому для статических преобразователей задача разработки хорошей топологии силовых связей превращается в ряд трудоемких операций с электрическими и конструктивными расчетами. Поясним на примере, почему так происходит и обозначим общие подходы к созданию приемлемой топологии.

На рис. 3.2.1 показан полумостовой каскад, работающий на индуктивную нагрузку. Для простоты пренебрежем значением паразитной индуктивности фильтрующего конденсатора С и выводов силовых транзисторов VT1 и VT2, оставив только паразитную распределенную индуктивность Ls силовых шин. Все перенапряжения и режимы, близкие к аварийным, появляются благодаря наличию тока ion открывания транзистора VT1 и тока закрывания /О^того же транзистора. Чтобы понять характер этих режимов, обратимся к рис. 3.2.2.

Рис. 3.2.1. К пояснению влияния паразитных параметров

В момент закрытия транзистора VT1 происходит падение тока iVTl через этот транзистор, но за счет наличия паразитной индуктивности Ls напряжение на транзисторе VT1, обозначенное как Uyj\, «подскакивает», причем величина «добавки» к напряжению питания Ucc окажется тем больше, чем быстрее происходит закрывание транзистора. Какие конструктивные меры обеспечат снижение паразитной индуктивности L?. Самый простой и очевидный способ — это как можно более близкое прилегание минусового и плюсового токоведущих проводников, в результате чего паразитные индуктивности будут скомпенсированы. Как это сделать, поясняет рис. 3.2.3. Конденсаторы фильтра низких частот группируются в блок и располагаются в непосредственной близости от выводов IGBT-транзисторов, а соединение между ними выполняется плоскими платами, прилегающими друг к другу через слой диэлектрика. Обе шины важно спроектировать как можно более одинаковыми, тогда несимметричные участки, которые и являются источником паразитных индуктивностей, сведутся к минимуму.

Рис. 3.2.3. Симметричная силовая шина

Но это далеко еще не все меры, которые можно применить, чтобы снизить величину паразитной индуктивности силовых шин. Как показано в работе [51], паразитную индуктивность можно также снизить, соответствующим образом ориентируя конденсаторы сетевого фильтра, а также составляя батарею конденсаторов из однотипных элементов с меньшим номиналом. Поясним сказанное на примере (рис. 3.2.4). Наиболее неудачным считается расположения выводов фильтрующего конденсатора перпендикулярно силовому току (рис. 3.2.4, а), так как в этом случае наблюдается несимметрия распределения элементарных токов по площади токоведущей шины. Как видно из рисунка, в этом случае образуется большая поверхность несимметрии элементарных токов (так называемая «токовая петля»), отстоящих друг от друга на значительные расстояния, а значит, не могущих взаимно компенсировать себя. Поэтому рекомендуется располагать токоведущие выводы параллельно силовому току, как показано на рис. 3.2.4, б — в этом слу-

Рис. 3.2.4. К пояснению наличия «токовой петли»

чае площадь «токовой петли» может быть сокращена в три раза, а, соответственно, в три раза упадет и величина паразитной индуктивности токоведущих проводников. Но это — еще не предел. Если «набрать» необходимую емкость из нескольких конденсаторов меньшей емкости, расположив их выводы также параллельно направлению силового тока (рис. 3.2.4, в), эта мера позволит снизить площадь «токовой петли» еще в два раза по сравнению с вариантом «б». Таким образом, только за счет правильного расположения фильтрующих конденсаторов и их разбивки на батарею, удастся уменьшить паразитную индуктивность в

6 раз! На рис. 3.2.5 показан принцип сборки силового узла статического преобразователя с применением симметричной силовой шины.

А можно ли еще каким-то образом понизить значение паразитной индуктивности? Оказывается — можно! Только для этого необходимо применитьтак называемую многослойную силовую шину (laminated bus bar). Такие шины только недавно появились на рынке компонентов силовой электроники, а поэтому отечественными разработчиками они используются пока в очень ограниченном объеме, но в ближайшем будущем без них невозможно будет создавать конкурентоспособную компактную преобразовательную технику с токами силовых цепей вдиапа-

Рис. 3.2.5. Применение симметричной силовой шины

зоне 30…3000 А. Физически многослойная силовая шина представляет собой спрессованные специальным диэлектриком слои силового питания и выходные шины, причем таким образом, чтобы «плюсовой» и «минусовой» силовые слои чередовались друг с другом (рис. 3.2.6). В итоге силовой ток распределяется равномерно между слоями, а верхние слои экранируют внутренние, не давая электромагнитным помехам выходить наружу. Кроме этого, в случае применения многослойных силовых шин их основные параметры (активное сопротивление, распределенная последовательная индуктивность, распределенная межслойная емкость, проводимость изолятора) уже заранее известны, так как измерены на заводе-изготовителе, и конструктору не придется «ломать голову» над построением адекватной модели паразитных параметров, а просто взять необходимые данные из технической документации. Надо ли говорить, что все параметры многослойных шин оптимизированы наилучшим образом, так как выполняются специалистами.

К сожалению, применение многослойных шин имеет свою неприятную обратную сторону. Эти изделия представляют собой продукт высоких технологий, изготавливаемый на специальном оборудовании [52], [53], [54], [55] и с применением специальных материалов (эпоксидные наполнители с высоким значением напряжения изоляции, специально обработанные марки медных листов и сплавов на основе меди с обеспечением высокой механической прочности [56]). На сайтах фирм-производителей имеются специальные интерактивные формы, с помощью которых можно сделать заказ на эту продукцию, указав число слоев, конфигурацию, электрические характеристики. Увы, позволить себе разместить заказ на такие высокотехнологичные шины могут только фирмы с большими объемами выпуска однотипной продукции, остальным же придется довольствоваться серийными вариантами, «подгоняя» под них компоновку силовой схемы. Понятно, что особенно актуальной эта проблема является для отечественного производства. К сожалению, автору на момент работы над книгой не удалось найти ни одной отечественной фирмы, которая занимается изготовлением ламинированных шин, поэтому данный сегмент рынка у нас в стране остается неохваченным. Но, тем не менее, осваивать эту технологию придется всем, кто хочет удержаться на рынке преобразовательной техники, а значит, можно предположить, что средства в отечественное производство ламинированных многослойных шин будут вложены.

Учитывая, что за ламинированными шинами большое будущее, приведем основные параметры, которые необходимо рассчитать для

На рис. 3.2.7 показан внешний вид многослойныхламинированных шин достаточно простой конфигурации. Современные технологии позволяют изготавливать также шины с достаточно сложной топологией, в том числе и пространственной — многочисленными изгибами, поворотами, отводами. Можно даже сказать, что в чем-то процесс создания топологии силовых шин приближается к процессу проектирования печатных плат, когда разработчик создает топологию печатной платы, а затем в электронном виде направляет файлы в производство, где они воплощаются в реальную продукцию автоматизированным способом.

Рис. 3.2.7. Внешний вид многослойных силовых шин

квалифицированного заказа их у производителя. При расчете основных параметров ламинированной многослойной шины удобно обратиться к рис. 3.2.8.

Рис. 3.2.8. К расчету основных параметров многослойной ламинированной

шины

Итак, исходными данными для шины являются:

а)           активное погонное сопротивление шины (в Ом/мм), рассчитанное по известной формуле (для температуры 20 °С):

где p — удельное сопротивление материала шины (выбирается из таблиц для материалов, предлагаемых производителем шины), Ом • мм;

А — сечение проводящего слоя шины, мм2.

Сечение проводящего слоя шины (в мм2) рассчитывается исходя из максимально-возможного тока шины /тах, числа слоев шины N по формуле

б)           активное погонное сопротивление при максимальной рабочей температуре:

где R^ — сопротивление при максимальной рабочей температуре;

Ti — нормальная температура (типовое значение — 20 °С);

72 — максимальная рабочая температура;

а — коэффициент теплового изменения сопротивления материала проводника.

в)           падение постоянного напряжения на шине (в Вольтах):

где / — длина шины.

г) значение распределенной емкости шины, пФ:

где а — относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика;

w — ширина шины;

d — расстояние между «плюсовой» и «минусовой» токоведущими шинами;

д)           распределенная паразитная индуктивность шины, нГн:

e)                       характеристический импеданс, Ом:

Характеристический импеданс шины очень важен для решения задач снижения электромагнитных помех: поскольку этот импеданс «действует» только на переменном токе, через него замыкаются все высокочастотные составляющие коммутационных токов, импульсные выбросы с малой длительностью. По сути, импеданс «съедает» эти помехи.

Чтобы завершить разговор о ламинированных шинах, приведем пример, красноречиво свидетельствующий о перспективах применения ламинированных многослойных шин в преобразовательной технике. Обратимся к рис. 3.2.9, на котором показаны: многослойная шина (рис. 3.2.9, а), двухпроводная шина с круглыми проводниками

(расположенные рядом монтажные провода, рис. 3.2.9, б) и двухпроводная шина с разнесенными круглыми проводниками (рис. 3.2.9, в). Все три случая рассчитаны для протекания постоянных токов одной величины. В табл. 3.2.1 сведены основные расчетные параметры.

Таблица 3.2.1. Сравнение разных вариантов токоведущих шин

Вариант исполнения токоведущей шины

С, пФ

L, нГн

Zo, Ом

Ламинированная многослойная шина

5

15,3

1,7

Бифилированные монтажные провода

32

686,0

160,0

Разнесенные монтажные провода

13

2,36

338,0

На рис. 3.2.10 показан график частотной зависимости значения характеристического импеданса для варианта многослойной шины (кривая «1»), двух расположенных рядом монтажных проводов (кривая «2») и разнесенных монтажных проводов (кривая «3»). Хорошо видно, что многослойная ламинированная шина «работает» на несколько порядков эффективнее других вариантов во всем диапазоне частот, которые актуальны для преобразовательной техники.

Рис. 3.2.10. Сравнение поведения импедансов при изменении частоты

До этого момента мы сознательно упростили ситуацию с описанием паразитных параметров силовой схемы статических преобразователей, чтобы рассказать о наиболее удачных вариантах создания топологии токоведущих силовых проводников. Сейчас мы расширим количество «паразитов», добавив их к схеме рис. 3.2.1. В результате у нас поучится схема, показанная на рис. 3.2.11. И не исключено, что в результате конструкторской проработки полной силовой схемы будет установлено, что какой-либо из элементов не сможет обеспечить нормальное функционирование преобразователя по величине своего паразитного параметра (даже если на этапе разработки электрической схемы элемент считался удовлетворительны), а значит, разработчику придется провести дополнительный поиск и найти адекватную замену. Поэтому не стоит впадать в панику, если эта проблема появляется только на стадии конструирования — такие ситуации в области разработки статических преобразователей случаются часто, к ним просто нужно привыкнуть.

Рис. 3.2.11. Полная схема паразитных параметров

Итак, полная схема паразитных параметров. Выглядит она на первый взгляд удручающей, а руки так и тянутся запустить какую-нибудь программу схемотехнического моделирования. Но давайте прежде всего разберемся, «что есть что» в этой схеме — так нам проще будет найти исходные данные для моделирования.

Конденсаторы C1 и C2 составляют входной сетевой фильтр, а их последовательное включение выполнено с целью обеспечить безопасное рабочее напряжение. Как мы выяснили в предыдущей главе, эти конденсаторы имеют также паразитное активное сопротивление (ESR), обозначенное здесь как RC1 (для конденсатора C1) и RC2 (для конденсатора C2). Кроме того, нам также уже знакомы паразитные индуктивные составляющие (ESL), обозначенные как LC1 и LC2. Взяв также из справочных данных величину тангенса угла потерь (tg 5), можно рассчитать величину эквивалентного импеданса конденсатора на любой частоте f:

Естественно, импеданс конденсатора должен быть как можно более низким, тогда и перенапряжения, возникающие на силовых транзисторных ключах, окажутся меньше. Но, как мы только что сказали, снизить величину паразитной индуктивности конденсаторов можно, только заменив конденсатор на другой тип, с более низким значением индуктивности. Вариант номер два, также рассмотренный нами ранее, — установка снабберных конденсаторов на силовые модули. Именно поэтому при проектировании топологии силовых шин конструктору имеет смысл оставить место под установку снабберных конденсаторов, если в процессе испытаний величина перенапряжений будет выше допустимой. Впрочем, лучше всего не экономить на этом полезном элементе и потребовать от разработчика электрической схемы их установки до разработки топологии.

Двигаемся дальше по схеме, минуя паразитную распределенную индуктивность силовых шин Ls, о которой мы говорили в этом самом разделе. Оставшиеся паразитные индуктивности и емкости являются принадлежностью силовых модулей, и приличные производители силовой элементной базы эти паразитные параметры указывают в технической документации. Индуктивности LEVTl и LEVT2 — так называемые «истоковые» (эмиттерные) паразитные индуктивности, которые при высокой скорости коммутации будут мешать быстрой перезарядке входных затворных емкостей. Чтобы исключить их влияние, в мощных силовых модулях предусматривается специальный вывод управляющего эмиттера (истока), а значит, никаких конструктивных мер по снижению данных паразитных параметров конструктору принимать не нужно — за него это сделали производители силовых модулей. Коллекторные индуктивности LCVT1 и LCVT2, анодные и катодные индуктивности LCVD1, LAVD1, LCVD2, LAVD2 особой опасности не представляют. Они, как правило, имеют небольшую величину. Емкости QjKi> ^cEi> Qjci> ^GK2> ССЕ2, CGC2, CVDi, CVDi также относятся к внутренним паразитным элементам силовых транзисторов, и разработчик силовой схемы никак на них повлиять не сможет, но в сочетании с коллекторными и эмиттерными индуктивностями эти емкости вызывают опасные колебательные процессы, из-за чего имеет смысл проводить моделирование схемы с их учетом.

Надеемся, что с методами снижения паразитных параметров в силовых схемах читатель разобрался (хотя бы в первом приближении). И в заключение этого раздела представим компоновочную схему статического преобразователя мощностью 5 МВт с жидкостным охлаждением. На рис. 3.2.12 показана элементарная ячейка преобразования, состоящая из полного моста на основе четырех IGBT-модулей. Co-

Рис. 3.2.12. Элементарная ячейка преобразователя мощностью 5 МВт

единения между модулями выполнены ламинированной многослойной шиной, а сами модули установлены на радиатор с системой прокачки жидкости. Справа от ячейки расположен охладитель жидкости, к которому крепится вентилятор. Мощность этой элементарной ячейки составляет 1,7 МВт, система охлаждения отводит мощность 10 кВт.

Шесть элементарных ячеек объединены в стойку (рис. 3.2.13) с помощью медных токоведущих одиночных шин. Размеры стойки: 2200 x 1200 x 600 мм, а ее мощность — те самые 5 МВт. Такого размера преобразователя при столь высокой номинальной мощности удалось добиться в том числе и благодаря рациональной компоновке, минимизировавшей паразитные параметры.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты