silovaelektronika052021

СИЛОВАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

ПРИВОДЫ

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

СИСТЕМЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

АВТОМОБИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

СОФТ

WWW.POWER E.RU

ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ К ЖУРНАЛУ

№ 5’2021 ОКТЯБРЬ

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ 12+

ISSN 2079-9322

Силовые модули на основе SiC для широкого спектра применений

Отечественная сборка Plug and Play на базе драйверного ядра ДР8/1700

реклама

Работа импульсных преобразователей с ШИМ контроллером в режиме перегрузки и КЗ на выходе

Электрические зарядные станции для электромобилей

реклама

реклама

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

В номере:

№ 5 (92)’2021 Главный редактор Павел Правосудов

pavel@fsmedia.ru

Зам. главного редактора Анна Соснина a.sosnina@mtu-net.ru Выпускающий редактор Наталья Новикова natalia.novikova@fsmedia.ru Технический консультант Андрей Колпаков Дизайн и верстка Дмитрий Никаноров dmitry.nikanorov@fsmedia.ru Отдел рекламы Ольга Зайцева Ирина Миленина

olga_z@fsmedia.ru irina@fsmedia.ru

Отдел подписки podpiska@fsmedia.ru Москва 115088, Москва, ул. Южнопортовая, д. 7, стр. Д, этаж 2 Тел. / Факс: +7 (495) 414-2132 Санкт-Петербург 197101, Санкт-Петербург, Петроградская наб., 34, лит. Б Тел. +7 (812) 467-4585 E-mail: compitech@fsmedia.ru www.power-e.ru Республика Беларусь «ПремьерЭлектрик» Минск, ул. Маяковского, 115, 7-й этаж Тел./факс: (10-37517) 297-3350, 297-3362 Подписной индекс Агентство «Урал-Пресс» 88471 «Почта России» П4213 Дата выхода в свет 22.10.21 Тираж 4000 экз. Свободная цена Журнал «Силовая электроника» зарегистрирован Управлением Федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций по Северо-Западному федеральному округу. Свидетельство о регистрации средства массовой информации ПИ № ТУ 78 - 01937 от 17.10.2016 г. Учредитель: ООО «Медиа Группа Файнстрит» Адрес редакции: 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34, литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Издатель: ООО «Медиа КиТ» 197101, СПб, Петроградская наб., д. 34, лит. Б, помещение 1-Н офис 321в

Силовая элементная база Константин Верхулевский

Резисторы Caddock — качество, проверенное временем . . . . . . . . . . . .6 Вячеслав Мускатиньев, Алексей Хапугин, Алексей Сабешкин, Наталья Мельникова, Светлана Иванова, Сергей Потапов, Александр Плотников, Алексей Гришанин, Валентин Мартыненко

Силовые блоки на основе мощных фототиристоров . . . . . . . . . . . . . .12 Андрей Третинко

Мощные SiC-MOSFET-модули в компактном корпусе нового поколения от японской компании SanRex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 Клайс Вогель, Ян Баурихтер, Витали Вайс, Кристиан Стенингер, Фабиан Северин Перевод: Евгений Карташов

Модули серии Infineon EconoDUAL 3 Black: хорошо известные преимущества и новые особенности . . . . . . . . . . .20 Рене Спенке, Нилс Солтау, Тору Матсуока, Виктор Толстопятов

Высокоэффективные силовые модули на основе SiC для широкого спектра применений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 Иохим Ламп Перевод и комментарии: Андрей Колпаков

Седьмое поколение IGBT в трехуровневых преобразователях. Часть 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 Сергей Мельник, Ярослав Вренев, Станислав Клейн

Отечественная сборка Plug-and-Play на базе драйверного ядра ДР8/1700 от АО «Ангстрем» . . . . . . . . . . . . .40 Джон Базинет Перевод: Михаил Русских

Мостовой контроллер со сдвигом фазы для высоковольтных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» 197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4.

Источники питания

Редакция не несет ответственности за информацию, приведенную в рекламных материалах. Полное или частичное воспроизведение материалов допускается с разрешения ООО «Медиа КиТ».

Анатолий Коршунов

Журнал включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ). На сайте Научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU (www.elibrary.ru) доступны полные тексты статей. Статьи из номеров журнала текущего года предоставляются на платной основе.

Анатолий Миронов

Возрастное ограничение 12+

Предельная непрерывная модель системы с периодическим высокочастотным изменением структуры. . . . . . . .48 Особенности работы импульсных преобразователей с ШИМ-контроллером в режиме перегрузки и короткого замыкания на выходе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52

реклама

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА № 5 (92)’2021

Михаэль Шрутка

Зачем источнику питания нужна шина данных? . . . . . . . . . . . . . . . . . .56 Editor-in-chief Pavel Pravosudov

Алексей Тифлов pavel@fsmedia.ru

Managing editor Natalia Novikova

Проблемы импортозамещения в производстве импульсных источников питания ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания» . . . .58

natalia.novikova@fsmedia.ru

Транспорт Technical editor

Андрей Тимофеев, Никита Балашенко

Andrey Kolpakov

Инфраструктура для электромобилей: электрические зарядные станции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62 Design and layout Dmitry Nikanorov

dmitry.nikanorov@fsmedia.ru

Питание РЭА Юрий Либенко, Алексей Воронцов

Advertising department Olga Zaytseva

olga_z@fsmedia.ru

Irina Milenina

irina@fsmedia.ru

Subscription department

Системы электропитания РЭА: пути повышения безотказности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

Список рекламы

podpiska@fsmedia.ru

Editorial office 115088, Russia, Moscow, Juzhnoportovaja, str. D, building 7 Tel./Fax: +7 (495) 414-2132

197101, Russia, St. Petersburg, Petrogradskaya Emb., b. 34 “B” Tel.

+7 (812) 467-4585

E-mail: compitech@fsmedia.ru www.power-e.ru/eng.php

Representative office in Belarus Minsk, Premier Electric Tel.: (10-37517) 297-3350, 297-3362 E-mail: murom@premier-electric.com

Microchip Limited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 Traco.Online . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 Вектор технолоджи, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 ВЗПП-С, АО. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65 Завод Снежеть, АО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-я обл. Компания Квест, ООО. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 ЛИГРА, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 Миландр ПКК, АО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 Протон-Электротекс ТД, АО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-я обл. СЕМИКРОН, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-я обл. Силовая Электроника, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 Симметрон, ЗАО. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19, 33 Элеконд, АО. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71 Электровыпрямитель, ПАО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 Элим СП, ООО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 Выставка «Securexpo» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71 Выставка «Интерпластика» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 Выставка «ЭкспоЭлектроника» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-я обл. Выставка «Электрические сети» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72 Выставка «Энергетика Урала» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 Форум «SEYMARTEC DIGITAL» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65

реклама

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Резисторы Caddock — качество, проверенное временем Несмотря на кажущуюся простоту, резисторы являются важными элементами многих электронных схем, от качества изготовления которых часто зависит надежность и срок службы проектируемого оборудования. Компания Caddock Electronics, имеющая более чем полувековую историю, предлагает широкую линейку резисторов и резисторных сборок в различном корпусном исполнении. В данной обзорной статье рассматриваются особенности отдельных серий, объединенных в группы в зависимости от назначения, ключевых характеристик и условий эксплуатации.

Константин Верхулевский

info@icquet.ru

Введение Caddock Electronics, основанная в 1962 году, специализируется на разработке и производстве резисторов и резисторных сборок различного назна-

чения. Продукция компании обладает широким диапазоном удельных сопротивлений, хорошей точностью, превосходной температурной и временной стабильностью параметров и повышенной надежностью в жестких условиях эксплуатации [1].

Рис. 1. Номенклатура резистивной продукции компании Caddock

6

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Некоторые изделия, представленные в настоящее время на рынке электронных компонентов, не имеют аналогов. Например, в ассортименте присутствуют резисторы, рассчитанные на рабочие напряжения вплоть до 48 кВ, длительную эксплуатацию при высоких температурах (до +275 °С) и высокую рассеиваемую мощность (до 100 Вт). Кроме серийных устройств, производитель предлагает разработку и соответствующее тестирование специализированных изделий, выполненных на основе требований заказчика. Заявленные характеристики гарантируются непрерывным контролем на всех стадиях производственного процесса и 100%-ными выходными испытаниями (электрическими и климатическими) с целью обнаружения дефектов и отбраковки изделий, не удовлетворяющих программе проверки качества. Используемые при производстве передовые технологии Micronox и Tetrinox обеспечивают исключительные технические характеристики и позволяют применять предлагаемые резисторы во многих видах высокотехнологичного оборудования специального назначения, в том числе в космической и военной аппаратуре. К популярным областям применения изделий Caddock относятся источники питания, оборудование широкополосной связи и передачи данных, медицинская и лабораторная аппаратура, силовые коммутирующие устройства, прецизионные измерительные цепи, системы автоматизированного контроля и т. д. На рис. 1 показана общая классификация всех выпускаемых устройств Caddock. Необходимо отметить, что отдельные серии резистивной продукции могут принадлежать к нескольким группам одновременно [2]. Токоизмерительные резисторы Как известно, токоизмерительные резисторы используются для прямого преобразования тока в напряжение с целью его дальнейшего измерения и контроля. Как правило, они представляют собой малогабаритные двухвыводные компоненты с низким собственным сопротивлением и малой паразитной индуктивностью. У компании Caddock данная группа представлена несколькими сериями, отличающимися друг от друга, прежде всего, номинальной рассеиваемой мощностью и, соответственно, вариантами корпусного исполнения. Их основные характеристики занесены в таблицу 1. Серии MP725, MP820, MP821, MP825, MP850, а также MP915, MP916, MP930 и MP9100 состоят из мощных пленочных резисторов, изготавливаемых на основе запатентованной технологии Micronox для получения минимального значения собственной индуктивности (не более 20 нГн). Выпускаются в изолированных керамических корпусах стандартных типоразмеров (TO-126, TO-220, TO-247 и D-Pak), снабженных дополнительной теплоотводящей площадкой для установки радиатора. Рекомендованы для применения совместно с микросхемами драйверов шаговых двигателей, в электроприводах, инверторах напряжеwww.power e.ru

Таблица 1. Основные параметры токоизмерительных резисторов Caddock Серия

Номинальная мощность, Вт

Диапазон сопротивлений (мин./макс.)

Точность, %

Диапазон рабочих температур, °C

Корпусное исполнение

MP725

25

0,02 Ом/1 Ом

±1; ±5; ±20

-55..+150

D-Pak

MP820

20

10 Ом/10 кОм

TO-220 –55…+175

MP821

20

0,02 Ом/9,99 кОм

MP825

25

0,02 Ом/10 кОм

TO-126

TO-220

MP850

50

0,2 Ом/10 кОм

TO-220

MP915

15

0,02 Ом/1 кОм

±1; ±5; ±20

MP916

16

0,01 Ом/0,019 Ом

±5; ±20

TO-220

MP930

30

0,02 Ом/4,99 кОм

±1; ±5; ±20

TO-220

MP9100

100

0,05 Ом/100 Ом

±1

–55…+175

TO-247

MP2060

18-60

0,005 Ом/1 кОм

±1; ±2; ±5

–55…+150

TO-220

MPM20

20

0,02 Ом/10 кОм

±0,5; ±1

–55…+175

TO-220

SR10

1

0,008 Ом/1 Ом

SR20

2

0,005 Ом/1 Ом

±0,5; ±1; ±5; ±20

–55…+150

TO-126

SR10 SR20 ±1

–55…+150

CC

0,75–1,5

0,01 Ом/10 Ом

чип 1512, 2015, 2520

CD

1–1,5

0,01 Ом/0,2 Ом

чип 2015, 2520

MV

1,5–10

0,1 Ом/50 Ом

ния и т. д. Величина температурного коэффициента сопротивления (ТКС) зависит от номиналов резисторов и варьируется от десятков до сотен ppm/°С. Выходные испытания проводятся в соответствии с требованиями стандарта MIL-STD-202. Аналогичное строение имеют резисторы серии MPM20, отличающиеся от других наличием позолоченных выводов и предназначенные для высокочастотных применений. Серия MP2060, рассчитанная на максимальную мощность 60 Вт и предельный рабочий ток 60 А, широко используется в высоковольтных коммутирующих цепях. Мощные резисторы способны надежно функционировать при импульсных перенапряжениях, корпусное исполнение по огнестойкости соответствует оценке UL 94 V0. Маломощные резисторы серий SR10 и SR20, доступные в миниатюрных корпусах с однорядным расположением выводов, построены по схеме Кельвина (рис. 2). Четырехвыводная конструкция, в которой ток проходит через две клеммы, а напряжение контролируется на двух оставшихся контактах, уменьшает

±1; ±5; ±10

–55…+275

с аксиальными выводами

влияние температурной погрешности и значительно повышает стабильность измерения. Ряд номиналов начинается от 5 мОм, а рассеиваемая мощность не превышает 2 Вт. Прецизионные токоизмерительные чипрезисторы серий CC и CD выпускаются в планарных корпусах типоразмеров 1512, 2015 и 2520. Являются хорошим выбором для применения в импульсных источниках питания. Устройства серии MV в цилиндрических корпусах с аксиальными выводами предназначены для монтажа в отверстия на печатной плате. Их ключевое отличие — возможность эксплуатации при высоких температурах вплоть до +275 °С. Габаритные параметры определяются максимальной рассеиваемой мощностью (пять номиналов). Мощные пленочные резисторы Помимо рассмотренных ранее изделий серий MP, MPM и MV, в данную группу входят устройства серий MK и MS. Семейство MK включает безындукционные резисторы

Рис. 2. Корпусное исполнение резисторов серий SR10 и SR20

7

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

от воздействия окружающей среды путем нанесения защитных покрытий. Прецизионные высоковольтные резисторы и резисторные сборки

Рис. 3. Внешний вид резисторов серии MK

с расширенным диапазоном номинальных сопротивлений (1 Ом — 100 МОм). Типовая погрешность сопротивления составляет ±1%, по запросу возможна поставка изделий с точностью ±0,1%. Также следует отметить достаточно низкий температурный коэффициент, не более 80 ppm/°С даже у самой верхней границы доступного диапазона. Изменение номинального сопротивления не превышает 0,1% на каждые 1000 ч эксплуатации при рабочих температурах –40…+150 °С. Компактные корпуса с радиальными выводами, предназначенные для сквозного монтажа, упрощают компоновку электронных компонентов на плате (рис. 3). Серия MS представляет собой высоковольтную версию устройств серии MV. Пленочные резисторы в корпусах с аксиальными выводами рассчитаны на максимальную мощность 22 Вт и рабочие напряжения до 6 кВ. В рамках серии для заказа доступны 18 моделей, отличающиеся массогабаритными показателями и рядом номинальных сопротивлений (в диапазоне 20 Ом — 30 МОм с начальной

погрешностью 0,1 или 1%). Стабильность сопротивления по результатам тестов составляет 0,05% на 1000 ч эксплуатации при температурах вплоть до +275 °С. При производстве компонентов данного типа на цилиндрическое основание, выполненное из керамики, методом трафаретной печати наносится резистивный слой из специальных проводящих паст (рис. 4). Установка номинала резистора выполняется регулировкой формы резистивного материала. Сформированный отпечаток обжигается в конвейерной печи при температуре +760 °С, после чего образуется гетерогенный монолитный слой с необходимым комплексом резистивных параметров. Металлические колпачки, монтируемые на торцах заготовок, и привариваемые к ним выводы определенной длины обеспечивают электрический контакт резистивного слоя и внешней электрической схемы. Далее производится корректировка сборной конструкции при помощи лазерной подгонки для получения заданной величины сопротивления. На последнем этапе компонент изолируется

Основные характеристики элементов данной группы представлены в таблице 2. Компоненты серий MG, TG, USG и MX5xx представляют собой высоковольтные дискретные резисторы с аксиальными выводами. Их конструкция была рассмотрена выше. Рассчитанные на рабочие напряжения до десятков кВ и устойчивые к значительным импульсным перегрузкам, они широко применяются в делителях напряжения, в зарядных и разрядных цепях и многих других высоковольтных схемах. Серия MG состоит из пленочных резисторов, предназначенных для работы в схемах с рабочими напряжениями 600 В — 48 кВ. Отличается хорошей стабильностью характеристик: например, пятикратная перегрузка по мощности в течение 5 с (при рабочем напряжении не более 150% от максимального) вызовет уход сопротивления не более 0,8%. В пределах серии доступны 23 модели, различающиеся диапазоном номинальных сопротивлений, допустимым уровнем рассеиваемой мощности (0,5–15 Вт) и габаритными размерами (от 8,0×2,4 мм до 152,4×8,9 мм). Серия TG содержит резисторы с номиналами 1–1000 МОм и точностью от ±0,1 до ±1,0%. Для получения низких значений ТКС в широком диапазоне рабочих температур компоненты серии производятся с применением проверенной технологии Tetrinox. Величина данного параметра для всех моделей не превышает 25 ppm/°C, что гарантирует стабильность функционирования при нагреве, вызванном протеканием тока. Оценочная погрешность сопротивления, возникающая при длительной эксплуатации и вызванная воздействием факторов внешней среды, составляет 0,25% на 1000 ч при +125 °C. Максимальная температура эксплуатации резисторов серий MG и TG составляет +225 °С, что позволяет также отнести их к высокотемпературным компонентам и применять в скважинном оборудовании различного назначения. Ультрастабильные прецизионные резисторы серии USG, предназначенные для эксплуатации в промышленном диапазоне рабочих температур (–40…+85 °C), отличаются

Таблица 2. Основные параметры прецизионных высоковольтных компонентов Caddock

Рис. 4. Типовая конструкция резисторов с аксиальными выводами компании Caddock

8

Серия

Номинальная мощность, Вт

Диапазон рабочих напряжений, В

Диапазон сопротивлений (мин./макс.)

Точность, %

ТКС, ppm/°C

MG

0,5–15

600–48000

200 Ом/10000 МОм

±0,1; ±0,25; ±0,5; ±1

80

TG

1–6

4000–48000

1 МОм/1000 МОм

±0,1; ±1

25

Диапазон рабочих температур, °C –55…+225

USG

–

5000–15000

50 МОм/200 МОм

±0,1; ±0,2

10–20

–40…+85

MX5xx

2–10

7500–32000

1 МОм/1000 МОм

±1

80

0….+70

HVD

–

1500–5000

10 МОм/50 МОм

±0,05

5

USVD

–

450–2000

1 МОм/20 МОм

±0,01

2

USGS

–

30000–50000

300 МОм/500 МОм

±0,1

5

USF

0,33; 0,75

300–2500

50 Ом/25 МОм

±0,01; ±0,1

2–5

THV

–

10000–15000

100 МОм/150 МОм

±0,25; ±0,5; ±1

10–25

www.power e.ru

–40…+85

–55…+125

Силовая электроника, № 5’2021

Рис. 5. Внешний вид резисторов серии USF3xx

еще более низким температурным коэффициентом (10 или 20 ppm/°C). Компоненты серии рассчитаны на рабочие напряжения 5, 10 или 15 кВ и выпускаются в корпусах трех типоразмеров. При необходимости возможна разработка под заказ устройств с более высокими допустимыми напряжениями, например 50 или 100 кВ. Номиналы резисторов ограничены пятью значениями сопротивлений: 50, 75, 100, 150 и 200 МОм, при этом их начальная погрешность не превышает 0,2%. Компоненты серии MX5xx с максимальными рабочими напряжениями 7,5–32 кВ представляют собой резисторы бюджетного типа, адаптированные под коммерческий диапазон температур (0…+70 °C). Семь доступных моделей мощностью 2–10 Вт и диапазоном сопротивлений 1–1000 МОм обладают эффективным соотношением цена/качество. Безындукционное исполнение в соответствии с технологией Micronox минимизирует потери на высоких частотах. Температурный коэффициент сопротивления повышен до 80 ppm/°C при рабочих температурах 0…+70 °C. Серия USF объединяет ультрастабильные пленочные дискретные резисторы с радиальными выводами. Их ключевая особенность — низкий температурный коэффициент и высокая точность. Серия разработана для использования в прецизионных аналоговых цепях (измерительных мостах, усилителях, делителях напряжения) и других схемах с рабочими напряжениями до 2500 В. В настоящее время доступны компоненты с номиналами из диапазона 50 Ом — 25 МОм и допуском ±0,01 или ±0,1%. Резисторы изготавливаются с применением оксидалюминиевой (Al2O3) высококачественной керамики с большой удельной теплопроводностью, используемой в качестве подложки (рис. 5). Такая особенность позволяет эффективно отводить тепло, вызванное рассеиваемой мощностью, от резистивного материала. Серия USF условно подразделяется на USF2xx и USF3xx, отличающиеся величиной температурного коэффициента — 2 и 5 ppm/°C соответственно. Компоненты USF2xx образуются путем объединения двух отдельных резисторов из серии USF3xx. Двухслойная конструкция незначительно увеличивает толщину изделия, при этом добавляется еще один ряд выводов, расположенный на расстоянии 5,08 мм от первого. Полученная www.power e.ru

Силовая элементная база

Рис. 6. Внешний вид делителей напряжения серий HVD и USVD

сборка может использоваться, например, в качестве делителя напряжения (при добавлении внешнего соединения на печатной плате). Резисторные сборки Caddock представляют собой два или более резисторов, объединенных в одном корпусе в той или иной конфигурации. Они позволяют экономить площадь печатной платы, уменьшают число компонентов в схеме и количество точек пайки. Устройства серий HVD, USVD, USGS, USFS и THV изготавливаются в плоских керамических корпусах типа SIP с однорядным расположением выводов. Ультрапрецизионные делители напряжения серий HVD и USVD предназначены для эксплуатации в цепях с рабочими напряжениями 1500–5000 и 450– 2000 В соответственно. Резисторы серии HVD с погрешностью не более 0,05% и температурным коэффициентом 5 ppm/°C оптимальны для применения в высококачественных медицинских приборах и лабораторном оборудовании. Делители напряжения USVD обладают коэффициентами деления 100:1 и 1000:1 и получаются в результате объединения двух резисторов серии USF, погрешность сопротивления при этом не превышает 0,01% (рис. 6). Диапазон рабочих температур –40…+85 °C. Серия USGS содержит наборы из трех или пяти специально подобранных дискретных резисторов USG1110. Предназначенные для

последовательного соединения в высоковольтных применениях, они гарантируют общий температурный коэффициент не более 5 ppm/°C. Рассчитаны на напряжения до 50 кВ постоянного тока, полное сопротивление сборок составляет 300 или 500 МОм (±0,1%) соответственно. Для получения более высоких значений сопротивления несколько резисторных сборок USGS могут быть включены последовательно. Аналогичное назначение имеют ультрастабильные наборы резисторов повышенной точности, относящиеся к серии USFS. Они состоят из трех или пяти резисторов USF370 или USF371, имеют полное сопротивление 30, 50 или 100 МОм, при этом погрешность всей сборки не превышает ±0,1%. В зависимости от числа резисторов рабочее напряжение составляет 3 или 5 кВ постоянного тока, величина ТКС — 2 ppm/°C. Высоковольтные делители напряжения серии THV позиционируются для применения в радиолокационных станциях, рентгеновской аппаратуре, источниках питания на лампах бегущей волны и т. д. Серия включает две модели с номинальными значениями рабочих напряжений 10 или 15 кВ постоянного тока. Температурный коэффициент на выбор 10 или 25 ppm/°C при рабочих температурах –55…+125 °C, абсолютная погрешность

Рис. 7. Внешний вид делителей напряжения серии THV

9

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Специализированные резисторные сборки

Рис. 8. Внешний вид резисторов серии TF

сопротивления не превышает 1%. Герметичный корпус прямоугольной формы имеет толщину всего 3 мм и три вывода, пригодных для пайки (рис. 7). Прецизионные резисторы и резисторные сборки с низким ТКС Помимо ранее рассмотренных семейств USF, USFS, USG и USGS, к данной группе относятся устройства серий TF и TK. Серия TF представлена ультрапрецизионными пленочными резисторами с ТКС не более 5 ppm/°C и начальной погрешностью до ±0,01%. Предназначены для эксплуатации в цепях с рабочими напряжениями до 1,4 кВ. Для заказа доступны модели со стандартным

или расширенным диапазоном сопротивлений: 1 кОм — 10 МОм и 2–125 МОм соответственно. Каждый номинал выпускается в прямоугольных керамических корпусах с аксиальным или радиальным расположением выводов (рис. 8). Выводы — медные, покрытые оловом. Изменение сопротивления во время жизненного цикла составляет не более 0,03% за 1000 ч работы при температуре +70 °C. ТКС прецизионных резисторов серии TK зависит от номинала компонента и принимает значения 5–10 ppm/°C для диапазона 1 кОм — 1,5 МОм и 10–20 ppm/°C для 1,51–10 МОм (при температурах эксплуатации –40…+125 °C). Корпусное исполнение соответствует резисторам серии MK.

В данной группе следует отметить новые резисторные сборки серии VMN, устойчивые к воздействию электрических импульсов с величиной напряжения до 10 кВ и длительностью 1,2/50 мкс. Они сконструированы для использования в качестве делителей напряжения в промышленных и коммерческих устройствах измерения потребления и определения качества электроэнергии, а также в другом силовом и энергетическом оборудовании, требующем высокоточного контроля напряжения. Изготавливаются с применением технологии Tetrinox, гарантирующей высокую точность номинала. Использование многослойной керамической конструкции обеспечивает долгосрочную стабильность сопротивления, особенно в жестких условиях окружающей среды (рис. 9). Общее сопротивление двух последовательно включенных резисторов в зависимости от модели составляет 2 или 5 МОм, а коэффициент деления 400:1 или 500:1. Максимально допустимое рабочее напряжение не должно превышать 900 В (среднеквадратичное значение). Погрешность установки номинала выбирается из двух значений: 0,02 или 0,1%. Прецизионные малогабаритные декадные резисторные делители из серии 1776 предназначены для цифровых мультиметров, многодиапазонной аппаратуры и многих других устройств. Тридцать девять стандартных моделей с количеством декад 3–5, коэффициентами деления от 10:1 до 10000:1 и максимальным рабочим напряжением 1200 В позволяют выбрать подходящее решение. Корпусное исполнение, аналогичное устройствам серии VMN, обеспечивает простоту монтажа. Все делители стабильно функционируют в диапазоне температур –40…+85 °C, абсолютное значение ТКС находится в пределах 25–50 ppm/°C. Заключение Компания Caddock выпускает широкий ассортимент резисторов и резисторных сборок. Высоковольтные, высокотемпературные или прецизионные компоненты с низким температурным коэффициентом и высокой точностью, рассчитанные на различную мощность и условия эксплуатации, подходят для большинства современных применений. Отличная техническая поддержка и подробная документация, доступная для каждого семейства, позволяют сделать оптимальный по соотношению цена/ качество выбор. Литература

Рис. 9. Внешний вид резисторных сборок серии VMN

10

1. Официальный сайт компании Caddock Electronics. www.caddock.com/index.html 2. Caddock high performance film resistors.

Product overview. www.caddock.com/Online_ catalog/Mrktg_Lit/overview.pdf www.power e.ru

реклама

реклама

Силовая электроника, № 5’2021

www.power e.ru

11

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Силовые блоки на основе мощных фототиристоров Статья продолжает цикл публикаций, посвященных силовым блокам на основе отечественных фототиристоров [1]. Представлены результаты разработок и примеры конструирования высоковольтных коммутаторов тока для импульсных применений.

Вячеслав Мускатиньев Алексей Хапугин Алексей Сабешкин Наталья Мельникова Светлана Иванова Сергей Потапов Александр Плотников Алексей Гришанин Валентин Мартыненко

12

Введение В последние 25 лет в области силовой полупроводниковой электроники важное место занимают твердотельные ключи для импульсных применений. Они изготавливаются в виде быстродействующих высоковольтных коммутаторов на основе мощных силовых полупроводниковых приборов (СПП), способных переключать импульсные токи амплитудой десятки и сотни килоампер в микросекундном и субмиллисекундном диапазонах. Некоторые направления использования высоковольтных импульсных коммутаторов в импульсной энергетике: 1. Лазерная техника: – генераторы импульсов тока для импульсного питания источников света в системах накачки лазерных сред; – генераторы импульсов тока и напряжения для формирования объемных разрядов в лазерных средах.

2. Электрофизические установки (промышленные и научно-исследовательские): – ускорители элементарных частиц; – установки для исследований электрического ускорения твердых тел; – установки для получения сверхсильных магнитных полей (в том числе системы питания и защиты обмоток токамаков); – установки для электроразрядной очистки индустриальных газовых выбросов и сточных вод; – установки для магнитоимпульсной обработки металлов; – установки высокочастотного индукционного нагрева. В качестве источника импульсных токов распространение получили емкостные накопители энергии. Несмотря на довольно низкую плотность запасаемой энергии по сравнению с другими типами накопителей (индуктивные, электромашинные), они характеризуются рядом преимуществ: • удобство и простота в эксплуатации; • возможность изменения в широких пределах параметров импульса разрядного тока; • способность работать на разные типы нагрузок с высокой эффективностью передачи накопленной энергии [2]. Специфика высоких напряжений в мощной импульсной технике резко сужает границы и номенкла-

туру применяемой электронной компонентной базы. Поэтому одной из главных задач при создании твердотельных ключей является правильный выбор силовых полупроводниковых приборов (СПП) и разработка надежных малогабаритных конструкций коммутаторов тока. При современном уровне развития элементной базы переход к СПП представляется предпочтительным по сравнению с газоразрядными приборами. Полупроводниковые коммутаторы используют СПП промышленного изготовления, технология производства которых хорошо отработана. Мощные полупроводниковые приборы таблеточной конструкции легко соединяются последовательно в единой сборке, что может обеспечивать рабочее напряжение коммутатора до 100 кВ. Полупроводниковые коммутаторы не допускают пропусков срабатываний, отличаются большим сроком службы, экологической безопасностью, а также невосприимчивостью к положению в пространстве. При разработке конструкции силовых блоков исходят из ряда условий, удовлетворяющих требованиям надежности, простоты и стоимости законченного изделия. При необходимости получения импульсных коммутаторов на высокие напряжения и коммутируемые импульсные токи наиболее оптимальна организация силовых блоков в виде столбов с последовательным соединением СПП. При этом для высоковольтных применений одной из важных задач остается гальваническая развязка силовой части схемы от системы управления. Для емкостных накопителей энергии с временами разрядного процесса порядка долей и единиц миллисекунд на токи до 150 кА напряжением до 50 кВ предпочтительным решением становятся силовые блоки на основе фототиристоров. Фототиристоры импульсные Целесообразность использования фототиристоров в схемах с последовательным соединением СПП обусловлена рядом их особенностей: высокой нагрузочной и перегрузочной способностью; точным временным контролем включения группы приборов; высоковольтной гальванической развязкой между цепью управления и силовой схемой преобразователя; стойкостью к электромагнитным помехам, которые могут приводить к ложным включениям (особенно в системах, где неизбежны длинные кабели управления); устойчивостью к лавинным перегрузкам (осоwww.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Таблица 1. Основные характеристики фототиристоров Тип

VDRM, VRRM

VD, VR

ITRM, sin 180° эл. град. tp = 700 мкс

tp = 10 мс

VT(TO)

rT

(diT/dt)cr

В

В

кА

кА

В

мОм

ТФИ183-2000

6000–6500

4000–4500

65

20

1,2

0,39

ТФИ193-2000

7000–7200

5000

80

25

1,22

0,39

ТФИ193-2500

4200–4600

3000

100

30

1,15

0,18

бенно в режимах динамической лавины) и т. д. Они легко управляются инфракрасным светом с оптической мощностью несколько десятков милливатт. В линейке серийно выпускаемых фототиристоров три исполнения на импульсные токи до 100 кА, напряжение до 7200 В [3–5]. В таблице 1 представлены их основные характеристики, а на рис. 1 приведены фотографии фототиристоров. Особенность работы фототиристоров в импульсных режимах связана с коммутацией одиночных или редко повторяющихся импульсов тока с амплитудой, близкой к максимально допустимым значениям ударных токов. Это приводит к выделению большого количества тепла в полупроводниковой структуре прибора, что ограничивает его коммутирующую способность. При работе высоковольтных фототиристоров на коротких импульсах тока (менее 1 мс) необходимо учитывать и потери, связанные с распространением включенного состояния, которое из-за физических особенностей приборов не происходит одновременно по всей площади полупроводниковой структуры. Это дополнительно накладывает ограничения по амплитуде импульсного тока ITRM. Время полного включения тиристоров и нагрузочная способность по току зависят от электрофизических свойств кремниевой структуры, топологии управляющего электрода и катодного эмиттера. Топология и концентрационный профиль распределения примеси кристаллов импульсных фототиристоров оптимизированы для обеспечения минимального времени включения и максимальных скоростей нарастания тока diT/dt. Для каждого конкретного случая применения фототиристоров в силовых коммутаторах проводится моделирование электрических и тепловых переходных процессов, с учетом режимов их работы в емкостных накопителях энергии. Применяемые методы основаны на расчетах температуры кремниевой структуры исходя из заданного интеграла действия импульса тока. Предельное значение токовой нагрузки прибора определяется в момент появления термогенерационного пика на осциллограмме

Рис. 1. Фототиристоры импульсные серии ТФИ

www.power e.ru

f = 1 Гц

f = 50 Гц

A/мкс

A/мкс

5000

tq мкс 800

1000

630

прямого падения напряжения. Фототиристоры для комплектации блоков проходят 100%-ный контроль, включая испытания на устойчивость к динамической лавине, как по отдельности, так и в составе блоков, на испытательном стенде собственной разработки [4]. Блок коммутатора для проекта ИТЭР Один из главных критериев правильной конструкции высоковольтных блоков — обеспечение однородности давления в контактах СПП. Для оптимального выбора конструкции деталей и узлов зажимного устройства предварительно проводятся его моделирование и расчет. По результатам расчетов определяется наиболее подходящий вариант конструкции зажимного устройства силового блока, обеспечивающий однородное распределение контактного давления как по площади каждого СПП, так и между последовательно соединенными приборами. Ниже приведен пример расчета системы прижима силового блока из шести фототиристоров ТФИ1932500-42 с применением оптимально выбранных конструкций нижней усеченной опоры и верхнего распределителя давления конусообразной формы. На рис. 2 показаны результаты распределения контактного давления на каждом СПП высоковольтного блока БК6ТФИ-100000-12,0-Е,

(dvD/dt)cr

Rth(j-c)

Габариты корпуса Dmax/Dcont/H

В/мкс

°C/Вт

мм

1000–2000

0,0078

120/86/35

1000

0,0067

147/100/40

1600–2000

0,0065

147/100/40

полученные в ходе моделирования. Видно, что с выбранными опорами контактное давление в сборке однородно как по контактной площади фототиристоров, так и между шестью приборами, составляющими высоковольтную сборку. Конструкция данного блока обеспечивает также способность выдерживать синусоидальную вибрацию в диапазоне частот 2–10 Гц с максимальной амплитудой ускорения перпендикулярно оси блоков 0,3g и вдоль оси блоков 2g. Система прижима при помощи тарельчатых пружин и шпилек из изоляционного композиционного материала высокой прочности позволяет соединять в столб до 15 фототиристоров или других таблеточных СПП и обеспечивать равномерное распределение усилия сжатия между ними. Последовательное соединение СПП позволяет повысить надежность силовых ключей посредством реализации принципа «N + 1». В зависимости от требований заказчика возможно закладывать различный коэффициент запаса по рабочему напряжению. Силовые блоки БК6ТФИ-100000-12,0-Е предназначены для коммутации импульсного тока 100000 А, с номинальным постоянным напряжением 12 кВ, с естественным воздушным охлаждением. Основные параметры блока приведены в таблице 2, внешний вид блока

Таблица 2. Основные характеристики БК6ТФИ'100000'12,0'Е Наименование параметра, режимы испытаний

Значение

Номинальное постоянное напряжение, VD, VR, кВ

12

Амплитуда импульса тока, ITRM, кА

100

Длительность импульса тока (полуволна), tp, мс

0,7

Максимальная скорость нарастания тока при включении (diT/dt), А/мкс

500

Интеграл действия тока в импульсе, i2t, А2с

2,3 106

Класс изоляции относительно заземленной конструкции, Visol, кВ

28

Температура окружающей среды, °С: максимально допустимая минимально допустимая

+40 +5

Температура хранения, °С: максимально допустимая минимально допустимая

+60 –30

Вид охлаждения

Воздушное естественное

Габаритные размеры, не более, мм

640 330 310

Масса, не более, кг

65

Рис. 2. Результаты расчета распределения давления между фототиристорами в силовом блоке при усилии сжатия 100 кН

13

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Таблица 3. Основные характеристики платы драйвера блока БК6ТФИ'100000'12,0 Е

Рис. 3. Блок БК6ТФИ'100000'12,0'Е

представлен на рис. 3, структурная схема силового блока — на рис. 4. Для надежной эксплуатации коммутаторов при больших токах и высоких напряжениях следует учитывать особенности работы фототиристоров [7] и обеспечивать: • форсированное включение последовательно соединенных приборов; • подавление импульсных перенапряжений, возникающих при запирании фототиристоров или при обрыве тока в нагрузке. Форсирование включения фототиристоров достигается подключением RC-цепи парал-

Наименование параметра, режимы испытаний

Значение

Сигнал запуска драйвера

оптический, электронный

Мощность оптического излучения драйвера, PL, мВт

200–350

Тип оптоволоконного кабеля

QQ WF 205/230

Габаритные размеры, мм

260 230 36

Масса, не более, кг

2

Напряжение питания, В

24

лельно каждому прибору. Для подавления импульсных перенапряжений при обратном восстановлении фототиристоров применяются RCD-снабберы. Блок оснащен платами запуска фототиристоров. Управление фототиристорами в блоке обеспечивается драйверами собственной разработки, основные параметры которых приведены в таблице 3. Панель драйвера соединена с блоком коммутатора многомодовым оптоволоконным кабелем 200/230 мкм с двумя ST-коннекторами на концах. На панели драйвера через разъем ХТ1–ХТ2 подается напряжение питания оптических излучателей ИЛ-1М и преобразователя напряжения 24/+5 В, питающее схему логики и индикации панели драйвера. Запуск панели драйвера производится сигналом через оптоприемник U2 «Пуск оптический» или сигналом через разъем ХТ3 «Пуск инжекционный» (витая пара). Схема панели драйвера формирует импульс управления длительностью 10 мкс, размножает его на шесть разовых импульсов и синхронно подает их через разъемы Х7–Х12 на входы шести лазерных излучателей А1–А6, которые включают фототиристоры блока. Связь излучателей с фототиристорами оптическая по многомодовым кабелям через адаптеры ST. Панель драйвера имеет в своем составе схему контроля временного снижения

оптической мощности импульсов излучения до заданного опорного уровня и световую индикацию наличия прохождения их в течение 2 с оптоизлучателем U3 «Сигнал». Возврат схемы панели драйвера в исходное состояние после прохождения импульса запуска осуществляется автоматически. Со стороны анода и катода высоковольтного блока расположены силовые шины, предназначенные для подключения блока к внешней коммутируемой цепи. Блоки БК6ТФИ-10000012,0 Е также обеспечивают работоспособность при воздействии радиационного фона в местах их размещения: вид излучения — гамма-кванты с энергией кванта — 6,5 МэВ; максимальная интенсивность излучения — 0,01 Гр/ч; суммарная доза за период эксплуатации — 47 Гр. Силовые блоки БК6ТФИ-100000-12,0 Е применены в коммутирующем оборудовании для конденсаторных батарей термоядерного реактора мощностью 500 МВт, строительство которого ведется по международному проекту ИТЭР. Конденсаторные батареи предназначены для создания импульса противотока в вакуумных прерывателях двух ступенчатых мощных контакторов. Эти контакторы являются частью системы питания сверхпроводящих катушек ИТЭР и обеспечивают быстрый разряд энергии магнитного поля

Рис. 4. Структурная схема блока БК6ТФИ'100000'12,0'Е

14

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

сверхпроводящих катушек посредством включения в контур катушек разрядных резисторов. Сверхпроводящие катушки ИТЭР запасают значительную энергию (несколько ГДж), и от конденсаторной батареи противотока должен быть сформирован импульс тока не менее 70 кА длительностью порядка 600 мкс при начальном напряжении заряда до 10 кВ. После прохождения импульса тока разрядный ключ конденсаторной батареи закрывается, и высокое напряжение, превышающее начальное напряжение заряда, прикладывается к разрядному ключу [7]. Линейка силовых блоков на фототиристорах Используя подходы в разработке и проектировании, описанные в предыдущей главе, а также накопленный опыт в изготовлении коммутаторов для импульсных применений, специалисты компании реализовали ряд проектов по техническим требованиям потребителей. В результате создана линейка силовых блоков на основе импульсных фототиристоров [8]. Ниже представлена информация по выборке из линейки разработанных блоков с указанием их основных параметров (табл. 4). Все представленные блоки обеспечивают работоспособность с заданными параметрами при естественном воздушном охлаждении. Конструкция блока БК3ТФИ2Д-100000-7,0-Е на основе трех импульсных фототиристоров и двух кроубарных диодов рассчитана на эксплуатацию в составе емкостного накопителя

энергии 120 кДж с высокой плотностью энергии (до 0,4 Дж/см3). При проектировании блока учитывался возможный режим работы конденсаторной ячейки: обрыв тока в нагрузке. В комплект блока входит трехканальная плата драйвера управления фототиристорами. Силовой блок БК5ТФИ-20000-24,0-Е отличает стойкость к аварийным импульсам тока амплитудой 40 кА длительностью не более 2 мс. Заключение Силовые блоки на основе мощных фототиристоров представляют собой один из вариантов оптимального решения для комплектации высоковольтного коммутирующего оборудования емкостных накопителей энергии. Описанные в статье исполнения силовых блоков — это лишь примеры, не ограничивающие многообразие вариантов компоновки и параметров блоков. Представленные результаты являются платформой в создании новых надежных высоковольтных коммутаторов для импульсных применений, которые могут быть спроектированы в соответствии с задачами потребителя.

2. Еникеев Р. Ш. Переходные процессы в емкостных накопителях энергии с полупроводниковыми коммутаторами. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, СПб, 2011.

3. Chibirkin V., Martynenko V., Khapugin A., Konuchov A., Tundykov S., Grishanin A., Enikeev R., Serebrov R. Development and Investigations of Light Triggered Thyristors for Pulse Application. PCIM Europe, 17–19 May 2011. Nueremberg, Germany, 2011.

4. Хапугин А., Плотников А., Мартыненко В., Гришанин А., Кострицкий С., Картаев В. Исследования мощных фототиристоров в предельных импульсных режимах // Силовая электроника. 2019. № 3.

5. wwww.elvpr.ru 6. Serebrov R. A., Fridman B. E., Khapugin F. F., Martynenko V. A. Development and Research of Heavy Pulse Current LTT Switch // EEE Transactions on Plasma Science. 2016.

Vol. 44.

7. Fridman B., Enikeev R., Kharcheva K., Kovrizhnykh N., Serebrov R. Counter pulse capacitor bank for 70kA, 10 kV commutation systems. IEEE Pulsed Power Conference, 16–22 June 2013, San Francisco, USA. 8. wwww.ao-elpress.ru

Литература 1. Сабешкин А., Мускатиньев В., Гришанин А., Елисеев В., Иванова С., Потапов С., Аширов Р., Немаев Д. Силовые блоки на основе тиристоров и фототиристоров для промышленных применений // Силовая электроника. 2012. № 1.

Таблица 4. Краткие характеристики блоков коммутаторов на основе импульсных фототиристоров Параметр

БК1ТФИ-20000-2,5-Е

БК3ТФИ2Д-100000-7,0-Е

БК5ТФИ-20000-24,0-Е

Максимальное напряжение, кВ, не более

2,5

7

24

Максимальный импульсный ток, кА, не более

20

100

20

Длительность полуволны разрядного импульса, мс

19,3

0,6

1

Частота повторения импульсов, мин-1, не более

1/30

1/10

1

Габаритные размеры, мм, не более

300 360 360

390 390 235

450 260 220

Внешний вид

рис. 5

рис. 6

рис. 7

Рис. 5. Силовой блок БК1ТФИ'20000'2,5'Е с одноканальным драйвером управления

www.power e.ru

Рис. 6. Силовой блок БК3ТФИ2Д'100000'7,0'Е

Рис. 7. Силовой блок БК5ТФИ'20000'24,0'Е

15

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Мощные SiC-MOSFET-модули в компактном корпусе нового поколения от японской компании SanRex Огромный толчок в развитии современной преобразовательной техники произошел благодаря внедрению в массовое производство полупроводниковых материалов на основе карбида кремния, использование которого позволяет выйти устройствам на новый уровень за счет улучшения энергетических качеств, увеличения КПД и удельной мощности, а также уменьшения массогабаритных показателей. В статье рассмотрены решения компании SanRex в области карбид кремниевой силовой электроники.

Андрей Третинко

atretinko@ultran.ru

S

anRex Corporation, торговая марка компании Sansha Electric Manufacturing, представила новое семейство силовых полупроводников, в котором используются новейшие передовые технологии, доступные на рынке: 3S SiC-MOSFET. Три буквы S описывают три наиболее важные характеристики, которыми обладают продукты SiCMOSFET, как их эксклюзивные особенности: Smaller, Safer, Supportive.

Сравнивая SiC-MOSFET с аналогичными изделиями других производителей со схожими параметрами, действительно можно убедиться, что изготовление корпуса по системе Techno Block позволяет существенно уменьшить габариты транзистора (рис. 2, табл.).

Размеры Уникальная технология Techno Block подразумевает припайку чипа напрямую, без использования дополнительных проводов, что приводит к значительному уменьшению размеров модуля. Также данный SiC-MOSFET включает структуру DioMOS: транзистор оснащен встроенным обратным диодом, который разработан при поддержке Panasonic, — это означает, что внешний диод не требуется, поскольку функция диода включена в матрицу (рис. 1).

Рис. 2. Сравнение размеров корпусов SiC'транзисторов

Рис. 1. Сечение стандартного модуля и модуля в корпусе Techno Block

16

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Таблица. Размеры сравниваемых модулей Размер, мм

FCA150AC120

29,8 94 14

АНАЛОГ 1

62 106 30

АНАЛОГ 2

62 152 17

Рис. 4. Переходный процесс при коротких замыканиях

Рис. 3. Потери при работе IGBT'транзистора и SiC'MOSFET компании SanRex

Все эти технологии позволили не только дополнительно уменьшить размеры модуля, но и повысить производительность за счет существенного снижения R DS(on) . На рис. 3 показано различие в расходовании энергии включения (E on)/выключения (E off ) и работы в статическом режиме (E cond) между Si-IGBT-транзистором и SiCMOSFET. Учитывая, что суммарные потери в работе транзисторного ключа складываются из этих параметров, можно сделать вывод, что потери SiC-MOSFET компании SanRex меньше в 3–4 раза по сравнению с кремниевым IGBT (раз-

Наименование

ница потерь тем больше, чем больше частота коммутации). Надежность Вкупе со значительным уменьшением размеров компания SanRex уделила существенное внимание повышению безопасности и надежности транзисторов. Модули 3S SiC-MOSFET обладают высокой устойчивостью к коротким замыканиям, что гарантирует еще большую безопасность их эксплуатации. Устройства конкурентов на базе SiC на 1200 В имеют способность выдерживать короткое замыкание

1–2 мкс, тогда как SiC-MOSFET от SanRex может выдержать более 8 мкс (рис. 4). Также надежность повышается за счет двусторонней пайки и литья под давлением. Данная технология позволяет в три раза увеличить количество циклов включения по сравнению с модулями в стандартной упаковке (рис. 5). Причем речь идет именно о количестве циклов при рабочей температуре до +150 °С, так как стандартный модуль может обеспечить количество циклов более 20 000, только если верхний температурный диапазон снизить до +120…+130 °С, тогда как модулю в корпусе Techno Block подобное ограничение не требуется. Поддержка Не менее важным является оказание всевозможной поддержки, поскольку, кроме производства полупроводников, компания выпускает множество уже готовых решений. Так, на основе карбид-кремниевой продукции SanRex были изготовлены различные решения в области преобразовательной техники. Например, на базе транзистора FCA150AC120 разработан модульный двунаправленный источник питания постоянного тока (рис. 6) со следующими параметрами:

Рис. 5. Сравнение технологии изготовления транзисторов

www.power e.ru

Рис. 6. Модульный двунаправленный источник питания постоянного тока SanRex

17

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

са, следовательно, при ее изменении изменится и ток. Так, при температуре устройства +90 °С получим величину тока стока:

при максимальном RDC(on),

при стандартном RDC(on). Таким образом, мы видим, что значение тока стока при +90 °С значительно превышает указанные в спецификации 150 А и составляет порядка 300 А. Однако данное значение было использовано из-за значения тока истока, который протекает через диод в обратном направлении. Фактическое значение этого тока рассчитывается по формуле (2), оно соответствует значению в спецификации и составляет 150 А.

Рис. 7. Сравнение изменения сопротивления в открытом состоянии с ростом температуры различных SiC'транзисторов

• номинальная мощность: 30 кВт; • выходное напряжение: 500 В; • выходной ток: 180 А. Использование SiC-MOSFET позволяет источнику работать на высоких частотах, что приводит к достижению максимальной скорости отклика и уровню эффективности среди доступных на рынке аналогов схожей мощности. Основные области применения данного источника: • бортовое зарядное устройство для электрических автомобилей; • DC/DC-преобразователи; • устройства для тестирования аккумуляторов различного типа. Также был изготовлен драйвер для работы SiC-MOSFET, который позволяет получить частоту переключения более 400 кГц. Таким образом, можно судить о том, что данная компания может оказывать поддержку на всех этапах проектирования и производства устройств из карбида кремния. Следует остановиться на информации, представленной в технических данных. В частности, для транзистора FCA150AC120 в качестве

номинального тока стока ID указано значение 150 А, однако при сравнении с конкурентами надо учитывать, что данный транзистор можно сравнивать с аналогами, у которых ID составляет порядка 300 А. Это обусловлено тем, что фактическое значение тока стока транзистора SanRex отличается от указанного в спецификации и его можно вычислить, пользуясь следующей формулой (1):

(1)

где: T Ch(max) — максимальная температура перехода; T C — температура корпуса; RDC(on) — сопротивление транзистора в открытом состоянии при температуре +25 °С; α — температурный коэффициент сопротивления; Rth(j-C) — температурное сопротивление переход-корпус. Данная формула показывает, что на непрерывный ток стока влияет температура корпу-

(2)

где: TCh(max) — максимальная температура перехода; TC — температура корпуса; RDC(on) — сопротивление транзистора в открытом состоянии при температуре +25 °С; VSD — прямое падение напряжения при температуре +25 °С; α — температурный коэффициент сопротивления; Rth(j-C) — температурное сопротивление переход-корпус. Следовательно, чтобы оценить непрерывный ток стока ID, было использовано значение IS, хотя оно и является меньшим. Исходя из вышесказанного, можно судить о том, что для выбора MOSFET-транзистора нужно обращать внимание не на ток стока, а на сопротивление в открытом состоянии. И, как видно на рис. 7, у транзистора SanRex сопротивление в открытом состоянии практически не изменяется от температуры в отличие от продукции конкурентов.

Батарейные модули для систем бесперебойного питания от Delta Electronics

Компания Delta Electronics начала оснащать свои блоки питания серии CliQ M новыми ИБП постоянного тока и аккумуляторными модулями для систем бесперебойного питания. Блоки питания и модули CliQ M серии предназначены для сокращения простоев производства при сбоях питания. Три новых модуля DC-UPS для серии CliQ M предлагают выходные токи 10, 20 и 40 A, а также широкий диапазон входного напряжения 18–30 В

18

постоянного тока. Они могут поддерживать заряд аккумулятора при 18 В постоянного тока и функцию повышения мощности на 150% в системах на 24 В. Ток зарядки (опция) и время буферизации выбирается в соответствии с потребностями пользователя. Батарейный модуль CliQ M DRN-24V7AAEN предназначен для поддержки двух свинцово-кислотных батарей 12 В 7,2 А•ч для системы 24 В в качестве резервного источника питания. Модуль батареи имеет встроенный индикатор напряжения, чтобы легко контролировать ее состояние во время работы. Защита от перегрева доступна при использовании аккумуляторного модуля CliQ M вместе с модулями DC-UPS. Комбинация помогает продлить срок службы батарей и является лучшим решением для энергоснабжения систем бесперебойного питания в широком спектре приложений, таких как промышленная автоматизация, автоматизация производства, автоматизация машин.

www.macrogroup.ru www.power e.ru

реклама

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Модули серии Infineon EconoDUAL 3 Black: хорошо известные преимущества и новые особенности В статье представлен обновленный модуль Infineon EconoDUAL 3 Black, описано, как обеспечивается баланс между внедрением новых функций и сохранением проверенных и испытанных свойств. Анализируются параметры нового модуля FF600R12BE7_B11(BE7), в котором использованы технологии IGBT 1200 В TRENCHSTOP IGBT7, и диодов EC7 с управляемым эмиттером.

Клайс Вогель (KlausVogel) Ян Баурихтер (Jan Baurichter) Витали Вайс (Vitali Weiss) Кристиан Стенингер (ChristianSteininger) Фабиан Северин (Fabian Severin) Перевод: Евгений Карташов

Infineon EconoDUAL 3 (ED3) является одним из самых популярных конструктивов электронных силовых приборов на рынке. С 2005 года данные модули используются в таких ответственных устройствах, как общепромышленные приводы (GPD), электрические автобусы и грузовики, инверторы солнечных и ветряных электростанций, источники бесперебойного питания (UPS), зарядные устройства и тяговые приводы. Сегодня этот конструктив доступен с различными технологиями IGBT и топологиями схем, а также с интегрированными токовыми шунтами. Помимо практичной геометрии, упрощающей конструкцию инвертора, корпус EconoDUAL славится высокой плотностью мощности, простотой сборки, большим монтажным пространством для установки плат драйверов и удобством параллельного соединения. По прошествии 15 лет настало время модернизации конструктива, позволяющей адаптировать его

Рис. 1. Модуль серии EconoDUAL 3 Black: два из четырех технологических элементов выделены синим цветом, левая сторона модуля — вид сверху, правая сторона модуля — вид снизу. Элементы введены для упрощения автоматизированного производства инверторов

20

к современным требованиям рынка. Корпус усовершенствован для использования в автоматизированных производственных линиях, что стало возможным благодаря упрощению процесса запрессовки сильноточных печатных плат (PCB). Он разработан для будущих поколений IGBT и имеет оптимальное соотношение цены и производительности. Не следует забывать о формуле успеха, работающей более десяти лет: размер модуля остался таким же, как у нынешнего EconoDUAL 3 с его хорошо известными преимуществами. Все это соответствует современным тенденциям общества, направленным на экономию ресурсов и обеспечение стабильности жизни. Дизайн корпуса Цель модернизации дизайна EconoDUAL 3 Black заключается в дальнейшем упрощении производства (по сравнению с предыдущей моделью) и подготовке корпуса для последующих поколений чипов. Кроме того, с учетом требований по экологичности и экономному расходованию природных ресурсов содержание меди в новом конструктиве снижено ввиду устранения медной базовой платы. Это позволяет стабилизировать цену, поскольку стоимость меди оказалась очень волатильной, она испытала огромный рост в недавнем прошлом. Была разработана новая сложная комбинация керамических корпусов для подключения радиатора без использования медной базовой платы. Автоматизированная производственная линия

Все больше производителей силовых преобразователей заменяют ручную сборку полностью автоматизированными производственными линиями, поэтому одним из направлений разработки новых IGBT-модулей является упрощение такого подхода. Для реализации этой задачи компоненты серии www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021

Силовая элементная база

EconoDUAL 3 Black оснащены четырьмя технологическими направляющими элементами (два сверху и два снизу, рис. 1). Это позволяет позиционировать модуль при сборке инвертора, обеспечивая его точную установку на автоматизированной производственной линии. Опорные точки формируют систему отсчета, являясь наилучшим средством позиционирования. Благодаря данной особенности стандартные дюбельные штифты (в соответствии с ISO 2338) могут использоваться в погрузочных захватах, на радиаторах или в любом ручном, полуавтоматическом или даже высокоавтоматизированном процессе. Кроме автоматизации, высокоточное позиционирование модуля позволяет производителям применять в своих изделиях менее дорогие шины с более высоким допуском. Процесс запрессовки

Пятнадцать лет назад классическая конструкция инвертора среднего диапазона мощности предусматривала винтовое соединение медных шин с DC и AC силовыми терминалами модуля IGBT и паяное соединение печатной платы (PCB) драйвера с его сигнальными выводами. Это требовало большого процента ручной сборки, поскольку данные производственные этапы сложно автоматизировать. Появление процесса прессовой посадки, заменившего пайку PCB, и внедрение сильноточных печатных плат с трассами вместо внешних шин упростило процесс сборки и сократило количество производственных операций для преобразователей в диапазоне мощности ED3. При сборке трехфазного инвертора плата управления запрессовывается на 1–3 модуля, после чего они устанавливаются на радиатор. На рис. 2 показан пример такой конструкции: три модуля установлены на теплоотвод и подключены к сильноточной PCB с конденсаторами DC-шины. Четыре новых технологических элемента (рис. 1) упрощают процесс запрессовки, поскольку позиционирование самих модулей, а также модулей и сильноточной печатной платы или PCB-драйвера будет выполняться с высокой точностью. Возможен автоматизированный процесс монтажа, поскольку взаимное положение компонентов относительно друг друга здесь четко определено. Следует учитывать еще один момент — допуск по высоте четырех устройств, подключенных к печатной плате и радиатору. Высоты должны быть одинаковыми, чтобы избежать механических напряжений между соединяемыми деталями и обеспечить правильное подключение каждого вывода к PCB. Высота модулей новой серии EconoDUAL 3 Black определяется только пластиковым корпусом, что гарантирует очень небольшой разброс по этому параметру.

Рис. 2. Три модуля серии EconoDUAL 3 Black и конденсаторы звена постоянного тока соединены с сильноточной PCB (выделена зеленым цветом) методом запрессовки. Позиционирование PCB производится с помощью штифтов (выделены синим цветом) и новых опорных элементов. Модули можно установить на приспособлении для запрессовки с помощью нижних опорных элементов (здесь не показаны)

Все используемые материалы — пластик, гель, керамика и выводы — выбраны с учетом ожидаемой тепловой нагрузки текущего и будущих поколений кристаллов. Керамическая подложка с высокой механической прочностью

Керамическая DBC-подложка выполняет множество различных функций. Она защищает внутреннее пространство модуля, формирует электрическую изоляцию теплоотвода, на нее устанавливаются чипы. Подложка обеспечивает соединение с радиатором с низким тепловым сопротивлением «кристалл — теплосток» (R TH_JH). Многие из вышеупомянутых характеристик модуля зависят от материала и толщины DBCкерамики.

Изолирующая подложка модулей серии EconoDUAL 3 Black обеспечивает наименьшее тепловое сопротивление «кристалл — теплосток» для данной конструкции, а также высокую механическую прочность. Для подтверждения высоких механических характеристик были проведены испытания с приложением высокого усилия одновременно к стандартному ED3 и новому модулю ED3 Black. Приспособление для тестирования и условия испытаний показаны на рис. 3 и 4. В ходе испытаний к модулям прилагаются усилия, намного превышающие допустимые по спецификации значения. Это делается для демонстрации высокого уровня надежности новых компонентов по сравнению с предыдущим поколением, которое уже является достаточно надежным. Усилие более 4000 Н

Адаптация к новым поколениям IGBT

Новые поколения IGBT обычно рассчитаны на более высокие рабочие температуры по сравнению с предыдущими генерациями. Модули EconoDUAL 3 Black начнут выпускать с номинальных параметров 600 А 1200 В на чипах Trenchstop IGBT 7. www.power e.ru

Рис. 3. Слева: установка для проверки механической прочности. Справа: эскиз тестовой установки с EconoDUAL 3 (внизу) и EconoDUAL 3 Black Series (вверху). Модули соединены посредством металлической шины на силовых терминалах, усилие приложено по центру сверху (зеленая стрелка)

21

Силовая электроника, № 5’2021

Силовая элементная база

1) Ультразвуковая микроскопия: тест пройден, нет трещин в керамике 2) Тест изоляции 3,4 кВ AC 60с: пройден Рис. 5. Модуль Black Series после теста на механическую прочность (рис. 3). Никаких видимых повреждений нет, подложка сохранила целостность

Рис. 4. Примерное соотношение «сила — смещение» при испытаниях на механическую прочность (превышает допустимые значения спецификации)

воздействует до тех пор, пока не произойдет повреждение корпуса EconoDUAL 3. У модулей новой серии Black не происходит отказов, что демонстрирует их высокую надежность. На рис. 5 показано приспособление для проверки и результаты тестирования. Таким образом, компоненты серии Black выдерживают жесткий тест на механическую прочность. Модули EconoDUAL 3 Black подходят для всех вариантов производства — от полностью автоматизированного до обычной ручной сборки преобразователей. Материалы теплового интерфейса

Рис. 6. Сравнение теплового сопротивления «кристалл — теплосток» при использовании различных материалов термопаст (TIM)

Материалы, использованные при изготовлении модуля, обеспечивают высокую плоскостность подложки. Поэтому важно внимательно следить за процессом нанесения термопасты, чтобы предотвратить ухудшение характеристик из-за нарушения правил ее применения. Кроме того, материал TIM оказывает большое влияние на тепловые характеристики; на рис. 6 показаны величины теплового сопротивления RTH_JH для различных типов паст. Спецификация Infineon справедлива для термопасты с теплопроводностью 1 Вт/м·К. Использование материала Infineon TIM [1] или другого с более высокой теплопроводностью улучшает RTH_JH на 12 и 24% соответственно. Электрические характеристики В этом разделе проводится сравнение нового модуля FF600R12BE7_B11 (600 А, 1200 В) с чипами IGBT 7, с предшествующим FF600R12ME4_B72. Удаление медной базовой платы и уменьшение размера чипов [2] должны быть скомпенсированы за счет совершенствования конструкции DCB и внедрения новой технологии IGBT, направленных на улучшение распределения тепла и снижение коммутационных и статических потерь. Электрические потери

Рис. 7. Характеристики восстановления FF600R12ME4_B72 при скорости коммутации IGBT 5 кВ/мкс и 2,4 кА/мкс (RG_EXT = 1 Oм) и FF600R12BE7_B11 при 7 кВ/мкс и 7 кА/мкс (RG_EXT = 0,5 Oм)

22

Ключевая цель разработки силовых модулей, предназначенных для инверторов в диапазоне высокой мощности, — размещение параллельных полупроводниковых чипов, www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021

обеспечивающее симметричные цепи коммутации тока между ними. Чем они симметричнее, тем быстрее может происходить переключение без риска короткого замыкания и токовой перегрузки. В новом модуле вся схема расположена на одной подложке. По сравнению с вариантами с использованием двух или трех подложек такая топология не требует дополнительного места для соединительных проводников, что снижает паразитную индуктивность и распределенное сопротивление. Размещение чипов может производиться с высокой степенью свободы. В новом корпусе ED3 Black улучшена топология соединений IGBT и диодов, что обеспечивает более быстрое включение и, следовательно, снижение потерь IGBT. Подробная информация о влиянии топологии DCB на потери и скорость коммутации дана в [2]. На рис. 7 приведено сравнение прежнего и нового 600-А модуля в отношении характеристик восстановления диода. Предельные возможности ME4_B72 становятся видимыми. При внешнем резисторе затвора (RG_EXT) менее 1,5 Ом и скорости нарастания напряжения (du/dt10–90) 4,3 кВ/мкс возникают осцилляции, которые могут создавать проблемы в отношении электромагнитных помех (EMI). Модуль нового поколения обеспечивает более быстрое переключение без влияния осцилляций до du/dt10–90 7 кВ/мкс. На рис. 8 потери включения при 600 А и +150 °C показаны в зависимости от du/dt при 60 А и +25 °C для обоих приборов. Модуль FF600R12ME4_B72 способен работать при du/dt 10–90 до 4 кВ/мкс при 60 А и +25 °C без возникновения осцилляций. FF600R12BE7_B11 может переключаться со скоростями до 7 кВ/мкс без осцилляций, что предоставляет пользователям высокую степень свободы, если в приложении допустима быстрая коммутация. Новый модуль с чипами IGBT7 имеет хорошую управляемость в широком диапазоне du/dt10–0 с центральным значением около 5 кВ/мкс. При скорости, например, 4 кВ/мкс видно, что прибор Black Series с чипами IGBT 7 имеет более высокие потери включения, чем у ключей предыдущего поколения, IGBT 4. Это можно объяснить с помощью рис. 9. При той же скорости нарастания тока (di/dt10–90), номинальном токе и температуре +150 °C величина du/dt10...90 при 10% номинального тока и +25 °C у модулей BE7_B11 выше, чем у ME4_B72. Причиной этого является влияние внутренней компоновки модуля на характер восстановления диодов. В приборах BE 7_B11 восстановление идет быстрее, что приводит к увеличению du/dt10–90 при включении IGBT. Подробное объяснение этого эффекта можно найти в [2]. Описанные преимущества, улучшенные показатели статических потерь и снижение сопротивления терминалов RCC`+EE` обобщены на рис. 10. Благодаря использованию одной DCBподложки и оптимизации положения чипов IGBT 7 потери включения уменьшены более чем в 2 раза по сравнению с предыдущим поколением. Продолжая это сравнение, отметим, www.power e.ru

Силовая элементная база

Рис. 8. Потери включения при 600 A и +150 °C в зависимости от du/dt10–90 при 60 A и +25 °C для обоих приборов

Рис. 9. di/dt10–90 при 600 A и +150 °C в зависимости от du/dt10–90 при 60 A и +25 °C для модулей двух поколений

Рис. 10. Сравнение статических потерь модулей ME4_B72 и BE7_B11 (резистор затвора выбран для максимальной скорости коммутации без осцилляций при +25 °C и 60 A); сравнение статических потерь и сопротивления выводов (RCC'+EE')

23

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Кроме того, решение с одной DCB в сочетании с ультразвуковой сваркой терминалов позволяет снизить сопротивление выводов модуля с 1 до 0,55 мОм. При токе нагрузки 450 А это приводит к уменьшению потерь на 92 Вт, которые должны рассеиваться посредством радиатора. Силовые терминалы

Рис. 11. Установка для измерения параметров

что потери на восстановление диода более чем на 20% ниже, а его статические потери при +150 °C аналогичны. Потери выключения находятся на том же уровне, в то время как статические потери IGBT улучшены на 18%.

В первом десятилетии XXI века полупроводниковые чипы IGBT 3 были самыми современными, они хорошо функционировали в недавно разработанном корпусе EconoDUAL 3. В то же время плотность тока у новых технологий IGBT позволяет удвоить номинальный ток данного прибора. Если, с одной стороны, повышается производительность чипов, то с другой — силовые терминалы модуля могут стать ограничивающим фактором с точки зрения допустимой токовой нагрузки.

Рис. 12. Температура силового терминала, измеренная на DC'шине в месте расположения вывода модуля. Слева: шина инвертора в месте расположения вывода. Справа: максимальная температура терминала с учетом модуля

Рис. 13. Температура кристалла IGBT в зависимости от тока в инверторном режиме (для условий, показанных на рис. 11)

24

В модулях серии EconoDUAL 3 Black используются лучшие из доступных технологий для снижения теплового сопротивления выводов без изменения внешних размеров. Это достигается за счет применения ультразвуковой сварки для подключения медных терминалов к подложке вместо соединительных проводов. В то же время ультразвуковая сварка позволила улучшить охлаждение данной части прибора. Площадь основания выводов на подложке увеличена на 350% по сравнению с проводным соединением. Влияние такого решения на производительность модуля рассмотрим в следующей главе. Производительность Для оценки эффективности применения силовых ключей в конкретном приложении модули нового и предыдущего поколения были протестированы в инверторном режиме. Поскольку компоненты серии Black оснащены крышкой, которая служит частью прижимной конструкции DCB, измерение температуры IGBT и диода проводится с помощью термопар. Для оценки температуры силовых терминалов модуля используется инфракрасная камера. На рис. 11 показана измерительная установка и точки подключения датчиков. Модули размещены на радиаторе с воздушным охлаждением. Сопротивление затвора для FF600R12ME4_B72 составляло 1,5 Ом, а для FF600R12BE7_B11 — 0,5 Ом. Это соответствует максимальной скорости переключения IGBT в соответствии с критериями, описанными в предыдущей главе. На первом этапе температура терминалов оценивалась при подаче постоянного тока, результаты представлены на рис. 12. Благодаря улучшенной конструкции выводов значительно снижена температура внутри и снаружи модуля. Зона максимальной измеряемой температуры теперь находится на шине инвертора, а не внутри IGBT. На втором этапе проводится АС-тест в условиях, показанных на рис. 11. Температура чипов измеряется с помощью термопары, расположенной в центре наиболее нагретого IGBT. Таким образом, результаты измерений, представленных на рис. 13, относятся к этой точке, имеющей максимальную температуру Ths. Модули новой серии Econodual 3 Black работают аналогично FF600R12ME4_B72, они способны обеспечить такой же выходной ток при температуре IGBT Ths = +150 °C. Уменьшение размера чипа и удаление базовой платы могут быть скомпенсированы за счет оригинальной концепции модуля и новой технологии IGBT. Если система позволяет использовать режимы перегрузки, допустимые для IGBT 7 [3], то компоненты BE7_B11 превосходят предыдущее поколение на 9%. Дальнейшее повышение выходного тока модулей серии Black может быть достигнуто за счет применения термопасты с высокой теплопроводностью. Поскольку FF600R12BE7_B11 имеет значительно меньшие динамические потери, чем FF600R12ME4_B72, то компоненты серии www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

EconoDUAL 3 Black предпочтительнее для применений с более высокой частотой переключения. Заключение Модули серии EconoDUAL 3 Black отличаются большим количеством новых возможностей, отвечающих последним требованиям рынка, и сохраняют при этом положительные свойства конструктива EconoDUAL 3. Новый прибор предназначен для высокоточного позиционирования, то есть для полностью автоматизированного производства инверторов. В то же время он обеспечивает уровень надежности, допускающий любой вариант ручной сборки.

Новый EconoDUAL 3 сочетает передовые технологии IGBT 7 и EC7, улучшенный дизайн DCB, эффективное подключение к радиатору и продуманный выбор материалов, при этом в нем используется меньше частей и меньше меди по сравнению с предыдущим поколением. Новые модули позволяют обеспечить хорошо известную высокую производительность ED3 или даже превзойти ее в зависимости от условий применения. Все внедренные улучшения соответствуют современным тенденциям в части сбережения ресурсов и безопасности. Кроме того, применение этих компонентов обеспечивает производителям инверторов экономические преимущества, выражающиеся в лучшем соотношении цены и эффективности.

Литература 1. AN2012-07, Module with pre-applied thermal interface material. www.infineon.com/dgdl/ Infineon-AN2012_07_Modules_with_pre_ applied_Thermal_Interface_Material-ANv02_01-EN.pdf?fileId=db3a30433af3614c013 af3c70cf10025 2. Baurichter J. et al. Higher output performance despite chip shrinkage: New FF600R12ME7_ B11 outperforms former generation, PCIM Europe. Nuremberg, Germany, 2021.

3. Vogel K. et al. New, best-in-class 900-A 1200-V EconoDUAL 3 with IGBT 7: highest power density and performance, PCIM Europe.

Nuremberg, Germany, 2019.

Не требующие принудительного охлаждения бескорпусные блоки питания COSEL с пиковой мощностью до 200%

Компания COSEL Co, Ltd анонсировала источники питания, не требующие принудительного охлаждения, мощностью 150 и 300 Вт — LHP150F и LHP300F. Для охлаждения новых устройств достаточно естественной конвекции. Разработанные для промышленных приложений, где необходим высокий уровень безопасности, блоки питания LHP150F и LHP300F сертифицированы в соответствии со стандартом EN62477-1 (OVC III). Оба блока питания работают в широком универсальном диапазоне входного напряжения 85–264 В переменного тока и имеют высокий типовой КПД на уровне 93%. Блоки питания LHP150F и LHP300F доступны с пятью различными выходными напряжениями, обычно используемыми в промышленной автоматизации и производственном и технологическом оборудовании. Они способны нормально функционировать с максимальной пиковой мощностью 200% до 10 с, что позволяет использовать предлагаемые устройства для питания динамических нагрузок. Оба БП представляют собой печатную плату в бескорпусном исполнении, шасси и крышка доступны в качестве опции. Блоки питания LHP150F и LHP300F сертифицированы по третьей категории перенапряжения EN62477-1 (OVC III). Это означает, что конечное оборудование, питаемое от блоков питания данной серии, может быть подключено непосредственно к главной распределительной панели без дополнительного уровня изоляции. Их использование упрощает задачу разработчика системы, снижает затраты, гарантируя при этом высокий уровень эффективности. Разработанные для самого широкого круга применений, блоки питания LHP150F и LHP300F рассчитаны на диапазон входного напряжения 85–264 В переменного тока. Что касается выходного напряжения, доступно пять выходных напряжений 24, 30, 36, 42 и 48 В с соответствующим выходным током 6,3; 5,0; 4,2; 3,6 и 3,2 А для варианта LHP150F и 12,5; 10,0; 8,4; 7,2 и 6,3 A для варианта LHP300F. Выходное напряжение можно дополнительно регулировать с помощью встроенного потенциометра. Кроме безопасности, промышленные приложения часто требуют более высокого тока во время запуска или при подключении нагрузки, например емкостной. С этой целью в блоках питания LHP150F и LHP300F предусмотрено эффективное управление сбросом/набросом нагрузки и силовым каскадом,

www.power e.ru

способным выдерживать длительные пиковые нагрузки. Использованное схемотехническое решение позволяет LHP150F и LHP300F при пиковой нагрузке выдавать до 200% номинальной мощности в течение 10 с. Так, версия LHP150F с выходом 24 В обеспечивает номинальный рабочий ток 6,3 А с пиковым значением до 12,6 А. Такое же соотношение применяется ко всем версиям блоков питания LHP150F и LHP300F. Для снижения гармонических искажений тока в блоках питания LHP150F и LHP300F используется активный корректор коэффициента мощности (ККМ), а в каскаде переключения — резонансная топология LLC (индуктивностьиндуктивность-емкость) в сочетании с силовыми полупроводниками последнего поколения, что обеспечивает типичный КПД блоков питания до 94%. Оптимизированные для конвекционного охлаждения, блоки питания могут работать в диапазоне температур окружающей среды –10…+70 °С. В зависимости от варианта сборки (корпусирования) и вентиляции конечного оборудования может применяться снижение номинальных характеристик, как указано в технической документации. Модель LHP150F в бескорпусном (полностью открытом) исполнении имеет размеры 75×27×160 мм (2,95×1,07×6,30 дюйма) и максимальный вес 320 г, а блок питания LHP300F имеет размеры 84×37×180 мм (3,31×1,46×7,09 дюйма) и вес не более 580 г.

LHP150F и LHP300F имеют изоляцию входа и выхода с электрической прочностью на 3000 В напряжения переменного тока, входа на «землю» (FG) — 2000 В переменного тока и выхода на «землю» (FG) — 500 В переменного тока. Блоки питания также оснащены встроенными схемами защиты от пусковых тока, перегрузки по току и перенапряжения. Оба блока питания соответствуют требованиям безопасности UL (США), C-UL (Канада), DEMKO (Дания) и TÜV (Германия). Продукция сертифицирована по UL62368-1, C-UL (эквивалент CAN/CSA-C22.2 № 62368-1), EN62368-1, EN62477-1 (OVC III). Блоки питания LHP150F и LHP300F также соответствуют требованиям DEN-AN. При широкой универсальности новинок было уделено и должное внимание деталям обоих устройств. Для соответствия требованиям конкретного приложения заказчикам доступен ряд опций, включая покрытие (C), низкий ток утечки (G), тип разъема EP (J4), дистанционное включение/выключение (R), шасси (S), корпус и крышку (SN), тип клеммной колодки (T), разъем для внешней батареи конденсаторов (U1), выходной 8-контактный разъем (только LHP300) (J5), вставной клеммный блок (T4) и встроенный предохранитель в выходной цепи напряжения постоянного тока. Серии LHP150F и LHP300F имеют пятилетнюю гарантию и соответствуют европейским директивам RoHS, REACH и Low Voltage Directive (Директива по низковольтному оборудованию). www.macrogroup.ru

25

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Высокоэффективные силовые модули на основе SiC для широкого спектра применений В настоящее время силовые транзисторные модули на основе карбида кремния (SiC) находят все более широкое применение там, где требуется повышенный КПД преобразователя или снижение его массогабаритных показателей. Диапазон мощности таких применений весьма разнообразен: от бытовых кондиционеров и зарядных устройств до промышленных и даже тяговых железнодорожных приводов. В статье приводится актуальная информация о последних разработках компании «Мицубиси Электрик» в области SiC широкого диапазона рабочих напряжений и мощностей в контексте использования модулей в различных применениях.

Рене Спенке (Rene' Spenke) Нилс Солтау (Nils Soltau) Тору Матсуока (Toru Matsuoka) Виктор Толстопятов

Victor.Tolstopyatov@mer.mee.com

Введение Снижение выбросов углекислого газа и более рациональное использование электроэнергии — это сегодняшние тенденции, все прочнее закрепляющиеся в современном обществе. Появление такого полупроводникового материала, как карбид кремния (SiC) с его уникальными физическими свойствами, отлично удовлетворяет данным стремлениям с точки зрения снижения энергопотребления и минимизации габаритов преобразователей (уменьшение количества деталей и материалов). Главное отличие полупроводников (п/п) на основе SiC от классических кремниевых устройств — большая ширина запрещенной зоны. Это позволяет достичь 10-кратного увеличения напряженности электрического поля в SiC-кристаллах. Соответственно, для обеспечения одной и той же блокирующей спо-

собности кристаллы на основе SiC будут иметь меньшую толщину, а значит, и меньшее электрическое сопротивление (потери проводимости). Более того, благодаря широкой запрещенной зоне высоковольтные транзисторы на основе карбида кремния с блокирующим напряжением вплоть до 6500 В могут иметь не привычную IGBT-структуру, а полевую MOSFET. За счет высокой скорости переключения полевые транзисторы имеют низкие потери при переключении и позволяют существенно увеличить частоту коммутации. В большинстве применений повышение частоты работы силового преобразователя позволяет увеличить плотность мощности прочих компонентов: фильтров, трансформаторов, двигателей. Другими словами, силовые преобразователи с использованием SiC становятся компактнее. С 1990 года компания «Мицубиси Электрик» накопила обширный опыт в области производства и применения силовых модулей на основе SiC. Сегодня модули на основе карбида кремния успешно выходят из области технологического ноу-хау и получают все более широкое распространение в реальных применениях, начиная от бытовых кондиционеров и источников питания и заканчивая мощными промышленными преобразователями и даже тяговыми ж/д приводами. Требования к SiC-модулям также разнятся в зависимости от применения, основные из них приведены в данной статье. Главный компонент: новое поколение SiC кристаллов

Рис. 1. Структура SiC MOSFET'чипа второго поколения

26

В актуальной линейке карбид-кремниевых модулей «Мицубиси Электрик» используется второе поколение SiC-кристаллов, выпускаемых по новой технологии на шестидюймовых пластинах. Как поwww.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Рис. 2. Влияние новой технологии легирования области JFET на сопротивление Ron,sp

казано на рис. 1, второе поколение SiC имеет улучшенную планарную MOSFET-структуру. Специальная технология легирования JFET-области способствует существенному снижению прямого сопротивления R on,sp (рис. 2) до уровня последних поколений чипов с траншейным затвором (рис. 3). Более того, легирование JFET-области уменьшает проходную емкость кристалла C rss , определяющую скорость переключения SiCприбора. Меньшая Crss увеличивает частоту переключения, а также улучшает стойкость чипа к паразитному включению, как будет описано далее. Дискретные SiC приборы для зарядных устройств электротранспорта, кондиционеров и тепловых насосов Основными требованиями к силовым ключам для таких применений, как зарядные устройства электротранспорта, кондиционеры и тепловые насосы, являются хорошая доступность на рынке, универсальный взаимозаменяемый с другими производителями корпус, а также рабочий номинальный ток до 100 А. Для данных применений компанией разработана N-серия дискретных приборов в корпусе TO-247 на 1200 В с использованием SiC-кристаллов второго поколения [1, 2]. Данный тип корпусов по-прежнему востребован во многих применениях низкой и средней мощности благодаря своей универсальности: одиночные транзисторы и диоды позволяют собрать преобразователь любой топологии. За счет простой конструкции корпуса TO-247 (рис. 4) и больших объемов производства дискретные SiC-компоненты наиболее доступны с точки зрения цены. Помимо трехвыводных корпусов, в линейке предлагаются четырехвыводные корпуса TO-247, потери на переключение в которых снижены на 30% [3]. В таблице 1 показана линейка дискретных MOSFET-транзисторов на основе SiC. Помимо типовых выходных тестов при производстве, ряд транзисторов сертифицирован по стандарту AEQ-Q101, www.power e.ru

Рис. 3. Сравнение планарной и траншейной структуры различных SiC MOSFET'чипов

N-серия в трехвыводном корпусе (ТО-247-3)

N-серия в четырехвыводном корпусе (ТО-247-4)

Рис. 4. Дискретные SiC'транзисторы и диоды N'серии на 1200 В

что делает возможным их использование в электротранспорте. Благодаря низким коммутационным потерям N-серия SiC-транзисторов оптимальна, к примеру, для применения в источниках питания, что позволяет уменьшить размеры или вовсе исключить из схемы часть пассивных элементов (трансформаторов, дросселей) за счет увеличения частоты переключения. Основные характеристики Второе поколение SiC MOSFET-кристаллов «Мицубиси Электрик» имеет планарную структуру с легированием области JFET. У этой технологии есть ряд преимуществ перед предыдущим поколением SiC. Так, хорошо известно, что за счет высокого напряжения пробоя карбида кремния стало возможным создание MOSFET-транзисторов

на 1200 В с низким сопротивлением области дрейфа (Rdrift). Но другой значительной частью удельного сопротивления MOSFETтранзистора является сопротивление аккумулирующего слоя JFET в его структуре. За счет новой технологии легирования области JFET в SiC-кристаллах второго поколения удельное сопротивление JFET было также снижено. Еще одна из важнейших характеристик MOSFET-транзистора, определяющих характеристики его переключения, — соотношение входной емкости (Ciss) к проходной емкости (емкости Миллера, Crss). Включение рабочего тока транзистора нижнего плеча Q2 ведет к высокому dV/dt в транзисторе верхнего плеча Q1 (рис. 5). В результате ток затвора Ig начинает течь в затвор транзистора Q1 через емкость Миллера (Crss). Если падение напряжения, вызванное данным током, превысит

Таблица 1. Линейка дискретных SiC'транзисторов «Мицубиси Электрик» N'серии Модель

BM080N120S(J)

VDC, В

BM040N120S(J)

BM022N120S(J)

1200

RDS(on), мОм

80

40

22

ID, max@25, А

38

68

102

Корпус

TO-247-3

Размер, мм

15,9 41 5

27

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Чтобы оптимизировать оба параметра, компания «Мицубиси Электрик» разработала так называемую JBSD-структуру (Junction Barrier Schottky Diode), в которой в дополнение к барьеру Шоттки параллельно добавлен p-nпереход, стойкий к большим ударным токам (рис. 6, 7). Линейка диодов включает приборы на 600 и 1200 В с номинальными токами 10 и 20 А в различных дискретных корпусах: TO-247, TO-220FP-2, TO-263S [4]. Увеличение эффективности кондиционеров за счет использования SiC DIPIPM модулей

Рис. 5. Эффект паразитного включения верхнего транзистора

пороговое напряжение V gs(th), произойдет паразитное открытие верхнего транзистора Q1 и, соответственно, короткое замыкание. При этом величина тока Ig пропорциональна Crss и dV/dt. За счет уменьшения параметра Crss, результирующее произведение сопротивления транзистора на заряд затвор-стока составило 1450 мОм·нКл. Это увеличивает стойкость к паразитному включению (приблизительно в 14 раз) в сравнении с обычными SiC MOSFET. Таким образом, одновременно достигается быстрая скорость переключения и низкое сопротивление канала. Ключевым параметром в спецификации дискретных SiC MOSFET-транзисторов явля-

ется сопротивление RDS(on), указываемое при температуре Tj = +25 °C. Однако в реальных условиях использования температура перехода Tj достигает +100 °C и выше, при этом сопротивление R DS(on) растет. Для N-серии транзисторов «Мицубиси Электрик» данный эффект слабо выражен, и рост сопротивления составляет лишь около 10% при повышении температуры перехода до +100 °C. Это снижает потери проводимости в преобразователе и позволяет увеличить его выходную мощность, используя транзисторы c тем же показателем RDS(on). В дополнение к карбид-кремниевым MOSFET-транзисторам N-серии компания «Мицубиси Электрик» также выпустила на рынок линейку соответствующих диодов Шоттки (SBD — Schottky-Barrier Diode). Обычно диоды Шоттки имеют более низкое прямое падение напряжения VF в сравнении с классическими биполярными диодами. Однако при разработке кристалла диода всегда существует баланс между низким прямым падением напряжения VF и стойкостью к ударному прямому току.

Для инверторов небольшой мощности компания «Мицубиси Электрик» представила карбид-кремниевые модули DIPIPM (интеллектуальный силовой модуль в корпусе DIP) с блокирующим напряжением 600 В и номинальным током 15 и 25 А. Данные интеллектуальные устройства имеют в одном корпусе шесть транзисторов с антипараллельными диодами (трехфазный мост), а также интегральные схемы драйверов для их управления (рис. 8). Под «интеллектуальными» функциями в данном случае понимаются системы защиты, которыми обладает модуль: защита от КЗ, защита от перегрева, а также защита от просадки питающего напряжения. Как показано на рис. 9, модули выполнены по технологии монолитного корпуса (Transfer Molding), которая позволяет повысить продуктивность и стойкость модуля к агрессивной внешней среде. Выигрыш за счет использования SiC-кристаллов особенно заметен в применениях с графиком работы «24×7», таких как кондиционеры или насосы. На рис. 10 сравнивается классический кремниевый модуль с аналогичным SiC. Видно, что снижение потерь в модуле составляет порядка 70% при тех же условиях.

SiC модули для ИБП, станций быстрой зарядки и преобразователей для возобновляемой энергетики Такие применения, как ИБП, станции быстрой зарядки и преобразователи

Рис. 6. Структура диода JBSD

Рис. 7. Сравнение характеристик диода (падение напряжения VF и максимальный прямой ток IFSM)

28

Рис. 8. Функциональная схема SiC'модуля Super Mini DIPIPM

Рис. 9. Интеллектуальный SiC'модуль Super Mini DIPIPM со встроенным драйвером

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

для возобновляемой энергетики, обычно требуют бóльших выходных токов, чем в случаях, которые обсуждались ранее. Специально для таких применений «Мицубиси Электрик» расширила линейку модулей на базе SiC-чипов второго поколения, добавив к существующим модулям на 1200 В устройства на 1700 В с рабочим током до 1200 А [5]. Как показано на рис. 11, второе поколение SiC-модулей имеет те же корпуса, что и первая генерация, позволяя заказчикам заменить силовые модули без изменения дизайна преобразователя. Полная линейка модулей представлена в таблице 2. Основные особенности

Имея размеры корпуса 122×76,9 мм, подложка SiC-модулей в точности повторяет геометрию модулей серии NX. Однако для снижения внутренней паразитной индуктивности модуля расположение силовых выводов устройства было изменено. Это позволило получить максимально низкие коммутационные потери и перенапряжения. Помимо этого, конструкция основания модулей и схема расположения MOSFET- и SBD-чипов были оптимизированы для лучшего распределения тепла по подложке. За счет технологии легирования области JFET, описанной ранее, второе поколение SiCмодулей имеет существенно меньшие потери: в сравнении с первым поколением снижены как потери проводимости, так и динамические потери [6]. Разработанная компанией «Мицубиси Электрик» функция контроля в реальном времени RTC (Real-Time Control) упрощает схему защиты модуля от короткого замыкания. Создание схемы защиты от КЗ является нетривиальной задачей при переходе с IGBT на SiC MOSFET, поскольку стандартный метод, выявляющий выход транзистора из насыщения, к последним не применим. Для преодоления данного ограничения система RTC детектирует ток КЗ с помощью датчика тока, встроенного непосредственно в чип MOSFET. В случае обнаружения КЗ управляющее напряжение затвора автоматически понижается для ограничения тока и увеличения максимального времени до перегрева кристаллов, за которое драйвер может среагировать на сигнал ошибки от RTC и отключить ток (рис. 12). Высоковольтные SiC модули для железнодорожных и сетевых применений В таких применениях, как высокоскоростные поезда, SiC-модули позволяют построить более эффективную и компактную систему тягового привода. К примеру, в высокоскоростных поездах «Шинкансен» (Shinkansen) тяговый привод на основе SiC имеет на 20% меньшую массу, что позволяет оптимизировать конструкцию вагона. Помимо снижения массы за счет сокращения потерь при переходе www.power e.ru

Рис. 10. Сравнение потерь в DIPIPM'модулях (Vcc = 300 В, fc = 15 кГц, Io = 1,5 А, Tj = +125 °C)

1200 В/600 А, 800 А чоппер 1700 В/ 300 А 2 в 1, чоппер Встроенная функция RTC

1200 В/200 А 4 в 1 Встроенная функция RTC

1200 В/1200 А 2 в 1 Встроенная функция RTC

1200 В/400 А 4 в 1 1200 В/ 800 А 2 в 1

Рис. 11. Внешний вид общепромышленных SiC'модулей второго поколения

Таблица 2. Линейка общепромышленных SiC'модулей второго поколения Ток, А

Топология

FMF400BX-24B

Модель

Напряжение, В

400

4в1

FMF800DX-24B

800

2в1

FMF300BXZ-24B FMF400BXZ-24B

300 1200

FMF600DXZ-24B

400

FMF800DXZ-24B

800 1200

FMF300E3XZ-34B

Размеры, мм

Нет

121,7 92,3

4в1 122 79,6

600

FMF1200DXZ-24B FMF300DXZ-34B

Защита RTC

1700

300

2в1

Чоппер

Да 122 152 122 79,6

29

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Рис. 12. Эффективное отключение КЗ системой RTC, встроенной в модуль

на SiC-система охлаждения инвертора была также уменьшена — итоговый размер тягового инвертора составил лишь 50% от первоначального [7]. Кроме тяговых инверторов, при переходе на SiC выигрыш в потерях преобразователей собственных нужд (ПСН), зарядок для батарей и DC/DС-преобразователей становится

Рис. 13. SiC'модуль транспортного исполнения на 3300 В в корпусе LV100 с изоляцией 6 кВ

30

еще более существенным за счет увеличения частоты переключения. Большая частота ШИМ, как правило, позволяет уменьшить

размеры пассивных компонентов: трансформаторов, дросселей, конденсаторов. Более того, с высокочастотной ШИМ обычно возможно использование других, магнитомягких сердечников. Это также дает широкий потенциал к увеличению КПД и снижению стоимости [8, 9]. Помимо больших значений номинального тока и напряжения силовых модулей, такие применения как ж/д транспорт и электроэнергетика, требуют от приборов высокой производительности и надежности. Компания «Мицубиси Электрик» вывела на рынок SiCмодули напряжением до 3,3 кВ транспортного исполнения, специально предназначенные для таких применений. Уже в 2015 году в серийно выпускаемые высокоскоростные поезда начали устанавливаться полные силовые SiC-модули (транзистор и обратный диод на базе карбида кремния) [10]. Таким образом, надежность данных приборов проверена в реальной эксплуатации по меньшей мере в течение пяти лет. «Мицубиси Электрик» выпускает новые модули 3,3 кВ класса напряжения в корпусах LV100 (рис. 13). В данном классе напряжения доступны модули двух номиналов тока: 375 и 750 А (рис. 14). Помимо полных SiC-модулей с чипами диодов и транзисторов на основе карбида кремния, в линейке компании есть и гибридные модули. В корпусе LV100 выпускается гибридный модуль на 3,3 кВ номинальным током 600 А. Данный прибор сочетает кремниевый IGBT-чип новейшего поколения (серия X) с SiC-диодом. В отличие от кремниевого данный диод не имеет процесса обратного восстановления как такового, за счет чего динамические потери в нем значительно меньше. Более того, динамические потери в IGBT также снижены в связи с отсутствием выброса тока обратного восстановления. Как видно на рис. 15, потери на включение E on в транзисторе сокращены на 38%. Это делает возможным увеличение частоты переключения для

Рис. 14. Линейка Si' и SiC'модулей на 3300 В в корпусах LV100

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Рис. 15. Сравнение осциллограмм включения Si', гибридного SiC' и Full'SiC'модулей (Vcc =1800 В, Ic = 600 А, Tj =+150 °C, Ls = 65 нГн)

Рис. 17. Full'SiC'модуль на 6500 В в корпусе HV100 с изоляцией 10,2 кВ

Рис. 16. Структура классического MOSFET'чипа и MOSFET со встроенным SBD

данного модуля (до порядка 2 кГц). В случае же если необходима еще более высокая частота и меньшие потери, то отличным выбором будет Full-SiC-модуль.

Кроме существующих решений на базе карбида кремния, «Мицубиси Электрик» ведет активную разработку новых SiCчипов для дальнейшего улучшения

параметров силовых модулей. Одно из направлений исследований — технология объединения кристалла обратного диода Шоттки с MOSFET-структурой. Обычно антипараллельный диод используется для предотвращения протекания обратного тока через паразитный диод MOSFET-структуры, что позволяет избе-

Рис. 18. Сравнение динамических потерь в Si'IGBT (+150 °C), SiC'MOSFET (+175 °C) и SiC'MOSFET со встроенным SBD (+175 °C)

www.power e.ru

31

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

жать появления в ней дефектов упаковки. В следующих поколениях SiC-модулей диоды Шоттки будут интегрированы непосредственно в SiC MOSFET-транзистор (рис. 16). Помимо отсутствия дефектов упаковки, такое решение снижает и динамические потери [11, 12]. Технология встроенного в транзистор диода Шоттки используется и в прототипе Full-SiCмодуля на 6,5 кВ [13]. Данный концепт выполнен в корпусе HV100 (рис. 17) и имеет номинальный ток 400 А. Как видно на рис. 18, динамические потери в этом модуле составляют лишь 1/10 от аналогичного кремниевого IGBTмодуля. Это дает SiC-модулям на 6,5 кВ огромный потенциал в применениях с высокой частотой переключения. Вывод В статье показаны новейшие силовые модули компании «Мицубиси Электрик» на основе карбида кремния в широком диапазоне блокирующих напряжений и номинальных токов, рассчитанные на применения в большом спектре мощностей. Описаны основные характеристики новейших поколений SiC, а также технологии, используемые при создании карбид-кремниевых кристаллов. Преобразователи на базе SiC обеспечивают более высокую эффективность, а также лучшие массогабаритные показатели.

Литература 1. Mitsubishi Electric to Launch N-series 1200 V SiC-MOSFET. Mitsubishi Electric Press Release No. 3361. Japan, 2020.

2. Толстопятов В. А. «Мицубиси Электрик» запускает производство дискретных SiC-диодов и транзисторов в корпусах TO-247 // Силовая электроника. 2020. №.6 3. Mitsubishi Electric to Launch 4-terminal N-series 1200V SiC-MOSFETs. Mitsubishi Electric Press Release No. 3382. Japan, 2020.

4. Mitsubishi Electric to Launch 1200V SiC Schottky Barrier Diode. Mitsubishi Electric Press Release No. 3272. Japan, 2019.

5. Толстопятов В. А., Солтау Н., Таль Э. Новые карбид-кремниевые модули на кристаллах второго поколения // Силовая электроника.

2019. № 4.

6. Soltau N., Thal E., Matsuoka T. The Next Generation of SiC Power Modules // Bodo's Power Systems. September 2019.

7. Sato K., Kato H., Fukushima T. Development of SiC Applied Traction System for Shinkansen High-speed Train. International Power Electronics Conference (IPEC-Niigata, ECCE Asia, 2018). Niigata, 2018.

8. Helsper M., Ocklenburg M. SiC MOSFET Based Auxiliary Power Supply for Rail Vehicles. 20th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'18 ECCE Europe). Riga, 2018.

9. Wu D., Xiao C., Zhang H., Liang W. Development of auxiliary converter based on 1700V/325A full SiC MOSFET for urban rail transit vehicles. IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific). Harbin, 2017.

10. Mitsubishi Electric Installs Railcar Traction System with All-SiC Power Modules on Shinkasen Bullet Train. Mitsubishi Electric Press Release No. 2942. Japan, 2015.

11. Tominaga T., Hino S., Mitsui Y., Nakashima J., Kawahara K., Tomohisa S., Miura N. Superior Switching Characteristics of SiCMOSFET E m b e d d i n g S B D . 3 1 st I n t e r n a t i o n a l Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs. Shanghai, China, 2019.

12. Murakami T., Sadamatsu K., Imaizumi M., Suekawa E., Hino S. Comparative study of electrical characteristics between conventional and SBD-embedded MOSFETs for next generation 3.3 kV SiC modules. International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM).

Germany, 2020.

13. Nakashima J. et. al. 6.5-kV Full-SiC Power Module (HV100) with SBD-embedded SiCMOSFETs. International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM Europe). Germany, 2018.

Первое семейство силовых модулей без базовых плат от Microchip по авиакосмическим стандартам

Компания Microchip Technology анонсирует первые в отрасли силовые модули без базовых плат, предназначенные для авиакосмической отрасли, которые позволяют повысить эффективность и уменьшить массогабаритные показатели систем преобразования мощности и управления электроприводами. Эти модули были разработаны совместно с консорциумом Clean Sky — государственно-частным партнерством между Европейской комиссией и европейской авиакосмической отраслью. Силовые модули BL1, BL2 и BL3 отвечают жестким требованиям авиакосмической отрасли к выхлопным газам, позволяя к 2050 году исключить вредное влияние авиации на климат, обеспечивают более высокую эффективность AC/DC- и DC/AC-преобразования и генерации за счет

32

интегрированной технологии силовых карбидокремниевых полупроводников. Благодаря модифицированной подложке новые изделия стали на 40% легче других силовых модулей, а производственные расходы сократились примерно на 10% по сравнению со стандартными модулями с металлическими базовыми платами. Модули BL1, BL2 и BL3 соответствуют всем требованиям по механике и закона об охране окружающей среды, изложенным в RTCA DO-160G «Условия эксплуатации и окружающей среды для бортового авиационного оборудования. Требования, нормы и методы испытаний», версия G (август 2010 г.). Новинки выпускаются в низкопрофильных корпусах с малой индуктивностью, с силовыми и сигнальными разъемами, которые припаиваются непосредственно к печатным платам, что ускоряет разработку и повышает надежность. Одинаковая высота модулей этого семейства позволяет устанавливать их параллельно или использовать в виде трехфазного моста и в других топологиях для повышения эффективности силовых преобразователей и инверторов. В состав новых модулей входят SiC MOSFET и диоды Шоттки, максимально повышающие эффективность системы. Корпуса модулей BL1, BL2 и BL3, рассчитанные на мощность в диапазоне 100 Вт — 10 кВт и более, предназначены для работы в разных топологиях, к которым относятся фазное плечо, полный и асимметричный мосты, повышающая, понижающая топология и конфигурация с двойным общим истоком. Эти высоконадежные силовые модули рассчитаны на эксплуатацию с 600–1200 В SiC MOSFET и IGBT, а также с выпрямительными диодами до 1600 В.

www.microchip.com

www.power e.ru

реклама

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Седьмое поколение IGBT в трехуровневых преобразователях. Часть 2 Статья продолжает тему, начатую в «Силовой электронике» № 4’2021. Принцип работы многоуровневой схемы прост: модули или инверторные ячейки соединяются последовательно, за счет этого напряжение питания устройства может быть выше блокирующей способности отдельных ключей. Подобное решение позволяет формировать «многоступенчатый» выходной сигнал, снизить уровень гармонических искажений и отказаться от дорогостоящих и громоздких выходных фильтров.

Иохим Ламп (Joachim Lamp) Перевод и комментарии: Андрей Колпаков

Andrey.Kolpakov@semikron.com

Введение Типовые схемы 2L- и 3L-инверторов приведены на рис. 1. В первом случае выходное напряжение может принимать только два значения, равные по амплитуде –VDC или +VDC. Топология 3L позволяет сформировать сигнал, каждая из полуволн которого состоит из трех уровней (0, ±VDC/2, ±VDC). Трехуровневые преобразователи используются в источниках бесперебойного питания (UPS) и инверторах

солнечных энергетических станций, что вызвано высокими требованиями по КПД и качеству выходного сигнала данных устройств. Снижение уровня гармонических искажений достигается за счет увеличения частоты коммутации fsw, что в свою очередь ведет к росту динамических потерь. Многоуровневая схема позволяет при относительно малом значении fsw решить эту проблему и, кроме того, уменьшить требования к синусоидальному фильтру, габариты и стоимость которого вносят существенный вклад в показатели всего изделия.

Рис. 1. Схемы двухуровневого и трехуровневого трехфазного инвертора. Оба устройства работают в режиме модуляции частоты и напряжения

34

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Поскольку в фазной цепи коммутации трехуровневой схемы участвуют четыре полупроводниковых ключа, потери проводимости данной схемы несколько выше, чем у традиционной двухуровневой. Однако существенное снижение потерь переключения позволяет уменьшить общее значение рассеиваемой мощности примерно на 40%, и это достоинство особенно ярко проявляется на высоких частотах. Компания SEMIKRON выпускает широкую гамму трехуровневых модулей в конфигурации MLI. В мощных «центральных» преобразователях солнечных станций (750 кВт и более) могут использоваться модули SEMITRANS 10 MLI в конструктиве PrimePack. Для управления ими предназначен адаптер SEMITRANS 10 MLI Driver Board, способный работать в трехуровневом инверторе с «разделенной» схемой (Split MLI, рис. 2) при напряжении DCшины до 1500 В на частоте до 30 кГц. Верхняя и нижняя части стойки инвертора построены на модулях 12-го класса с номинальным током 1200 А. С появлением нового поколения IGBT Gen.7 возникла потребность в разработке адаптированной версии адаптерной платы, которая получила название SEMITRANS 10 MLI М7 Driver Board. На плате управления установлено два стандартных драйвера SKYPER42 LJ, один контролирует ключи T1 и T2, другой — T3 и T4. Схема защиты анализирует напряжение насыщения всех четырех IGBT (T1–T4) и сигналы с встроенных в модули термодатчиков. Выход из насыщения приводит к мгновенному отключению соответствующего IGBT и формированию сигнала ошибки. Наличие цепи активного ограничения позволяет безопасно блокировать IGBT в любой момент времени без соблюдения определенной последовательности. В случае если сигнал встроенного датчика температуры превышает заданное значение

DC+

MLIT Верхняя «половина»

T1

D1

D5 T2

(порог устанавливается пользователем), IGBT немедленно отключается и драйвер выдает сообщение об ошибке. В режиме MLI логика управления сигналами неисправности настраивается с помощью резисторов, установленных в SKYPER 42. Драйвер может генерировать сообщение об ошибке во вторичном каскаде, но не блокировать IGBT. При этом он не реагирует на внешний сигнал ошибки и остается в исходном состоянии до тех пор, пока не будет выключен по входу ШИМ. Подробно этот вопрос рассмотрен далее. Адаптер SEMITRANS 10 MLI M7 Driver Board Адаптер SEMITRANS 10 MLI M7 предназначен для управления модулями фазной стойки трехфазного инвертора: SKM1400 MLI 12TM7 (верхняя половина) и SKM1400 MLI 12BM7 (нижняя половина). Оба ключа созданы с применением чипов IGBT 7 с рабочим напряжением 1200 В и номинальным током 1400 А. По сравнению с компонентами, выполненными по технологии Trench 4 (SKM1200 MLI12TE4 и SKM1200 MLI12BE4), модули 7-го поколения вместо датчика температуры на транзисторе T3 имеют дополнительный сигнальный вывод коллектора. Соответственно, измерение температуры производится только на IGBT T1. Это самый мощный на рынке трехуровневый модуль в корпусе SEMITRANS 10 (PrimePack). Используемое в адаптере ядро драйвера SKYPER 42 LJ PV (L5073102) способно работать при напряжении DC-шины до 1500 В, пиковый выходной ток составляет 35 А. На плате SEMITRANS 10 MLI М7 Driver Board (номер для заказа 45157901) установлены резисторы затворов, схема активного ограничения и другие элементы настройки. Плата монтируется на сигнальные выводы модулей SEMITRANS 10, имеет коннекторы для установки драйверов SKYPER42 LJ и разъем пользовательского интерфейса. Конструкция обеспечивает расстояние между корпусами силовых ключей 4 мм, таким образом крепежные отверстия (правое «верхнего» модуля и левое «нижнего» моду-

ля) находятся на расстоянии 20 мм. На плате предусмотрена возможность подбора резисторов затвора, настройки напряжения ограничения и регулировки порогов схемы защиты. Гербер-файл для самостоятельного изготовления адаптера можно запросить в офисе технической поддержки SEMIKRON. Блок&схема и электрические характеристики

Блок-схема устройства (рис. 4) состоит из двух частей: голубым цветом выделена плата с разъемами для SKYPER42 LJ (зеленые прямоугольники), резисторами затворов, цепью ограничения, схемой термозащиты и мониторинга VCEsat. Силовые модули трехуровневого силового каскада выделены красным цветом. В соответствии с техническими требованиями плата SEMITRANS 10 MLI Driver Board предназначена для работы в следующих предельных режимах: • напряжение DC-шины: V DCmax = 1500 В (не более 750 В на каждую «половину» звена постоянного тока); • выходное (линейное) напряжение: VАСmax = 1000 В; • частота коммутации: fsw = 30 кГц; • температура окружающей среды: Ta = 0...+40°C; • сравнительный индекс трекинга: CTI > 175 Электрическая изоляция между пользовательским интерфейсом (входной каскад) и высоковольтными цепями (выходной каскад) обеспечивается драйвером SKYPE42 LJ. Изоляционный зазор по поверхности платы составляет 30 мм, по диэлектрику — 29 мм (между первичным и вторичным каскадом). Размеры устройства с учетом SKYPER42 LJ — 193,3×178×28,5 мм. Для надежной фиксации драйверов SKYPER 42 LJ PV на плате адаптера имеются монтажные отверстия, в которые устанавливаются опорные стойки. Плата крепится к силовым модулям с помощью винтов M4, дополнительную информацию можно найти в инструкции по монтажу SEMITRANS 10. Схема защиты

Встроенные NTC-датчики модулей SEMITRANS 10 связаны с соответствующим

D2

N

AC

N

AC T3

D3

T4

D4

D6

MLIB Нижняя «половина»

DC-

Рис. 2. Разделенная трехуровневая схема на модулях SEMITRANS 10 (MLIT и MLIB)

www.power e.ru

а

б

Рис. 3. а) Сборка платы адаптера с модулями SEMITRANS 10 MLI; б) адаптер SEMITRANS10 MLI М7 Driver Board

35

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

SEMITRANS 10 MLI M7

SEMITRANS 10 MLI M7 плата драйвера

SKYPER

Драйвер T1

RG,T1

T1 NTC ACT1,s ens e

DC+

NT C

Цепь ограничения T1

T1

D1

T2

D2

VCE ,T2

Драйвер T2

RG,T2

T2 ACT2,s ens e

D5 Цепь ограничения T2

42 LJ PV

VCE ,T3

Драйвер T3

SKYPER

Интерфейс

42 LJ PV

VCE ,T1

Драйвер T4

RG,T3

RG,T4

N

AC

N

AC

T3 ACT3,s ens e

Цепь ограничения T3

T3

D3

T4

D4

D6

VCE ,T4 T4

DC-

ACT4,s ens e

Цепь ограничения T4

Рис. 4. Блок'схема адаптера Driver Board SEMITRANS 10 MLI М7

входом драйвера IGBT T1. При достижении пороговой температуры (устанавливается пользователем) транзистор T1 немедленно отключается, сигнал неисправности транслируется на вход драйвера. При этом остальные IGBT также блокируются, поскольку выводы ERROR драйверов объединены. Схема управления производит мониторинг напряжения насыщения VCE_sat всех четырех ключей (Т1–Т4), при достижении порогового

значения (перегрузка по току или КЗ) генерируется сигнал ошибки. Транзисторы Т1–Т4 защищены от опасных перенапряжений схемой активного ограничения. Порог ее включения должен быть выбран ниже блокирующей способности IGBT, в то же время цепь не должна влиять на нормальную работу инвертора. При активации схемы обратная связь блокирует выходной каскад SKYPER 12, предотвращая поступление импульсов управления на затворы IGBT.

Настройка платы

Ряд компонентов платы предназначен для адаптации инвертора к условиям эксплуатации. Подборные элементы выделены цветами на рис. 5, их назначение описано далее. Термозащита

Температура модулей SEMITRANS 10 измеряется встроенным NTC-сенсором, в случае перегрева компаратор передает логический 0 на вход ERROR драйвера SKYPER, формирую-

0805 элементы уставки VCE (CCE и RCE) 4x MiniMELF / 1206 резисторы/ конденсаторы включения 5x MiniMELF / 1206 резисторы «мягкого» отключения 2x MiniMELF / 1206 резисторы «мягкого» отключения G-E SMB=диоды-супрессоры G-E резистор, G-E конденсатор R140 and R141, подключение NTC-датчика модуля к входу измерения температуры of SKYPER42 LJ R143 настройка порога перегрева R1102, R1202, R1302, R1402, прерывание цепи, если нет активного ограничения 5x SMB диод-супрессор цепи активного ограничения Конденсатор фильтра цепи Vce SKYPER 42LJ Элементы первичного каскада R10, соединение выходов сигнала ошибки двух драйверов SKYPER Рис. 5. Верхняя сторона платы, подборные элементы выделены рамками

36

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

щего сигнал ошибки (рис. 6). Для настройки порога термозащиты предназначен резистор R143 (выделен коричневой рамкой на рис. 5). Стандартное значение R143 составляет 332 Ом и соответствует порогу отключения +115 °С. Защиту от перегрева можно блокировать, для этого резисторы R140, R141 не устанавливаются. Выбор сопротивления R143 (типоразмер 0805) производится с помощью графика зависимости RNTC от температуры (рис. 7), где наиболее важен интервал +70… +150 °C. Подобные кривые, а также формулы для расчета даются в технических спецификациях SEMITRANS 10. Термозащита отключает внешние IGBT Т1 или Т4 в произвольные моменты времени. Удаление R140, R141 позволяет пользователю реализовать раздельный мониторинг температуры по ключам и блокировать их в безопасной последовательности.

Рис. 6. Схема термозащиты с NTC'сенсором

1000 900 800

Резисторы затвора

700 600

Ом

На контактной плате монтируются затворные резисторы включения (RGon), выключения (RGoff) и мягкого выключения (Rsoft) типоразмера MiniMELF или 1206. Для корректной работы устройства все эти элементы должны быть установлены. Дополнительный резистор между драйвером и эмиттерами параллельных модулей снижает уровень паразитных осцилляций при переключении. Для монтажа RGon предусмотрено четыре посадочных места (голубая рамка на рис. 5), RGoff — пять посадочных мест (оранжевая рамка на рис. 5), Rsoft — два посадочных места (зеленая рамка на рис. 5). При выборе номиналов необходимо учитывать не только тип и режимы работы IGBT, но и импульсную мощность резистора в режиме коммутации. На плате предусмотрены элементы защиты цепи затворов IGBT: одно посадочное место типоразмера SMB и два места типоразмера 0805 (красная рамка на рис. 5). SEMIKRON рекомендует использовать одну площадку 0805 для монтажа сопротивления 10 кОм, а SMB для размещения двуполярного диода-супрессора (TVS) с напряжением 15 В. Еще одна площадка 0805 предназначена для установки конденсатора CGE. Кроме того, на плате имеется два посадочных места MiniMELF или 1206 для монтажа эмиттерных резисторов IGBT.

500 400 300 200 100 0 70

80

90

100

www.power e.ru

120

130

140

150

°С Рис. 7. Характеристика NTC'сенсора

Мониторинг VCEsat

На рис. 9 показана схема мониторинга напряжения насыщения V CEsat IGBT с цепью фильтрации (конденсатор фильтра выделен зеленой пунктирной рамкой на рис. 5). Это необходимо для предотвращения ложных срабатываний схемы защиты от перегрузки на внутренних IGBT (T2 и T3). Идея состоит в том, что включение Т1 производится только тогда, когда Т2 уже открыт и время блокировки tbl этого ключа закончи-

Активное ограничение

лось. Высокая скорость изменения тока di/dt (например, при емкостной нагрузке) может привести к образованию всплеска напряжения в сигнале VCE T2 и, как следствие, к паразитному включению схемы DESAT. Сказанное справедливо и для IGBT T3/T4. Схема контроля ошибки SKYPER 42 LJ PV

Сопротивление R10 (0805, выделено пунктирной фиолетовой рамкой на рис. 5) Диоды TVS

Вход ограничения SKYPER42LJ

1R

Схема активного ограничения приведена на рис. 8. Для размещения TVS-диодов предназначено пять площадок размера SMB на каждый IGBT (V60–V64, V70–V74, V80–V84 и V90–V94, пунктирная коричневая рамка на рис. 5). На схеме также показан резистор (R63, R71, R81, R91) ограничения тока заряда затворной емкости и TVS-диод, защищающий затвор от перенапряжений. Как и в предыдущих случаях, сигнал обратной связи подается через резистор на вход драйвера для подавления импульсов управления в режиме ограничения. В режиме ограничения каскад драйвера отсоединяется от затвора, чтобы процесс его зарядки не нарушал работу схемы управления.

110

Подключение к выходу драйвера

Последовательный резистор схемы ограничения

Диод-супрессор для защиты затвора

Рис. 8. Схема активного ограничения

37

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Диоды цепи DESAT SKYPER42LJPV Pin 2 SEC_VCE_IN

511R

CFilter 2,2 нФ

VCE

может отсутствовать или заменяться перемычкой (0 Ом). Во втором случае (рекомендация SEMIKRON) выходы/входы сигнала ошибки двух SKYPER 42LJ оказываются соединенными. Если R10 не установлен, то сигнал с выхода ERROR одного драйвера не будет немедленно поступать на вход ERROR другого драйвера. Резисторы R15–R18 (0805, выделены пунктирной красной рамкой на рис. 5) выбирают в соответствии с таблицей 1. Элементы R15, R16 устанавливают связь каналов ошибки ERROR драйвера, управляющего Т1 и Т2, R17 и R18 — драйвера Т3 и Т4. Любые другие комбинации (например, все резисторы = 0 или все резисторы отсутствуют) могут привести к отказу системы. Защитные функции SKYPER 42 LJ PV

Рис. 9. Фильтрация сигнала VCE

Таблица 1. Назначение резисторов R15, R16 (R17, R18 по каналам Т3 и Т4) R15 (R17)

0

Не установлен

R16 (R18)

Не установлен

0

Функция

Драйвер формирует сигнал ERROR при поступлении информации об ошибке с выходного каскада, но IGBT не блокируется. Драйвер не реагирует на внешний сигнал ERROR и остается в предыдущем состоянии до отключения входным ШИМ-импульсом (при наличии неисправности используется резистор Rsoft). Непрерывная подача сигнала ERROR блокирует включение драйвера

Драйвер формирует сигнал ERROR и немедленно блокирует IGBT через резистор Rsoft. при поступлении информации об ошибке с выходного каскада. При подаче внешнего сигнала ERROR драйвер отключает оба IGBT. Непрерывная подача сигнала ERROR блокирует включение драйвера. Настройка по умолчанию (рекомендуемая)

Таблица 2. Назначение резисторов R19, R20 (каналы Т3 и Т4) и R21, R22 (каналы Т1 и Т2) R19 (R21)

0

R20 (R22)

Не установлен

0

Функция

Функция Interlock блокирована, Т3 и Т4 могут включаться одновременно. Настройка по умолчанию (рекомендуемая)

Функция Interlock активна, время блокировки составляет 2 мкс

Не установлен

Таблица 3. Назначение резисторов R30, R31 (входной фильтр по каналам Т3 и Т4) и R32, R33 (входной фильтр по каналам Т1 и Т2) R30 (R32)

0

R31 (R33)

Не установлен

0

Установлен цифровой входной фильтр. Время фильтрации 375 нс, типовое время задержки 0,7 мкс, джиттер — 30 нс во всем диапазоне температур

Установлен аналоговый входной фильтр. Время фильтрации 180 нс, типовое время задержки 0,4 мкс, джиттер — 2,5 нс. Настройка по умолчанию (рекомендуемая)

Функция

Не установлен

Если входы и выходы ERROR драйверов соединены друг с другом (R42 = R47 = 0 Ом), они используют единую цепь сигнала ошибки. В этом случае при обнаружении неисправности в одном из каналов блокируются все связанные устройства. При отсутствии такой связи появляется возможность независимого контроля состояния каналов. Тогда выходы ERROR следует подключить к управляющему контроллеру, который блокирует при необходимости соответствующие входы драйверов. В трехуровневой схеме функция Interlock (запрет одновременного включения транзисторов полумоста) должна быть отключена, поскольку оба IGBT (T1/T2 или Т3/Т4) могут открываться одновременно. Назначение резисторов R19, R20, R21, R22 описано в таблице 2. Назначение элементов R30–R33 (типоразмер 0805, выделены красной пунктирной рамкой на рис. 5) описано в таблице 3. Резисторы R30 и R31 устанавливают параметры входных фильтров драйверов Т3 и T4, R32 и R33 — драйверов Т1 и T2. Использование любой другой комбинации (например, все сопротивления = 0 или не установлены) ведет к сбою или отказу системы. Рекомендации и ограничения

Таблица 4. Установки в режиме детектирования КЗ R10 = 0

Установлена связь сигналов ошибки SKYPER 42 LJ

R42 = R47 = 0

Входы и выходы ERROR драйверов SKYPER 42 LJ соединены между собой

R16 = R18 = 0

Драйвер отключает IGBT при неисправности и реагирует на вход ERROR

R19 = R21 = 0

Нет функции Interlock

RSoft = RGoff

Резистор режима «плавного отключения» должен иметь значение RGoff для отключения IGBT без задержки в случае КЗ

C1202 = C1392 = 2,2 нФ

Фильтрующие емкости входа мониторинга напряжения насыщения

Таблица 5. Установки без режима детектирования КЗ R10 = х

Резистор может отсутствовать или заменяться перемычкой

R42 = R47 = 0

Входы и выходы ERROR драйверов SKYPER 42 LJ соединены между собой

R15 = R15 = 0

Драйвер не отключает IGBT при неисправности и не реагирует на вход ERROR

R19 = R21 = 0

Нет функции Interlock

R1102 = R1402 = 0

Отключено активное ограничение на Т1 и Т4

C1102 = C1202 = C1302 = C1402 = 0

Установка перемычки вместо конденсаторов отключает мониторинг VCEsat

RSoft = RGoff

Сопротивление определяется параметрами схемы

38

Защита с детектированием короткого замыкания

Плата драйвера обеспечивает токовую защиту (DESAT) и активное ограничение по всем IGBT (T1–T4). Транзисторы могут быть блокированы в любой момент времени без соблюдения определенной последовательности отключения, которая обычно требуется в трехуровневых схемах. Необходимые установки приведены в таблице 4. При использовании указанных значений выход из насыщения любого IGBT ведет к его немедленной блокировке и формированию сигнала ошибки. Все остальные транзисторы также мгновенно отключаются, поскольку входы/выходы ERROR всех каналов объединены. Когда внутренние IGBT T2/T3 блокируются раньше (при обнаружении неисправности или при подаче внешнего сигнала), активируется схема активного ограничения. www.power e.ru

Силовая элементная база

Таблица 6. Перечень элементов прототипа трехуровневого инвертора Элемент RGon RGoff RSoft CGE CFilter Active Clamping RCE СCE Rtemp_th

Значение для Т1 и Т4 1,2 Ом 1 Ом 0 Ом – 2,2 нФ 4 × SMBJ188 + 1 × SMBJ64 10 кОм (R1100, R1101, R1400, R1401) 820 пФ (С1102, С1402) 332 Ом (R143)

Защита без детектирования короткого замыкания

Если защита от КЗ не требуется, то диоды V101, V201, V301 и V401 не устанавливаются.

TVS-cупрессоры обычно требуются на внутренних IGBT для их защиты от перенапряжения из-за длинной цепи коммутации (большая реактивная мощность). Необходимые установки приведены в таблице 5. Если состояние перегрузки детектируется в выходном каскаде (управляющем Т1), сигнал ошибки транслируется на вход (вывод 15 разъема Х10), драйвер не реагирует. Транзисторы должны отключаться по ШИМсигналу контроллера, при этом внешний IGBT блокируется первым, а внутренний — через несколько мкс. Подробные объяснения работы схемы управления MLI приведены в SEMIKRON AN11001 [2]. Существует возможность параллельного включения нескольких драйверов для повышения мощности инвертора. Благодаря цифровому способу передачи данных и малому временному разбросу входы параллельных плат управления можно объединить. При этом ШИМ-импульсы и сигналы ошибки передаются по одному кабелю. В трехфазных системах драйверы не объединены по сигналу ошибки, эта связь должна обеспечиваться пользователем — либо путем прямого соединения цепей ERROR, либо через контроллер. Резисторы затворов

Минимальное значение RG определяется перепадом напряжения управления при коммутации и нагрузочными характеристиками драйвера. Например, при VGon/off = +15/–8 В разница составляет 23 В. С учетом пикового тока SKYPER 42 LJ PV (35 A) минимальное суммарное сопротивление затвора RGmin = 0,65 Ом. Эта величина состоит из внутреннего R Gint двух модулей (приводится в технической спецификации), эмиттерных сопротивлений и внешних резисторов затвора RGon и RGoff. При выборе величины RG необходимо рассчитать рассеиваемую мощность с учетом омического сопротивления, чтобы исключить перегрев. Особенностью работы резисторов затвора является высокая импульсная нагрузка, при этом чип-компоненты типоразмера 1206 имеют меньшую мощность и стойкость к перегрузкам, чем MiniMELF. Более подробную информацию о выборе затворных резисторов можно найти в руководстве AN7003 [7]. www.power e.ru

Значение для Т2 и Т3 1,4 Ом 5 Ом 0 Ом – 2,2 нФ 10 кОм (R1200, R1201, R1300, R1301) 820 пФ (С1202, С1302)

Активное ограничение

Настройка уровня активного ограничения напряжения IGBT T1–T4 осуществляется путем выбора типа и количества последовательно соединенных SMB-супрессоров (TVS). Суммарное значение Vbr с учетом всех допусков и температурной зависимости должно быть ниже блокирующей способности IGBT. Схема активного ограничения не должна влиять на работу инвертора, даже при максимальном напряжении DC-шины (с учетом допусков и коммутационных перенапряжений), чтобы не увеличивать потери переключения. Режим ограничения ни в коем случае не следует использовать для решения проблем, связанных с плохой конструкцией и высокой индуктивностью звена постоянного тока. Перечень элементов Устройство управления SEMITRANS 10 MLI М7 Driver Board протестировано в составе макета 3L-инвертора разделенной конфигурации с силовыми модулями SEMITRANS 10 (SKM1400MLI12TМ7 и SKM1400MLI12BМ7), перечень использованных элементов приведен в таблице 6. Литература 1. Lamp J. Technical Explanation SEMITRANS 10MLI M7 Driver Board. SEMIKRON, 2021.

2. Staudt I. 3L NPC & TNPC Topology.

SEMIKRON Application Note, AN-11001 — rev.05, 2015.

3. Колпаков А. SEMISEL V3.1 — новые возможности, новые перспективы // Силовая электроника. 2008. № 3.

4. Колпаков А. 3L-инверторы: специализированные модули и тепловой расчет // Компоненты и технологии. 2011. № 5.

5. Nicolai U. SKYPER 12 (T)MLI Driver Board.

Technical Explanation. SEMIKRON, 2018.

6. Rabl I., Nicolai U. SEMITOP E2 1200V MLI Inverter Board. Technical Explanation.

SEMIKRON, 2018.

7. Hermwille M. Gate Resistor — Principles and Applications. SEMIKRON Application Note, AN-7003 — rev. 00. 2007.

8. Hermwille M. GBT Driver Calculation.

SEMIKRON Application Note, AN-7004 — rev. 00. Nuremberg, 2007.

9. Krapp J. Technical Explanation SKYPER12 — rev.

5. SEMIKRON Technical Explanation, 2017.

10. A g o s t i n i R . T e c h n i c a l E x p l a n a t i o n SEMITOP — rev. 5. SEMIKRON Technical Explanation, 2017.

Cиловой IGBT модуль в компактном корпусе высотой 17 мм от АО «Ангстрем» АО «Ангстрем» завершило цикл испытаний IGBT-модуля AnM450HBE12M на 1200 В и 450 А в компактном корпусе 17 62 122 мм и готово предложить клиентам новую продукцию. К уже освоенным корпусам МПК-34 и МПК62 добавлен новый тип корпуса — МПК-62-3 с более компактными габаритами 17 62 122 мм. AnM450HBE12M — первый модуль в новой серии компактных IGBT-модулей конфигурации «полумост»: AnM450HBE065M (650 В, 450 А), AnM450HBE12M (1200 В, 450 А) и AnM300HBE17M (1700 В, 300 А). По габаритам новые силовые модули аналогичны хорошо известному корпусу EconoDUAL 3 производства Infineon, что позволяет реализовать программы импортозамещения без существенных изменений уже существующих схемотехнических решений.

AnM450HBE12M способен выдерживать ток короткого замыкания в 4 раза дольше импортных аналогов. Кристаллы быстровосстанавливающихся диодов и транзисторов с изолированным затвором на стадии изготовления оптимизированы по статистическим и динамическим параметрам, что позволяет обеспечивать высокую надежность при работе на индуктивную нагрузку в жестких температурных условиях. Силовой модуль AnM450HBE12M может применяться в широком классе устройств, связанных с обеспечением безопасности человека. Такие устройства имеют очень высокие требования к надежности, компактности и бесперебойному гарантийному обслуживанию, например: • устройства плавного пуска в системах управления лифтами, кондиционирования и очистки воздуха, насосных станциях в ЖКХ; • преобразователи частоты для управления электродвигателями и электроприводами в электротранспорте и автоматизированных производственных линиях; • насосы и электропогружные установки в нефте- и газоперерабатывающей отрасли;

www.angstrem.ru

реклама

Силовая электроника, № 5’2021

39

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Отечественная сборка Plug-and-Play на базе драйверного ядра ДР8/1700 от АО «Ангстрем» АО «Ангстрем» разработало полностью отечественное устройство Plug and Play, основанное на изделиях собственного производства — драйвере управления ДР8/1700, адаптере АДР 1200/1700, cиловом IGBT модуле в корпусе МПК 62 3, аналогичном корпусу EconoDUAL.

Сергей Мельник

melnikSA@angstrem.ru Ярослав Вренев

Vrenev@angstrem.ru Станислав Клейн

klein@angstrem.ru

Импортозамещение В 2021 году на мировом рынке наблюдается значительный дефицит кристаллов и чипов, сроки поставки которых из Юго-Восточной Азии существенно увеличены. В некоторых отраслях поставки электронных компонентов даже стали фактором, лимитирующим производство. Учитывая, что IGBTдрайверы и силовые модули используются во многих критичных для государства областях промышленности, электроснабжении, транспорте, для газои нефтедобычи, возможность выбора отечественного аналога, не уступающего импортным вариантам исполнения, определяет независимость и возможность бесперебойной работы указанных отраслей. В статье приводится краткое описание одного из таких решений — отечественная сборка Plug-

and-Play, все используемые компоненты которой разработаны и произведены российской компанией АО «Ангстрем». Системы с длительным жизненным циклом Эксплуатация электротранспорта, судов, систем жизнеобеспечения городов, систем управления промышленных предприятий требует постоянного технического обслуживания в течение всего жизненного цикла, который составляет несколько десятков лет. В этих условиях особое значение приобретает простота замены комплектующих и постгарантийное техобслуживание. Комплект Plug-and-Play в составе драйвера, адаптера и силового IGBT-модуля дает возможность заменять импортные драйверы управления или силовые модули по отдельности, без замены всей системы. Это позволит гарантировать поставки комплектующих, а также снизить эксплуатационные расходы. Силовые модули АО «Ангстрем» — единственное в России предприятие, выпускающее широкую линейку IGBT- и FRDкристаллов, а также силовых модулей на их основе. Серийно выпускаются силовые модули 148 типов в корпусах МПК-30, МПК-34, МПК-62, МПК-62-2. В июле 2021 года было запущено серийное производство модулей в компактном корпусе МПК-62-3 с габаритами 152×62×17 мм, аналогичном корпусу EconoDUAL. Для компактного монтажа драйвера управления на данный тип корпуса IGBT-модуля был разработан адаптер АДР 1200/1700 (рис. 1)

Рис. 1. Комплект Plug'and'Play.

1 — драйвер ДР8/1700; 2 — адаптер АДР 1200/1700; 3 — cиловой IGBT'модуль в корпусе МПК'62'3

40

Адаптер АДР 1200/1700 Адаптер АДР 1200/1700 представляет собой печатную плату, содержащую все необходимые компоненты для оптимального подключения драйвера www.power e.ru

Силовая электроника, № 5’2021

Рис. 2. Адаптер АДР 1200/1700 в сборке с драйвером ДР8/1700 и IGBT'модулем: 1 — драйвер ДР8/1700; 2 — адаптер АДР 1200/1700, 3 — IGBT'модуль в корпусе МПК'62'3

ДР8/1700 к корпусу силового модуля (рис. 2, 3). Адаптер обеспечивает конструктивную привязку драйвера управления к IGBT модулю в форм-факторе EconoDUAL, дает возможность избавиться от дополнительных переходных разъемов и длинных проводов. Такое конструктивное решение позволяет радикально снизить паразитную индуктивность в цепи управления затвор-эмиттер. Паразитная индуктивность усиливает пики напряжения в цепи затвор-эмиттер, коллектор-эмиттер, увеличивает потери при переключении, что негативно сказывается

Силовая элементная база на надежности работы модулей, тепловыделении, плотности компоновки и массогабаритных характеристиках конечных изделий. Корпус МПК-62-3, с установленным адаптером АДР 1200/1700 и драйвером ДР8/1700, позволяет увеличить эффективность теплоотвода, существенно повысить плотность компоновки и реализовать возможность Plug-and-Play. Без учета габаритов разъема габариты сборки по высоте составляют всего 30 мм. Адаптер имеет канал подключения внешнего устройства для мониторинга температуры корпуса при стабильных режимах работы силовых преобразовательных устройств. Для реализации этой возможности в IGBTмодули в корпусе МПК-62-3 встроены NTCрезисторы. Адаптер АДР 1200/1700 содержит в своем составе: • цепочку шунтирующих TVS-диодов для защиты от перенапряжений по принципу ограничения импульса напряжения (gate clamping & active clamping); • цепь резисторов для прецизионного контроля Vce(sat) для защиты от короткого замыкания; • затворные резисторы для установки тока заряда затвора IGBT; • входной разъем для подключения сигналов управления. Комплектация Адаптер выпускается в двух модификациях: для силовых модулей с предельно допустимым напряжением 1200 и 1700 В. Драйвер

Рис. 3. Адаптер АДР 1200/1700 в комплекте поставки: 1— затворные резисторы, 2 — защитные диоды схемы активного клемпинга, 3 — цепь резисторов контроля Vce, 4 — канал подключения для мониторинга температуры корпуса IGBT'модуля, 5 — входной разъем.

и затворные резисторы в комплект поставки не входят, поскольку сопротивление резисторов подбирается в соответствии с задачами потребителя. Для IGBT-модулей производства АО «Ангстрем» минимальное сопротивление затворных резисторов составляет 20 Ом. Более точные значения определяются режимами работы силовых преобразовательных устройств. Функциональная схема устройства Plugand-Play приведена на рис. 4.

Рис. 4. Функциональная схема устройства Plug'and'Play на базе драйвера ДР8/1700, адаптера АДР 1200/1700 и IGBT'модуля

www.power e.ru

41

Силовая электроника, № 5’2021

Силовая элементная база

Рис. 5. Общий вид IGBT'модулей на измерительном стенде

Испытания IGBT модулей на устойчивость к воздействию сдвоенного импульса Тест на устойчивость к сдвоенному импульсу включен в 100%-ный контроль для оценки динамического поведения IGBT-модулей после сборки в корпус. Сдвоенный импульс — это метод измерения динамических параметров переключения и оценки динамического поведения. Стопроцентный контроль оценки динамического поведения IGBT-модулей AnM450HBE12M проводится с использованием драйвера ДР8/1700 и согласующего адаптера АДР 1200/1700 на стенде измерения динамических параметров с регулируемым импульсом мощности через индуктивную нагрузку. Общий вид IGBT-модулей на измерительном стенде, при проведении дополнительного 100%-ного контроля на сдвоенный импульс для оценки динамического поведения на предельно допустимом токе коллектора, приведен на рис. 5. Условия проведения испытаний: • Напряжение: 600 В.

• Амплитуда импульсов управления: +15/–8 В.

• Индуктивная нагрузка в режиме непрерывного тока: 300 А.

• Последовательное сопротивление в цепи затвора: 20 Ом.

Рис. 6. Полный цикл переключения AnM450HBE12M при T = +25 °C. 1 — напряжение затвор'эмиттер (Vge); 2 — напряжение коллектор'эмиттер (Vce); 3 — ток коллектора (Ic)

• Температура окружающей среды: (+25 ±10) °С.

• При проведении дополнительного контроля использовались измерительные средства: – осциллограф цифровой запоминающий LeCroy HDO4034; – источник питания МЕГЕОН 30305; – генератор сигналов Rigol DG4102; – пассивный пробник LeCroy PPE 4kV + PP017; – измеритель тока LeCroy T3RC3000. На рис. 6 представлена типовая осциллограмма полного цикла переключения IGBTмодуля при проведении дополнительного контроля на сдвоенный импульс. Выводы Адаптер АДР 1200/1700 решает важную задачу импортозамещения, поскольку позволяет заменять драйверы и IGBT поэтапно и независимо друг от друга. Сборка «драйвер-адаптер-модуль» АО «Ангстрем» может входить в состав других устройств, существенно повышая их уровень локализации:

• • • •

системы управления электродвигателями преобразователи частоты; источники питания; преобразователи для высоковольтных линий электропередачи; • преобразователи переменного/постоянного тока; • бытовая техника (стиральные машины, кондиционеры, холодильники, вентиляторы, насосы и др.). Производственные мощности и центры разработки АО «Ангстрем» позволяют создавать не только электронные компоненты, но и функциональные блоки, не уступающие по характеристикам импортным аналогам. Гибкость производства и ориентированность на отечественный рынок делают возможной адаптацию выпускаемой продукции и разработку новых изделий под нужды отечественных предприятий. АО «Ангстрем» приглашает к сотрудничеству российские компании, как в рамках программ замещения импорта, так и для обеспечения бесперебойности поставок комплектующих.

Высокотехнологичные силовые модули CXT PLA3SA от CISSOID для применения в аэрокосмической отрасли Компания CISSOID расширила свою линейку трехфазных интеллектуальных силовых модулей (IPM) на полевых транзисторах из карбида кремния (SiC), представив новые силовые модули на плоской опорной панели из AlSiC 9 (композитный материал с металлической матрицей на основе алюминия и карбида кремния): • CXT-PLA3SA12340AA (1200 В/340 A); • CXT-PLA3SA12550AA (1200 В/550 A); • CMT-PLA3SB12340AA (1200 В/340 A). Устройства отвечают требованиям теплоотвода при естественной конвекции или принудительном охлаждении для применений в аэрокосмической отрасли и специализированных промышленных приложениях.

42

Совмещение драйвера затвора с силовым модулем позволяет достичь оптимального соотношения скорости переключения и минимальных коммутационных потерь, устойчивости к импульсным помехам тока и напряжения. Функции защиты помогают постоянно контролировать правильную работу всей системы модуля в целом: • блокировка при низких напряжениях питания и управления (UVLO); • защита ключа от перегрузки по току (Desat); • плавное выключение (SSD); • активное подавление эффекта Миллера (AMC). Новый модуль с воздушным охлаждением разработан для применений, в которых жидкостное охлаждение недопустимо, — например, для

аэрокосмических электромеханических приводов и преобразователей энергии. Отвод тепла модуля питания происходит благодаря наличию плоской опорной панели, выполненной из композитного материала с металлической матрицей. Характеристики: • напряжение блокировки: 1200 В; • максимальный ток: 340/550 А; • сопротивление (в открытом состоянии ключа): 3,25 мОм; • потери энергии при включении: 8,42 мДж; • потери энергии при выключении: 7,05 мДж; • рабочая температура модуля: +175 °C; • габариты: 103 154 43 мм.

www.radiant.su www.power e.ru

реклама

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

Мостовой контроллер со сдвигом фазы для высоковольтных систем В статье представлен мостовой контроллер со сдвигом фазы LTC1922 1 компании Analog Devices, который обеспечивает эффективное преобразование энергии с гальванической изоляцией в высоковольтных системах.

Джон Базинет (John Bazinet) Перевод: Михаил Русских

tau68@rambler.ru

Введение В распределенных системах питания оборудования для обработки данных и обеспечения связи используются изолированные высоковольтные преобразователи при генерации промежуточных напряжений шины распределения питания и более низких напряжений для процессора, запоминающих устройств и цепей ввода/вывода. Изолирование такого источника питания необходимо для обеспечения защиты

чувствительных цепей, устранения общего контура заземления, а также для соответствия устройства требованиям регулирующих органов. К сожалению, обеспечение изоляции повышает сложность разработки и снижает КПД вследствие различных факторов, в том числе из-за потерь в магнитном сердечнике и потерь в медных проводах обмотки силового трансформатора. Эти проблемы усиливаются по мере увеличения уровня мощности и входного напряжения. Кроме того, паразитная индуктивность рассеяния

Рис. 1. Блок'схема LTC1922

44

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

может генерировать высоковольтные скачки напряжения на силовых полевых МОПтранзисторах, что приводит к еще большему снижению КПД и созданию нежелательных электромагнитных помех. Повышение КПД этих источников питания позволяет смягчить требование к охлаждению, уменьшить объем, вес и стоимость. Мостовые преобразователи энергии со сдвигом фазы стали популярными благодаря их возможности функционирования при наличии паразитных характеристик силового трансформатора и полевых МОПтранзисторов с целью значительного снижения коммутационных потерь и шума. Микросхема LTC1922-1 в 20-выводном корпусе SSOP (с литерой G) или PDIP (с литерой N) (рис. 1) представляет собой полнофункциональный контроллер для создания мостового преобразователя со сдвигом фазы. LTC1922-1 имеет широкий рабочий диапазон (фазовый сдвиг 0–99,5%) фазового модулятора, а также содержит блок генерации программируемой (в диапазоне 10 кГц — 1 МГц) фиксированной частоты и режим управления по току с инновационной схемой обеспечения переключений при нулевом напряжении (ZVS) во всех рабочих условиях, благодаря чему осуществляется оптимизация КПД. Встроенная схема управления синхронным выпрямлением с удвоением тока еще больше увеличивает КПД и сокращает пульсации выходного напряжения. Благодаря низким пусковым токам и токам покоя в рабочем режиме нагрузка на внешние цепи смещения существенно снижается, а точный стабилизатор с малым падением напряжения на 5 В обеспечивает ток до 15 мА для питания вспомогательных цепей. Кроме того, в LTC1922-1 легко запрограммировать уровень

Рис. 2. Мгновенные потери на переключении из'за емкостного разряда

www.power e.ru

ограничения тока, длительность импульса гашения переднего фронта, параметры плавного пуска и цепи защиты от короткого замыкания, что уменьшает сложность схемы и сокращает время разработки. Что представляет собой мостовой контроллер со сдвигом фазы? Мостовой преобразователь со сдвигом фазы не обеспечивает резкого переключения силовых полевых МОП-транзисторов, как в случае со стандартными мостовыми или прямоходовыми преобразователями. Вместо этого он использует энергию, накопленную в индуктивности рассеяния силового трансформатора для плавного включения каждого из четырех силовых полевых МОП-транзисторов в составе полного моста. Переключение при нулевом напряжении происходит при включении и выключении внешних силовых полевых МОПтранзисторов, когда их соответствующие напряжения сток-исток равны или близки к нулю, что позволяет устранить мгновенные потери мощности при включении полевых МОП-транзисторов, возникающие из-за COSS (емкости сток-исток) и разряда паразитной емкости (рис. 2). Это помогает повысить КПД, снизить электромагнитные помехи, возникающие из-за переключений, и устранить необходимость в использовании снабберов в первичной цепи. Управление сдвигом фазы На рис. 3 показано, что диагонально расположенные ключи в полном мосту (A-D или B-C) открываются и закрываются одновременно, чтобы подавать энергию на нагрузку (во вторичную цепь). Каждый сигнал управления ключами имеет коэффициент запол-

нения 50% за вычетом небольшой задержки на переключение при нулевом напряжении. Выходные сигналы ключей A и B сдвинуты по фазе на 180° и меняют состояние каждый раз, когда генератор синхронизирует встроенный ШИМ-триггер. Аналогичным образом выходные сигналы ключей C и D сдвинуты по фазе на 180° и изменяют состояние каждый раз, когда сигнал источника пилообразного напряжения RAMP превышает уровень управления ШИМ, определяемый COMP. По мере увеличения уровня управления ШИМ происходит соответствующее расширение перекрываемых областей проводимости (A-D или B-C), иными словами, увеличение фазового сдвига. Максимальная перекрываемая область пары ключей составляет 50% от периода. Поскольку обе пары переключателей проводят ток во время периода работы трансформатора, максимально достижимый коэффициент заполнения составляет 100%. При закрытии ключа соответствующий импульс намагничивания трансформатора и индуктивности рассеяния во время управления фазовым сдвигом позволяет коммутировать напряжения соответствующих плеч моста в сторону нулевого напряжения. Адаптивная технология DirectSense В LTC1922-1 принцип переключения при нулевом напряжении (ZVS) реализуется с помощью технологии DirectSense с обратной связью. Оптимальное время задержки ZVS является сложной нелинейной функцией, зависящей от тока нагрузки, емкости сток-исток полевого МОП-транзистора, межобмоточной емкости трансформатора, индуктивности рассеяния и намагничивания, а также выходной индуктивности. Кроме того, в зависимости от различных факторов

Рис. 3. Временная диаграмма LTC1922

45

Силовая электроника, № 5’2021

Рис. 4. Непосредственное измерение напряжений полного моста

Силовая элементная база

Рис. 5. Зависимость пульсаций на выходном дросселе от коэффициента заполнения

Рис. 6. Преобразователь на основе LTC1922 и компонентов для поверхностного монтажа, обеспечивающий на выходе напряжение 3,3 В и ток 40 А

46

www.power e.ru

Силовая элементная база

Силовая электроника, № 5’2021

каждое плечо моста может вести себя поразному, из-за чего необходимо предусматривать различные задержки. Достижение оптимального времени задержки позволяет предотвратить резкое переключение и/или увеличение проводимости внутреннего диода, увеличить диапазон коэффициента заполнения и минимизировать электромагнитные помехи. Рассмотрим рис. 4. LTC1922 измеряет напряжение на каждом плече моста с использованием делителя напряжения на линиях PDLY и ADLY и измеряет входное напряжение питания с помощью делителя напряжения на линии SBUS. Встроенные высокоскоростные компараторы, логика изменения состояний и ШИМ, а также схемы обеспечения защиты формируют команду соответствующим верхним полевым МОПтранзисторам (MA, MC) на включение, когда возрастающие напряжения на PDLY и ADLY пересекают пороговый уровень, определяемый напряжением на SBUS. Кроме того, каждый нарастающий фронт сигналов на линиях ADLY и PDLY приводит к возникновению определенного тока с точным значением, вытекающего из ADLY и PDLY соответственно. Прохождение этого тока через внешний резистивный делитель приводит к формированию более низкого порогового уровня для использования, когда плечи моста коммутируются на «землю», обеспечивая переключение при нулевом напряжении для нижних полевых МОП-транзисторов (MB, MD). После прохождения заднего фронта сигнала ток сбрасывается. Измеряя напряжение на плечах моста и входное напряжение питания, LTC1922-1 может адаптироваться к любым изменениям тока нагрузки, температуры, допусков компонентов, смещения задержки схемы драйвера или входного напряжения. К преимуществам применения такой адаптивной технологии можно отнести простоту разработки, высокий КПД, увеличенный коэффициент заполнения, малый уровень электромагнитных помех, а также стабильность рабочих характеристик без необходимости проведения тонкой настройки.

Синхронное выпрямление Синхронное выпрямление способно значительно повысить КПД, особенно при более низких выходных напряжениях и при оптимальной синхронизации переключения. Как показано на рис. 3, LTC1922-1 содержит цепи синхронизации и логики, необходимые для генерации управляющих сигналов для синхронных выпрямителей вторичной цепи. Эти интервалы переключения запрограммированы с целью предотвращения преждевременного включения и запоздалого выключения внешних синхронных выпрямителей, что дает преимущество по сравнению с кремниевыми диодными выпрямителями и барьерными выпрямителями Шоттки и устраняет необходимость в применении внешней логической схемы и дискретной схемы синхронизации. Полевые МОП-транзисторы синхронного выпрямителя и силовой каскад вторичной цепи трансформатора собраны в схему удвоителя тока с чередованием. В удвоителе тока используются два дросселя, которые поровну распределяют выходной ток и, что более важно, обеспечивают сдвиг по фазе на 180°. Это значительно уменьшает ток пульсаций выходного конденсатора в зависимости от продолжительности включения (рис. 5), что в свою очередь сокращает пульсации напряжения и увеличивает срок службы выходного конденсатора, при этом обеспечивается в два раза больше выходного тока по сравнению с сопоставимыми силовыми каскадами с одним дросселем. Изолированный преобразователь с входным напряжением 48 В, выходным напряжением 3,3 В и выходным током 40 А На рис. 6 представлена схема, в которой LTC1922-1 используется для преобразования через изоляционный барьер входного напряжения 36–72 В в стабилизированное выходное напряжение 3,3 В с током 40 А. В этой схеме применяются только компоненты для поверх-

Рис. 7. КПД преобразования входного напряжения 48 В в выходное напряжение 3,3 В

www.power e.ru

ностного монтажа. Максимальный КПД составляет чуть более 90% и снижается до 85% при нагрузке 40 А (рис. 7). Благодаря высокому КПД устраняется необходимость в использовании принудительного воздушного охлаждения, защитных пластин или громоздких радиаторов. Одна микросхема драйвера LTC1693-1 и миниатюрные сигнальные трансформаторы предназначены для управления затвором двух полевых МОП-транзисторов верхнего плеча. Вторая микросхема LTC1693-1 управляет синхронными выпрямителями во вторичной цепи. Программируемый источник опорного напряжения LT1431 и стандартный оптрон применяются в цепи обратной связи для передачи через изоляционный барьер информации о качестве стабилизации напряжения. На осциллограммах характеристик первичной цепи (рис. 8) показаны очень четкие переходные процессы, свойственные мостовому преобразователю со сдвигом фазы. Поскольку LTC1922-1 представляет собой контроллер с режимом управления по току, его легко адаптировать к стандартным методам распределения нагрузки, используемым в системах резервного питания. К дополнительным функциям этого преобразователя относятся защита от защелкивания при низких напряжениях, плавный пуск, гашение переднего фронта, ограничение тока и защита от короткого замыкания. Заключение Мостовой преобразователь со сдвигом фазы — лучший вариант для осуществления изолированного преобразования высокого напряжения благодаря его высокому КПД и низкому уровню шума. LTC1922-1 представляет собой решение следующего поколения для управления преобразователями такого типа, обеспечивающее оптимальное переключение при нулевом напряжении и имеющее встроенную цепь управления синхронным выпрямителем, а также ряд других функций, предназначенных для высоковольтных систем.

Рис. 8. Осциллограммы электрических характеристик преобразователя входного напряжения 48 В в выходное напряжение 3,3 В с выходным током 20 А

47

Источники питания

Силовая электроника, № 5’2021

Предельная непрерывная модель системы с периодическим высокочастотным изменением структуры В статье рассмотрено понятие предельной непрерывной модели системы с высокочастотным периодическим изменением структуры, используемой при расчете импульсных регуляторов и стабилизаторов напряжения.

Анатолий Коршунов

Введение В силовой электронике существует достаточно широко распространенный класс систем с периодическим высокочастотным изменением структуры. Частота переключений структуры выбирается высокой по отношению к скорости протекающих в системе процессов, как свободных, так и вынужденных. Наиболее типичный пример таких систем — импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИППН) [1–4]. Изменение структуры в ИППН осуществляют силовые транзисторные ключи. Импульсные преобразователи напряжения (ИПН) успешно применяются для регулирования и стабилизации напряжения переменного тока [5–8]. В силовой электронике используются и другие устройства с периодическим высокочастотным изменением структуры, например автономные инверторы, предназначенные для частотного управления двигателями переменного тока. Принцип периодического высокочастотного изменения структуры применяется в схемотехнике для плавного регулирования емкости конденсаторов, сопротивления резисторов и индуктивности дросселей [9–11]. Основная идея использования систем с высокочастотным периодическим изменением структуры состоит в осреднении и сглаживании выходных переменных за счет высокой частоты изменения структуры. Управление выходными переменными осуществляется изменением соотношения частей периода переключений. Анализ и синтез ИППН — наиболее распространенной разновидности систем с периодическим высокочастотным изменением структуры — изначально основан на методе осреднения в той или иной форме. Суть метода осреднения состоит в описании процессов в ИППН дифференциальными уравнениями относительно «средних» значений фазовых координат системы [1–4]. Дифференциальные уравнения получались

48

на основе физических соображений, а не строгих математических выводов, поскольку само понятие «средние значения фазовых координат» более интуитивное, чем строго математическое. Достоинство метода осреднения состоит в возможности применения хорошо разработанных методов анализа и синтеза непрерывных систем. Тенденция повышения частоты переключений сохраняет актуальность метода осреднения. Однако необходимо его строгое математическое обоснование. Поскольку в основе применения метода осреднения лежит пренебрежение пульсациями фазовых координат системы, учитывая их незначительность в реальных системах с высокой частотой переключений и жесткими требованиями к качеству выходного напряжения, целесообразно рассматривать «предельную непрерывную модель» (ПНМ) системы с периодическим высокочастотным изменением структуры [12]. Эта модель соответствует бесконечной частоте переключений и полному отсутствию пульсаций фазовых координат. Получена она строго математически с помощью предельного перехода для общего случая q переключаемых структур [12]. Разумеется, ПНМ отличается от реальной системы, но в практически важных случаях «достаточно высокой частоты переключений» оказывается близкой к ней настолько, что процессы в реальной системе отличаются от процессов в ее ПНМ только незначительными пульсациями фазовых координат, не превосходящими допустимых. Математическое описание системы Рассмотрим системы, фазовые траектории которых непрерывны, что характерно для реальных технических устройств. Состояние системы определяется m-мерным вектором фазовых координат ХТ = [х1, х2, …,хm], Т — знак транспонирования [12]. Для общности рассмотрим системы, изменяющие свою структуру q раз в течение периода Т. На каждом из q отрезков периода Т система описывается своим www.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 5’2021

стационарным линейным дифференциальным уравнением в векторноматричной форме:

специалистов в области силовой полупроводниковой техники и учащихся технических вузов использован традиционный математический аппарат. Для получения дифференциального уравнения предельной непрерывной модели необходимо вычислить производную ее фазовых координат по времени:

(1) где Ai — m×m — квадратная; Bi — m×k — прямоугольная матрица,

(6)

— k-мерный вектор внешних непрерывных воздействий, Ui(τ) = Ui(t) при t = nT+ τ1+ τ2+... τi-1+ τ; Т — период повторения при изменении структуры: τ1+τ2+...+τq = T. (2)

при τi/T = γi = const, i =1, 2, …, q, nT = t = const. Не теряя общности, можно вычислить предел (6) для q = 3, а полученный результат распространить на общий случай. С этой целью получено выражение:

Решение i-го векторно-матричного линейного дифференциального уравнения на i-м интервале периода Т: 0< τ< τi имеет, как известно, следующий вид:

(3)

(7)

где Hi(τ) = exp(Aiτ) — матричная экспонента. Начальное значение вектора фазовых координат на i-м отрезке периода изменения структуры согласно принципу непрерывности фазовых координат при ограниченных воздействиях равно его конечному значению на предыдущем i-м отрезке:

Для вычисления предела (6) удобно разложить полученное выражение (7) в ряд по степеням Т, воспользовавшись абсолютной сходимостью разложения матричной экспоненты в ряд по степеням ее аргумента. Ограничиваясь линейным членом разложения, получаем:

(4) Используя выражения (3) и (4), несложно получить разностное уравнение системы, связывающее значения вектора фазовых координат системы в начале и в конце периода изменения структуры системы, то есть X(n+1)T и X(nT). Ниже для простоты оно записано для частного случая q = 3:

(8) где 0(T) — векторная величина более высокого порядка малости, чем T. Подстановка полученного разложения (8) в предел (6) позволяет без труда найти (9) где (10)

(5)

Ui(t) — k-мерный вектор внешних воздействий (1), i= 1, 2, …, q. Распространение по очевидной аналогии полученного для q = 3 результата на произвольное значение q дает в общем случае: (11)

Дифференциальное уравнение предельной непрерывной модели В реальных системах рассматриваемого класса фазовые координаты и, следовательно, выходные сигналы состоят из плавной составляющей и высокочастотных пульсаций, вызванных периодическим изменением структуры. Плавная составляющая полезна: именно ради нее и строятся эти системы. Пульсации же вредны, но неизбежны. При выборе достаточно высокой частоты (малого периода Т) изменения структуры пульсации имеют небольшую допустимую величину. Очевидно, что при уменьшении периода повторения Т пульсации уменьшаются, а при Т → 0 остается одна полезная гладкая составляющая фазовых координат системы. Такую систему назовем предельной непрерывной моделью. Дифференциальные уравнения предельной непрерывной модели можно получить, используя теорию дифференциальных уравнений с разрывной правой частью, развитую в работах А. Ф. Филиппова [13]. Однако в целях доступности изложения для более широкого круга www.power e.ru

Рис. 1. Расчетная схема повышающего ИППТ

49

Источники питания

Силовая электроника, № 5’2021

Анализ полученного дифференциального уравнения (9) показывает, что при γi = const, i = 1, 2, …, q оно оказывается линейным, то есть при Т→0 рассматриваемая система приближается к линейной непрерывной стационарной системе. В реальных технических устройствах для управления системой используют изменение величин γi. В этом случае управляющее воздействие оказывается не сигнальным, а параметрическим, поскольку изменяет элементы матрицы А (11). В этом случае предельная непрерывная модель рассматриваемой системы с переменной структурой представляет собой непрерывную нестационарную систему. Анализ таких систем, как известно [14], представляет весьма сложную задачу. Пример практического применения В качестве примера рассмотрим упомянутый во введении простейший повышающий ИППТ. На рис. 1 представлена его расчетная схема. Ключ К в каждом периоде переключений Т в течение времени τ находится в положении «1», а оставшуюся часть периода –— в положении «2». Таким образом: q = 2, γ1 = τ/Т, γ2 = 1 – γ1. Состояние преобразователя определяется двумя фазовыми координатами (m = 2): током в индуктивности L (дросселе) I = x1 и напряжением на конденсаторе С uH = x2. Очевидно: U(t) = U1, k = 1. Записав по законам Кирхгофа системы дифференциальных уравнений для двух положений ключа К:

(12)

(13)

где r и L — сопротивление и индуктивность дросселя; C — емкость конденсатора, и преобразовав их к форме Коши (1), получаем:

(14)

Подстановка выражений (14) в формулы (11) дает:

(15)

Согласно последнему выражению повышающий преобразователь в статике представляет собой управляемый источник напряжения, ЭДС и выходное сопротивление которого зависят от γ по формулам: E = U/(1–γ), Rвых=r/(1–γ)2.

Статическая характеристика повышающего преобразователя под нагрузкой uн0 = f(γ) имеет максимум при: (19) равный: (20) При γ → 1 согласно выражению (17) uH → 0. Причина указанных особенностей статической характеристики нагруженного преобразователя — в отличном от нуля активном сопротивлении дросселя (r > 0), ограничивающем ток дросселя согласно неравенству: I ≤ Imax = U/r.

Оценка точности предельной непрерывной модели Предельная непрерывная модель системы с периодическим изменением структуры тем точнее описывает ее свойства, чем меньше период. Аналитическое исследование точности модели представляет собой сложную математическую задачу, возможно не столь важную для практики, поскольку в каждом конкретном случае точность можно оценить путем математического моделирования. В качестве примера приведем результат исследования повышающего импульсного преобразователя 100/200 В при следующих его параметрах: L = 6,914 × 10-3 Гн, r = 0,2 Ом, RH = 40 Ом, С = 14 × 10-6 Ф, Т = 2 × 10-5 с (50 кГц). Значение γ = γ0, обеспечивающее требуемую величину выходного напряжения uH = 200 B при U = 100 В на возрастающей ветви статической характеристики, определяется решением уравнения (17):

(16)

Установившийся режим работы преобразователя при U = const, γ = const легко получить, положив в системе (16) dx1/dt = 0, dx2/dt = 0 и решив ее относительно x1 и x2. В результате получаем:

50

(21)

При малом времени подпитки конденсатора С, равном (1 – γ)Т и уменьшающемся с ростом γ, амплитуда тока подпитки должна неограниченно расти. Вследствие ограничения (21) это невозможно и вызывает уменьшение выходного напряжения преобразователя при увеличении γ сверх γmax. При работе повышающего преобразователя в замкнутой системе стабилизации или регулировании выходного напряжения необходимо ограничивать величину γ, чтобы не превышать γmax, так как в противном случае увеличение γ сверх γ max приведет в замкнутой системе к уменьшению выходного напряжения до нуля.

Используя полученные выражения (15), векторно-матричное уравнение предельной непрерывной модели можно переписать в виде системы дифференциальных уравнений в форме Коши:

(17)

(18)

Рис. 2. Осциллограмма выходных напряжений преобразователя uH(t) и его предельной непрерывной модели uH(t)непр

www.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 5’2021

системе, можно оценить по отработке им гармонической составляющей входного сигнала, показанного на рис. 2 в масштабе увеличения. Очевидно отставание реакции от воздействия. В качестве «пробного» воздействия на повышающий преобразователь выберем изменение γ по закону: γ(t) = γ0+ Δγ sin (2πft), где Δγ = 0,025<< γ0 = 0,5112; f = 100 Гц,

При достаточно малом периоде систему с периодическим изменением структуры можно рассматривать как непрерывную, дифференциальные уравнения которой получены по ее предельной непрерывной модели. Использование ИПН в замкнутых системах регулирования и стабилизации напряжения требует учета не только нелинейности его предельной непрерывной модели, но и дискретного характера управления. Рассмотрению этих вопросов посвящена монография [15]. Данная статья представляет собой выдержку из нее. Литература

реклама

1. Источники вторичного электропитания. Справочное пособие под ред. Ю. И. Конева. М.: Радио и связь, 1983.

2. Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1988.

3. Чети П. Проектирование ключевых источников питания. М.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Белов Г. А. Динамика импульсных преобразователей. Чебоксары, Изд-во Чуваш. ун-та, 2001.

5. Тимченко Н. М., Жуков В. И. Импульсный стабилизатор переменного напряжения. Авт. свид. СССР № 472339.

реклама

которое позволит наблюдать процесс установления выходного напряжения U2 = 200 B и его установившиеся колебания, вызванные гармоническими колебаниями отклонения γ от γ0, равными Δγ sin(2πft). На рис. 2 представлена осциллограмма выходных напряжений преобразователя u H (t) и его предельной непрерывной модели, u H (t) непр , полученная с помощью Matlab6.5, Simulink, SimPowerSystems. Из рис. 2 очевидно, что выходной сигнал предельной непрерывной модели практически является «средней линией» выходного сигнала модели реального преобразователя, содержащего пульсации выходного напряжения. Следовательно, предельная непрерывная модель преобразователя при достаточно высокой частоте переключений его структуры с достаточной точностью описывает поведение полезной составляющей выходного напряжения реального преобразователя. Динамические свойства преобразователя, весьма важные при его работе в замкнутой

Вывод

6. Коршунов А. И. Импульсный стабилизатор переменного напряжения. Авт. свид. РФ № 2246127 от 10 февраля 2005 года.

7. Коршунов А. И. Анализ установившихся режимов импульсных преобразователей напряжения переменного тока // Электричество. 2005. № 11.

8. Коршунов А. И. Стабилизация напряжения переменного тока // Электротехника. 2016. № 4.

9. Коршунов А. И. Импульсное регулирование емкости конденсаторов // Изв. вузов. Приборостроение. 2015. Т. 58. № 6.

10. Коршунов А. И. Система стабилизации напряжения с параметрическим управлением // Электротехника. 2018. № 8.

11. Коршунов А. И. Плавное регулирование параметров катушки индуктивности // Практическая силовая электроника. 2018. № 4 (72).

12. Коршунов А. И. Предельная непрерывная модель системы с высокочастотным периодическим изменением структуры // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. № 9.

13. Филиппов А. Ф. Дифференциальные уравнения с разрывной правой частью. М.: Наука, 1985.

14. Солодов А. В., Петров Ф. С. Линейные автоматические системы с переменными параметрами. М.: Наука, 1971.

15. Коршунов А. И. Элементы теории систем с периодическим высокочастотным изменением структуры и их применение к расчету импульсных источников питания постоянного и переменного тока. ВМПИ ВУНЦ ВМФ «ВМА», 2019.

www.power e.ru

51

Силовая электроника, № 5’2021

Источники питания

Особенности работы импульсных преобразователей с ШИМ-контроллером в режиме перегрузки и короткого замыкания на выходе Описаны способы защиты импульсных стабилизирующих преобразователей напряжения от перегрузок по току, улучшения потребительских характеристик и повышения их надежности.

Анатолий Миронов

В

[1] подробно описаны особенности работы импульсных стабилизирующих преобразователей напряжения (ИСПН) с одно- и двухтактными ШИМ-контроллерами типа UC3842, UC3825 и их аналогами в качестве узлов регулирования в режиме малой нагрузки и холостого хода (ХХ), приведены схемы узлов ИСПН, позволяющие устранить нежелательные эффекты этих режимов для нагрузки. В статье рассмотрен другой, не менее важный режим работы ИСПН на основе указанных контроллеров — режим перегрузки по току и короткого замыкания (КЗ) на выходе. Если режим ХХ задается параметрами нагрузки ИСПН, то режим перегрузки по току и КЗ реализуется не только нагрузкой, но каждый раз, например при запуске ИСПН, независимо от параметров нагрузки или при скачкообразном увеличении тока

Рис. 1. Типовая схема ИСПН с ШИМ'контроллером

52

нагрузки и практически определяет надежность преобразователя. ИСПН, спроектированный без учета перечисленных особенностей, может устойчиво работать в установившемся режиме, но мгновенно выйти из строя при включении. Указанные контроллеры появились относительно давно, но продолжают пользоваться у разработчиков заслуженным вниманием и популярностью. Современные контроллеры (например, серии LM5000) отличаются от названных тем, что те же или похожие алгоритмы управления и защиты ИСПН реализуются с меньшим количеством навесных элементов. Как и в [1], для определенности выбран класс ИСПН с широтно-импульсным принципом регулирования выходного напряжения, хотя рассмотренные способы реализации защиты от перегрузок можно распространить и на ИСПН, построенные на иных принципах стабилизации выходного напряжения. Типовая схема ИСПН с управлением ШИМконтроллером и организацией цепей защиты показана на рис. 1. Остальные цепи ИСПН условно не показаны. Во время включения ИСПН контроллер К сначала не работает. Его потребление незначительно (0,1–1 мА). Ключ Кл закрыт. Через внешние цепи (на рис. 1 не показаны) заряжается конденсатор CП. Когда его напряжение достигает напряжения включения UВКЛ, все узлы контроллера включаются, его потребление увеличивается до 5–40 мА, начинается периодическая работа ключа Кл. Во время работы контроллер К питается от дополнительной обмотки трансформатора или дросселя трансформаторновыпрямительного узла ТВУ, напряжение которой выпрямляется диодом V1 и сглаживается конденсатором СП. Частота работы контроллера определяется частотозадающим конденсатором СЧ. Каждый период работы контроллер с выхода OUT подает открывающее напряжение на затвор ключа Кл, который заwww.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 5’2021

крывается либо по окончании управляющего импульса, либо по сигналу узла защиты контроллера. Ток через ключ Кл контролируется непосредственно на резисторе — датчике тока либо через трансформатор тока ТТ в ИСПН большой мощности. На рис. 2 показана выходная характеристика ИСПН. Если выходной ток не превышает номинального значения IН, ИСПН стабилизирует выходное напряжение (горизонтальный участок характеристики). С увеличением выходного тока сверх значения IН ИСПН продолжает стабилизировать выходное напряжение до значения IНЗ (запас), после чего переходит в режим защиты, ограничивая рост выходного тока и уменьшая выходное напряжение (спадающий вправо участок характеристики). Для защиты ключа от перегрузок по току зачастую применяется двухступенчатый алгоритм защиты от перегрузок по току. Напряжение, пропорциональное мгновенному значению тока ключа Кл, выделяется на резисторе — датчике тока RДТ и через помехоподавляющую RC-цепь подается на внешний вход CS компаратора тока. На другой вход компаратора (внутри контроллера) подано образцовое напряжение UОБР = 0,5–1 В в зависимости от типа контроллера. При увеличении тока через ключ Кл увеличивается и напряжение на резисторе RДТ. При достижении последним максимального значения напряжения URДТ = UОБР компаратор тока принудительно закрывает ключ Кл до конца текущего периода работы. Так происходит каждый период работы контроллера К. Ключ Кл защищен. Выходная характеристика ИСПН переходит на наклонный участок (сплошная линия). Так реализован алгоритм работы первой ступени защиты от перегрузок. Если напряжение питания контроллера будет в допуске, то с уменьшением сопротивления нагрузки выходное напряжение продолжит снижаться, а выходной ток — увеличиваться до значения IВЫХ М (спадающий вправо участок характеристики, обозначенный пунктиром). Работа в таком режиме безопасна для ИСПН, однако при этом он не может выполнять свою основную функцию — стабилизировать выходное напряжение. И в этом смысле теперь его работа бесполезна. Устранить этот нежелательный режим призвана вторая ступень защиты. Циклограмма работы ИСПН на этом этапе показана на рис. 3. Обычно питание контроллера К по схеме, показанной на рис. 1, осуществляется стабилизированным напряжением, пропорциональным выходному. С уменьшением сопротивления нагрузки рабочая точка продолжает движение по наклонному участку характеристики вправо вниз. Выходное напряжение контроллера К также уменьшается, а выходной ток продолжает увеличиваться. При значении выходного напряжения UВЫХ = (0,7–0,8)×UВЫХ Н напряжение питания контроллера К уменьшается до значения UВЫКЛ, а выходной ток увеличивается до значения IЗ1, и контроллер выключается. Его потребление скачкообразно уменьшается до значений 0,1–1 мА, и вновь начинается процесс запуска — напряжение на конденсаторе СП начинает увеличиваться до значения UВКЛ, когда произойдет включение контроллера и запуск ИСПН (интерwww.power e.ru

Рис. 2. Выходная характеристика ИСПН

вал t1–t2). В этом режиме работы рабочая точка скачкообразно «скатывается» по характеристике влево вниз (пунктирная линия). ИСПН переходит в режим работы «включение-выключение» с частотой 10–30 Гц, а среднее значение выходного тока уменьшается многократно до значения IКЗ1. Включаясь каждый раз, преобразователь как бы проверяет, не устранена ли перегрузка. При КЗ на выходе ИСПН для выходного тока справедливо соотношение: IКЗ1 = IВЫХ М × (t3 – t2)/(t3 – t1).

(1)

Специфика схемы питания контроллера (рис. 1) состоит в том, что качество переменного напряжения на обмотке зависит от коэффициента трансформации силового дросселя ТВУ, величины входного и выходного напряжений ИСПН. Чем больше мощность ИСПН и чем меньше его выходное напряжение, тем больше выброс на фронте и спаде напряжения на обмотке, вырабатывающей напряжение питания контроллера К. По этой причине напряжение на конденсаторе СП формируется

в том числе и амплитудой выброса, которая имеет максимальное значение при КЗ. Для устранения влияния выбросов напряжения на обмотки питания контроллера К в схеме рис. 1 предусмотрен балластный резистор RБ. Постоянная времени RБСП выбирается порядка 100–200 нс, чтобы задемпфировать только выброс напряжения в момент заряда конденсатора СП, не изменяя его установившегося значения. Однако с увеличением амплитуды и длительности выброса приходится увеличивать сопротивление резистора, напряжение на конденсаторе СП уменьшается, и пропорциональность выходного напряжения и напряжения питания контроллера К нарушаются. Нередко бывает так, что при перегрузке выходное напряжение продолжает уменьшаться, а напряжение питания контроллера К остается неизменным и даже (вследствие большой амплитуды выброса) увеличивается. Поэтому значение выходного тока срабатывания второй ступени защиты IЗ меняется, увеличиваясь, например, с IЗ1 до IЗ2, как показано на рис. 2. Следом увеличивается и среднее значение выходного тока с IКЗ1

Рис. 3. Циклограмма напряжения питания контроллера во время работы второй ступени защиты от перегрузок по току

53

Источники питания

Силовая электроника, № 5’2021

Рис. 4. Способ устранения влияния выброса напряжения при зарядке конденсатора СП

до IКЗ2, а за этим — и входного тока в такой же пропорции, что часто неприемлемо. Один из возможных способов устранения этого нежелательного эффекта показан на рис. 4. Здесь между обмоткой и диодом в схеме питания контроллера К по рис. 1 включен р-канальный транзистор VT. При появлении на обмотке положительной полуволны напряжения с выбросом зарядка конденсатора СП в первый момент заблокирована, поскольку транзистор закрыт. Его затворная емкость при этом заряжается через ограничительный резистор RОГР, реализуя задержку открывания. Номинал резистора выбирают таким, чтобы открывание транзистора произошло после окончания действия выброса напряжения. Балластный резистор RБ здесь не нужен. Его заменяет сопротивление открытого канала транзистора VT. Поскольку потребление контроллера составляет единицы-десятки миллиампер, транзистор VT — маломощный. При отрицательной полуволне напряжения на обмотке затвор транзистора защищен от пробоя диодом V1, а протекание разрядного тока конденсатора СП блокирует диод V2. Уменьшить дрейф значения IКЗ также можно, изменив схему построения узла защиты, как показано на рис. 5. Здесь изображены только цепи и элементы, важные для работы узла защиты. С входа компаратора тока CS контроллера сигнал дополнительно подается на амплитуд-

Рис. 5. Вариант построения защиты от перегрузок по току с дополнительной цепью разряда конденсатора цепи питания контроллера

ный детектор АД, на выходе которого формируется постоянное напряжение, равное амплитуде его входного сигнала в рассматриваемый период работы ИСПН. Часть его через делитель напряжения на резисторах R1 и R2 подается на базу транзистора VT. Делитель напряжения настраивается так, чтобы при достижении током нагрузки значения IНЗ (начало работы I первой ступени защиты) транзистор VT также начинал открываться. При этом появляется дополнительная цепь разряда конденсатора CП во время перегрузки и крутизна спадающего участка выходной характеристики увеличивается, а дрейф значений IЗ1, IЗ2 и, соответственно, IКЗ1, IКЗ2 — уменьшается. Параметры ИСПН во время перегрузки более стабильны, чем в преобразователе по схеме рис. 1. Еще одна особенность рассматриваемого способа защиты заключается в том, что с увеличением температуры окружающей среды уменьшается напряжение «база-эмиттер» открывания транзистора VT, что автоматически влечет за собой уменьшение тока срабатывания защиты IНЗ. Этот эффект можно рассматривать как дополнительную защиту преобразователя от перегрева, которая «дается даром». Еще один способ защиты от перегрузок по току описан в [2]. Схема его построения похожа на вариант на рис. 5 с той разницей, что коллектор транзистора VT подключен через допол-

Рис. 6. Вариант построения защиты от перегрузок по току со снижением частоты преобразования ИСПН

54

нительный конденсатор CДОП к конденсатору задания частоты преобразования CЧ (рис. 6). Здесь при достижении выходным током значения IНЗ транзистор VT, открываясь, подключает к частотозадающему CЧ дополнительный конденсатор CДОП, что приводит к уменьшению частоты преобразования ИСПН. В [2] показано, что такое построение позволяет практически стабилизировать значение тока IНЗ независимо от степени перегрузки, то есть сделать спадающий участок выходной характеристики практически вертикальным. Особое значение этот эффект имеет, когда ИСПН используется в режиме зарядного устройства. Рассмотренному ИСПН также присуще свойство защиты от перегрева. В [3] описан оригинальный способ питания контроллера выходным напряжением от нерегулируемого конвертера НК (рис. 7). При этом сам конвертер питается от выходного напряжения ИСПН. Таким образом, выходное напряжение конвертера строго пропорционально выходному напряжению ИСПН. Этот способ построения узла защиты можно рекомендовать для ИСПН повышенной мощности, поскольку у таких ИСПН при перегрузке нарушается пропорциональность выходного напряжения и напряжения питания контроллера, построенного по схеме рис. 1. Поскольку контроллер К потребляет небольшую мощность (0,2–0,5 Вт) независимо от режима работы ИСПН, НК имеет малые размеры. Кроме того, он создает небольшую нагрузку, что устраняет необходимость устанавливать дополнительные резисторы на выходе ИСПН, обеспечивающие нормальную работу преобразователя на холостом ходу. При таком построении узла защиты напряжение питания контроллера уже не зависит от особенностей ИСПН и степени перегрузки, а определяется исключительно уровнем напряжения на его выходе. При перегрузке выходное напряжение ИСПН уменьшается и последний также переходит в режим «включение/выключение» при стабильном значении тока IЗ. Среднее значение выходного тока при коротком замыкании IКЗ также стабильно. При продолжительной работе в режиме КЗ важно, чтобы ИСПН не перегревался. Для этого достаточно, например, установить при регулировке среднее значение потребляемого тока при КЗ на порядок меньше, чем при ноwww.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 5’2021

минальном выходном токе. Один из способов реализует схема, показанная на рис. 8. Напомню, что во всех режимах работы ИСПН амплитудное значение тока через ключ Кл ограничено (работа первой ступени защиты). Во время закрытого состояния ключа Кл каждый период на его стоке формируется выброс напряжения, который через диод V4 заряжает конденсатор С3, заодно ограничивая и амплитуду выброса. Разряжается этот конденсатор по цепи R2V2, удерживая во время штатной работы ИСПН транзистор VT в закрытом состоянии. Этот транзистор используется при запуске ИСПН, формируя необходимой величины ток, заряжающий конденсатор СП. Во время перегрузки выходное напряжение и напряжение питания контроллера К уменьшаются и начинается второй этап работы защиты — включение/выключение. Однако после выключения контроллера К зарядка конденсатора СП начнется только после разряда конденсатора С3. Таким образом формируется задержка включения контроллера К (интервал времени t4–t5 на рис. 3), а выражение (1) для выходного тока при КЗ приобретает следующий вид:

Рис. 7. Вариант защиты от перегрузок по току с питанием контроллера от нерегулируемого конвертера напряжения

IКЗ1 = IВЫХ М × (t3 – t2)/[(t3 – t1) + (t5 – t4)]. (2) Очевидно, что значение тока IКЗ1, рассчитанное по формуле (1), больше, чем рассчитанное по формуле (2). Выбирая величину емкости конденсатора С3, можно значительно уменьшить ток, потребляемый ИСПН при КЗ, и устранить его перегрев. Литература 1. Миронов А. А. Особенности работы преобразователей с ШИМ-контроллером в режиме малой нагрузки и холостого хода // Практическая силовая электроника. 2017. № 1.

2. Миронов А. А. Устройство защиты импульсного преобразователя от перегрузок по току и коротких замыканий. Материалы заявки на патент № 2021128227/20(030901).

3. Миронов А. А. Конвертер напряжения. Патент на полезную модель № 35488, 2003.

Рис. 8. Способ уменьшения потребляемого тока ИСПН при КЗ

Модули питания компании «Элим» серии EL DS800 для объектов связи и промышленности

Компания «Элим» представляет серию модулей питания EL-DS800, предназначенных для объектов связи и промышленности. Устройства обладают возможностью регулировки выходного напряжения и ограничением выходного тока от 0 до максимального значения.

www.power e.ru

Основные характеристики: • Мощность: 800 Вт.

• Выходные параметры: – 24 В (0–36 В) 0–30 А; – 48 В (0–72 В) 0–15 А; – 96 В (0–144 В) 0–7,5 А.

• Компактный размер: 3U × 14TE × 230 мм (129×71×230 мм).

• Модули устанавливаются в выпрямительные корзины 19" до 6 шт. (4800 Вт).

• Возможность использования в качестве зарядных устройств.

• Управление внешним аналоговым сигналом 0…+5 В.

• Горячая замена модулей в корзине.

• Дистанционный мониторинг аварий.

• Выходной разъем модуля 15-pin Н15.

www.elim.ru

55

Силовая электроника, № 5’2021

Источники питания

Зачем источнику питания нужна шина данных? С недавнего времени производители источников питания стали использовать цифровые интерфейсы для управления и контроля модулей. В данной статье рассматриваются вопросы возникновения цифровых интерфейсов в источниках питания и перспективы их развития.

Михаэль Шрутка (Michael Schrutka)

56

Д

ля примера рассмотрим приложения с большой потребляемой мощностью, но только в течение сравнительно небольшого рабочего цикла. При этом средняя потребляемая мощность будет значительно ниже максимальной. Такими приложениями могут быть 3D-печать, лазерная резка или роботизированные манипуляторы. У разработчиков подобных устройств может возникнуть соблазн использовать источник питания из расчета максимальной мощности в постоянном режиме (нагрузка в худшем случае). Однако данный подход приведет к выбору дорогого и массивного источника, который не будет рациональным выбором, а иногда, в определенной степени, просто опасным, поскольку в случае неисправности чрезмерный ток, подающийся на нагрузку, может привести к пожару. Более рациональный выбор — источник питания, рассчитанный на высокую пиковую мощность и с ограничением тока в случае неисправности. В зависимости от типа нагрузки определяется, при каких условиях необходима пиковая мощность, а разработчик, ориентируясь на конкретную задачу, программирует поведение источника питания. При такой постановке задачи цифровой интерфейс обычно гораздо предпочтительней аналогового, особенно когда требуется мониторинг состояния источника питания (ток, нагрузка в норме или за пределами спецификации). Благодаря соответствующему функционалу, предусмотренному в источнике питания, и подходящей цифровой шине можно реализовать мониторинг нагрузки, подключенной к модулю. Шина PMBus (Power Management Bus — шина управления питанием) встроена во многие современные источники и отлично себя зарекомендовала для решения данной задачи.

Шина управления питанием (PMBus) — это открытый стандарт цифрового протокола управления электропитанием: простой, надежный и расширяемый, поддерживаемый примерно 40 компаниями — участниками ассоциации PMBus. Особенности PMBus Шина The PMBus позволяет устанавливать рабочие параметры одного или более источников питания. Например, источник питания можно полностью выключить, когда в нем нет потребности, либо выходное напряжение и ток могут быть подстроены в процессе работы. Можно реализовать функционал для управления обычным вентилятором для оптимального охлаждения, когда скорость вращения автоматически подстраивается, в зависимости от нагрузки снижая шум и продлевая время жизни. Весь данный функционал можно реализовать с шиной PMBus, а ее дополнительным преимуществом является протокол I2C, которым оснащены практически все микроконтроллеры. Возможности мониторинга не менее важны по сравнению с функционалом управления и настройки. В реальном времени PMBus передает данные о входном токе, напряжении и мощности, температуре критических компонентов, а также расширенную диагностику неисправностей. На основе данной информации приложение может прогнозировать приближение состояния перегрузки или перегрева. Если внутренняя температура источника повышается из-за недостатка охлаждения, то по достижении порога источник не просто выключится, а заранее проинформирует о критических значениях. Шина PMBus не только позволяет обеспечить простой контроль и управление, но и подключается непосредственно к внутреннему микроконтроллеру, отслеживающему цепь обратной связи в источнике. Таким образом, можно изменять не только настраиваемые параметры, но и переходные характеристики, скорость нарастания фронтов и компенсационную матрицу. Это позволяет согласовывать работу источника питания с текущим фактическим режимом нагрузки или динамически подстраивать его «на лету». В итоге стандартный источник питания становится уникальным за счет добавления интерфейса PMBus. www.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 5’2021

Рис. 2. Выдержка из спецификации RACM'1200V

Рис. 1. Серия RACM1200'V — блок питания, не требующий обслуживания, с пассивным охлаждением для медицинских и промышленных применений

RACM1200 V Примером источника питания, оснащенного функциями, описанными выше, служит RACM1200-V компании RECOM (рис. 1). Данная серия задала стандарт компактности AC/DC и была разработана для надежной эксплуатации без вентилятора для увеличения времени жизни. Отвод тепла от основания обеспечивает выходную постоянную мощность до 1000 Вт и кратковременно до 1200 Вт. При дополнительном под-

ключении вентилятора мощность 1200 Вт доступна в постоянном режиме. Широкий диапазон установки выходного напряжения в комбинации с режимом постоянного напряжения/мощности и настройки режима защиты hiccup делают данный модуль универсальным решением, в том числе и для искробезопасных приложений. Благодаря разъемам доступны дополнительные аналоговые функции управления и контроля, а также два дополнительных выхода: программируемый выход вентилятора 5/12 В и изолированный выход 5 В/1 А для служебных функций. Функционал серии RACM1200-V может быть адаптирован настройками для безотказной работы в зависимости от применения. В стандартной версии состояние модуля можно считать по двум сигнальным линиям и светодиодным индикаторам (рис. 2). В дополнение к аналоговым сигналам состояния и управления версия PMBus RACM1200-V/PMB

обеспечивает цифровой интерфейс, используемый заказчиками для непосредственного мониторинга и настройки. Компания RECOM также предлагает интерфейсную утилиту командной строки для программирования источника питания. По запросу устройство может быть предварительно запрограммировано с желаемыми настройками прошивки. КПД обеих версий достигает 95%, модули удовлетворяют директиве eco-design по потреблению в режиме ожидания. Серия RACM1200 имеет необходимые сертификаты по безопасности для медицины (2MOPP, BF), промышленности и информационного оборудования, а также тесты на электромагнитную совместимость класса A по устойчивости и класса B по излучениям. Данные особенности делают модуль одним из самых беспроблемных решений для интеграции в индустрии.

Радиационно стойкие MOSFET от Microchip устойчивы для источников питания космических аппаратов Компания Microchip Technology Inc. сообщает об успешной квалификации радиационно стойких 250-В MOSFET M6 MRH25N12U3 с сопротивлением открытого канала 0,21 Ом, предназначенных для коммерческого использования, а также для систем космической обороны. Радиационно стойкие MOSFET M6 MRH25N12U3 являются основным коммутационным элементом в устройствах преобразования мощности, в том числе в PoL- и DC/DC-преобразователях, электроприводах и средствах управления двигателями,

а также в переключателях общего назначения. Эти MOSFET с улучшенными характеристиками стабильно функционируют в космосе, повышают надежность силовых цепей и отвечают всем требованиям стандарта MIL-PRF19500/746. Компания Microchip завершила тестирование и квалификацию данных MOSFET для Агентства оборонной логистики (DLA) с целью осуществления их поставок для военной промышленности США. Ключи M6 MRH25N12U3 MOSFET предназначены для будущих спутниковых систем, а также для

альтернативного использования в существующих приложениях. Ключи устойчиво работают при суммарной дозе ионизирующего излучения (TID) до 100 и 300 крад, а также в случае эффекта единичного события (SEE) с линейной передачей энергии (LET) до 87 МэВ/мг/см2. Квалификационные испытания партий пластин показали, что радиационная стойкость MOSFET обеспечена на все 100%.

www.microchip.com

Миниатюрные 5 В высоковольтные DC/DC преобразователи XP Power обеспечивают стабилизированные выходные напряжения до 6 кВ

Компания XP Power представила новую серию HRC05 5-В преобразователей постоянного напряжения в высоковольтные напряжения до 6 кВ. Преобразователи напряжения обеспечивают хорошо стабилизированное напряжение с возможностью подстройки, а также защитой от короткого замыкания, перегрузки по току и перегрева. Модули имеют встроенную функцию защиты от дугового разряда. Выходное напряжение управляется в диапазоне 0–100% напряжением в диа-

www.power e.ru

пазоне 0–5 В. Преобразователи серии HRC05 имеют цифровые совместимые функции управления и контроля выходного напряжения и тока, их легко встроить в любое применение. Это делает преобразователи оптимальным решением для широкого ряда высоковольтных применений: масс-спектрометрия, зарядка конденсаторов, сканирующая электронная микроскопия. Номинальное входное напряжение 24 В с рабочим диапазоном 22–30 В. Доступны модели с выходными напряжениями отрицательной или положительной полярности с диапазонами: 0–350, 0–600, 0–1000, 0–1500, 0–2000, 0–3000, 0–4000, 0–5000 и 0–6000 В. Преобразователи напряжения способны работать в диапазоне температур –40…+70 °C. Габаритные размеры корпуса 64,8 33 15,2 мм, вec 74 г.

Основные характеристики преобразователей серии HRС05: • встроенное на плате опорное напряжение: 5 В; • нестабильность по току и напряжению: < 0,01% в режиме стабилизации напряжения; • низкий уровень пульсаций: < 0,01%; • защита: от дугового разряда, короткого замыкания, перегрева; • программирование напряжения и тока: 0–100%; • выходы контроля выходного напряжения и тока; • вход дистанционного включения/отключения; • диапазон рабочих температур: –40…+70 °C; • гарантийный срок: 3 года. www.prosoft.ru

57

Источники питания

Силовая электроника, № 5’2021

Проблемы импортозамещения в производстве импульсных источников питания ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания» В статье рассматривается влияние электронной компонентной базы на потребительские качества продукции, вопросы импортозамещения и пути повышения стойкости к спецфакторам в производстве импульсных источников питания.

Алексей Тифлов

58

В

2022 году исполняется 30 лет, как ООО «Александер Электрик источники электропитания» (АЭИЭП) занимается разработкой и производством импульсных модулей электропитания (МП), блоков на их основе и фильтров как для гражданских применений, так и в военной технике. Основной объем продукции занимают поставки в ВПК. В начале деятельности широко использовались оригинальные комплектующие, выпущенные на фабриках Европы и Америки, и повторяемость серийных МП была достаточно высокой. Сегодня большинство производственных площадок перенесено в Китай, и качество электронной компонентной базы (ЭКБ) заметно упало. Надо сказать, что продукция АЭИЭП примерно на 70% состоит из импортной комплектации, и выпуск серийных МП иногда давал сбои из-за несвоевременных и некачественных поставок комплектующих. Для решения этих проблем перестраивалась работа с поставщиками и осуществлялся постоянный мониторинг ЭКБ. Статистика отказов скрупулезно собиралась и анализировалась. Разрабатывались собственные стенды для проверки практически всей ЭКБ. В настоящее время активные элементы подвергаются 100-ной проверке, пассивные — выборочно или по мере необходимости. В отдельных случаях, по согласованию с военной приемкой (ВП), практикуется замена на элементы собственного производства — так проще и надежнее контролировать качество, но, к сожалению, в ущерб массогабаритному показателю. Для оценки потребительских качеств продукции необходимо определить критерии, которым должен соответствовать современный импульсный источник питания (ИИП). Это прежде всего высо-

кая надежность в рабочих и аварийных режимах, показатели удельной мощности и КПД на современном уровне. ИИП должен иметь минимальный вес, стабильность заданных параметров выходного напряжения, приемлемую стоимость не создавать помех [1]. Создать такой источник непросто, тем более что некоторые критерии противоречивы. Решить эти задачи можно только на базе качественных электронных компонентов. Для достижения высокого показателя удельной мощности необходимо увеличение рабочей частоты преобразования, при этом уменьшаются размеры и масса моточных изделий, фильтрующих конденсаторов, снижается уровень генерации паразитных помех за счет сокращения размеров печатной платы, улучшается качество выходного напряжения при работе на динамическую нагрузку, снижаются пульсации. Но при этом ухудшается общий КПД — возрастают тепловые потери в сердечниках, динамические потери в полупроводниковых элементах, конденсаторах. Эффективный отвод тепла с небольшого объема затрудняется, и возникают локальные перегревы. Требования к скорости срабатывания защиты возрастают. Все это приводит к существенному снижению надежности модуля питания. Выбор оптимальных компромиссов и накопленный опыт позволяют на практике получать желаемые свойства ИИП. Для реализации этих задач требуется применять самую современную элементную базу. На предприятии существует ограничительный перечень электронной компонентной базы иностранного производства (ОП ЭКБИП), разрешенный к применению в военной технике и утвержденный ФГБУ «46 ЦНИИ» МО. К настояwww.power e.ru

Источники питания

Силовая электроника, № 5’2021

щему моменту назрела необходимость в значительном расширении ОП ЭКБИП, и работы в данном направлении ведутся. Еще недавно применение импортной электронной компонентной базы в отечественной электронике было повсеместным. Однако в последнее время в связи с усилением санкций со стороны ряда западных стран требования по максимально возможному исключению иностранных комплектующих в отечественной продукции ужесточаются. Особенно эта тенденция заметна в ВПК, где высокая зависимость военной техники от импортной ЭКБ считается недопустимой. Директиву по импортозамещению необходимо выполнять. Однако... Ряды модулей электропитания создаются не в одночасье, и не один год требуется для проведения широкого спектра испытаний. Необходимо проводить коррекции в схемотехнике, в ЭКБ, технической документации, пока наконец ряды не достигнут серийного производства. Еще одно важное условие, которому должен отвечать МП в нашем случае, — он должен быть собран на отечественных комплектующих, разрешенных для применения в военной технике, из Перечня ЭКБ. Казалось, если взять хорошо отработанную серию, заменить весь импорт отечественной комплектацией, вопрос с импортозамещением будет решен. Но не все так просто. Анализ Перечня ЭКБ показывает, что зачастую полного аналога подобрать не удается. Выбранный элемент с близкими электрическими параметрами имеет другой корпус и бóльшие размеры. Это касается силовых транзисторов, микросхем, диодов, керамических конденсаторов, что, в свою очередь, ведет к переразводке печатных плат. Массогабаритный параметр резко ухудшается. Как на это посмотрит потребитель, тем более если это касается бортовой сети? Риторический вопрос. И не факт, что подобный модуль заработает точно так же. Изменение топологии печатной платы тоже требует длительной отработки. Модуль питания, являясь достаточно энергонапряженным устройством с большим уровнем помех, может и по электропараметрам перестать удовлетворять техническим условиям (ТУ). МП с отличающимися характеристиками потребует изменений всего комплекта документации и не в лучшую сторону, что неприемлемо. В течение последних 5–7 лет заметно расширение номенклатуры отечественных полупроводниковых изделий, указанных в Перечне ЭКБ. Некоторые позиции, необходимые для выпуска ИИП, стали появляться от разных отечественных производителей, предоставляя выбор разработчикам. Следует отметить АО «Ангстрем», которое наладило выпуск полевых транзисторов из Перечня ЭКБ с подтвержденными характеристиками по накопленной дозе и тяжелым заряженным частицам (ТЗЧ) в металwww.power e.ru

лопластмассовых корпусах. Типоразмер и электропараметры во многом соответствуют импортным. Ряд полупроводниковых изделий из Перечня ЭКБ с приемлемыми характеристиками предоставляют также АО «ВЗПП-С», АО «Группа Кремний Эл», ОАО «Интеграл». Но изменения происходят очень медленно, и их недостаточно. Российских производителей объединяет узкая номенклатура освоенных в производстве металлопластмассовых корпусов для широкого круга полупроводниковых изделий. Например, в корпусе КТ-46 (SOT23) отсутствуют полевые транзисторы, стабилитроны, диоды Шоттки (имеется одна низковольтная позиция у «Интеграла», чего явно недостаточно), регулируемые стабилизаторы напряжения параллельного типа, детекторы напряжений, операционные усилители в пятиконтактном исполнении корпуса типа SOT23-5, микросхемы ШИМконтроллеров в корпусах 4320.8-А (SO-8) и т. д. Аналогичная ситуация прослеживается и в силовых полупроводниковых изделиях — например, в корпусах ТО247 нет мощных ультрабыстрых (ultrafast) диодных сборок, полевых транзисторов. Те же силовые ультрабыстрые диодные сборки, выполненные в корпусах КТ-28-2 (ТО220) отечественных производителей, по статическим и динамическим характеристикам проигрывают лучшим импортным аналогам и т. д. И это лишь некоторые примеры. Для большинства применений уровня «ВП» в военной технике необходимо обратить внимание на развитие широкого ряда металлопластмассовых корпусов для полупроводниковой ЭКБ. Испытания показали их достаточную устойчивость к температуре, вакууму, спецфакторам. Металлокерамические корпуса применяются из-за отсутствия альтернативы, хотя это явный проигрыш в цене и габаритах. Их использование оправдано в особо оговоренных случаях, что происходит не так часто. Появление керамических конденсаторов с большой удельной емкостью дало сильный толчок в развитии ИИП. Без них сейчас немыслимо представить производство современного качественного электропитания, и потребность в них неуклонно возрастает. Основные производители продукции качества «ВП» — АО «НИИ «Гириконд» и ОАО «ВЗРД «Монолит» — выпускают достаточно широкую гамму номиналов керамических конденсаторов для построения ИИП. Но такой показатель, как произведение емкости на напряжение на конкретный типоразмер, существенно уступает лучшим зарубежным аналогам. При необходимых схемотехнических решениях в части улучшения электропараметров питания требуется установка значительной емкости, что ведет к резкому ухудшению массогабаритного показателя. При этом качество конденсаторов оставляет желать лучшего. Нередко наблюдаются случаи выхода из строя по различным причинам, вызванным недоработкой производителя.

Выпуск ЭКБ с приемкой 5 на некоторых предприятиях происходит неритмично. Производство останавливается и запускается вновь по мере необходимости. Существенного улучшения качества продукции удается добиться, как правило, в режиме непрерывного производства. Для выпуска МП используется фольгированный высокотемпературный стеклотекстолит до +170 °С марки FR-4 с толщиной 1,5–2 мм и медью от 105 мкм. Ни для кого не секрет, что он закупается в Китае, поскольку не существует российского производства... А вот что объединяет всех российских производителей комплектации — это очень большие сроки поставки, существенно больше, чем из Китая, и которые в конечном итоге влияют на время выполнения ответственных заказов. Несмотря на все сложности по импортозамещению, ООО «АЭИЭП» проводит ряд мероприятий по уменьшению зависимости от комплектующих иностранного производства. Некоторые серии МП и модулей защиты и фильтрации (МЗФ) для перевода их на отечественную ЭКБ подверглись кардинальной переработке конструкции, схемотехники и сопроводительной документации. Основная трудность заключалась в том, чтобы не ухудшить электрические параметры и массогабаритный показатель, а также сохранить порядок контактов, присоединительные и установочные размеры. В ряду выпускаемой продукции имеется линейка модулей МДМ, выполненных полностью на отечественной элементной базе с приемкой «5». МП изготавливаются в соответствии с БКЮС430609.001-01 ТУ литера А, присутствуют в Перечне ЭКБ-2020 и производятся на входные сети 12, 27, 60 В, выходной мощностью 7,5–120 Вт. В ТУ имеется информация по стойкости к спецфакторам 7.И, 7.С, 7.К. В настоящее время подготовлены документы на включение в указанные ТУ новой линейки модулей серии МДМ-П, расширяющей функциональные возможности и выходную мощность до 5–200 Вт [2]. Для питания электронного оборудования, содержащего прецизионные аналоговые узлы, совместно с МП применяются модули защиты и фильтрации. Помимо улучшения электромагнитной совместимости, осуществляется эффективная защита аппаратуры от опасных перенапряжений, возникающих в питающих сетях. В этом направлении АЭИЭП были разработаны и выпускаются МЗФ серий МРМ, МРО БКЮС.468240.003-01 ТУ на основе российской ЭКБ качества «ВП». Указанные серии включены в Перечень ЭКБ. В последнее время в космических аппаратах (КА), помимо сети 27 В, все чаще используется бортовая сеть 100 В на основе солнечной батареи с аккумулятором в буферном режиме. Диапазон изменения входной сети, как правило, не превышает ±5%. Для подобной сети в Перечне ЭКБ наблюдается острый дефицит в источниках электропитания.

59

Источники питания

Силовая электроника, № 5’2021

В номенклатуре продукции АЭИЭП есть модули питания, выполненные в соответствии с БКЮС.436437.004 ТУ, приемка «5», литера О1 на сети с номинальными напряжениями 110, 160, 230 В, однако данные о стойкости к спецфакторам отсутствуют. Предварительно проведенный анализ комплектующих выявил слабое звено: ключевой транзистор импортного производства не имел сведений по стойкости к факторам «И», накопленной дозе (НД) и тяжелым заряженным частицам (ТЗЧ). На базе АЭИЭП была произведена замена его на силовой ключ производства АО «Ангстрем» с подтвержденными характеристиками по стойкости к факторам «И», ТЗЧ и НД. Затем было принято решение подвергнуть испытаниям на дозовые эффекты и провести анализ на стойкость к ТЗЧ отобранных модулей из указанной серии в количестве двух штук. Испытания показали, что для всех образцов выборки значения всех контролируемых параметров по критерию годности соответствовали установленным нормам вплоть до уровня суммарной дозы 283,15 крад. Экспериментально установлено, что уровень стойкости партии МП к воздействию протонного и электронного излучений космического пространства (КП) по дозовым эффектам составил не менее 140,98 крад [3]. Аналогичные испытания проводятся для серий: МДМ БКЮС.430609.00101 ТУ из Перечня ЭКБ, МДМ30МДМ320 БКЮС.436437.004 ТУ на сеть 100 В. Ожидаемая стойкость к спецфакторам КП составляет не менее 100 крад и ТЗЧ — не менее 60 МэВ.

Иногда для решения определенного круга задач возникает необходимость организовать распределенную систему электропитания. Она представляет собой источник электропитания достаточной мощности, подключенный к первичной сети, например напряжением 100 В, который формирует общую шину 27 В. Общая шина, в свою очередь, обеспечивает электропитанием ряд МП, чьи выходные напряжения могут иметь самые разные значения и располагаются в непосредственной близости от своих нагрузок. Потребность в такой системе возникает при сеансовых режимах работы, например в КА, когда требуется в различных комбинациях управлять включением или отключением некоторого количества локальных узлов электронного оборудования для уменьшения общего потребления электроэнергии бортовой аппаратурой. Требование гальванической развязки отсутствует, и модули питания можно сделать малогабаритными с необходимой мощностью и высоким КПД. Для решения таких задач в АЭИЭП разработаны и проходят заключительные этапы ОКРа модули питания серии МДС, представляющие собой понижающие стабилизаторы на выходные токи 5 и 12 А, КПД достигает 97%. Рабочая частота преобразования 350 или 900 кГц. Входная сеть 4,5–50 В, выходные напряжения в диапазоне 1–9 В. МП уже выпускаются с приемкой ОТК, продолжаются испытания по регламентам приемки «5», и в дальнейшем планируется их внесение в Перечень ЭКБ [4]. В настоящий момент закончены ОКР на модули питания МАА, МДД и подготовлены документы на внесение в Перечень ЭКБ. Испытания на спецстойкость проведены в г. Лыткарино с положительным ре-

зультатом на характеристики 7И1, 7И6, 7И7 по уровню 1Ус согласно ТЗ. Для определения предельных значений испытания продолжались до первого отказа. Выход из строя произошел на уровне 2Ус. В заключение хотелось бы отметить, что основное направление деятельности ООО «АЭИЭП» заключается в выпуске продукции, которая наиболее полно отвечала бы запросам и потребностям заказчиков. На основе этого строятся планы предприятия по разработке новых рядов модулей электропитания, блоков питания, модулей защиты и фильтрации и включению их в Перечень ЭКБ. Один из приоритетов предприятия — повышение качества выпускаемой продукции на основе прямых контактов с заказчиками. Но всего этого невозможно достичь без обоюдного стремления к тем же целям российских предприятий — производителей отечественной ЭКБ. Литература 1. Счисленок Л. Как разработчику РЭА быстро оценить надежность и функциональные возможности модуля питания // Силовая электроника. 2020. № 3.

2. Александер Электрик источники электропитания. www.aeip.ru.

3. Протокол испытаний модулей питания БКЮС.436437.004ТУ на дозовые эффекты.

2018.

4. Александер Электрик источники электропитания. Современные направления развития преобразовательной техники. Обзор новых разработок ООО «АЭИЭП». Сб. статей. Вып. 5. М., 2019.

DC/DC преобразователи RHKW/RHDW компании P DUKE для железнодорожного транспорта

Компания P-DUKE представила новую линейку DC/DC-преобразователей напряжения RHKW/RHDW с выходной мощностью до 40 Вт для использования в оборудовании железнодорожного транспорта. Серия RHKW/RHDW состоит из четырех моделей высокопроизводительных DC/DCпреобразователей с изоляцией до 3000 В переменного тока, предназначенных для применения в железнодорожной технике и других видах транспорта. При производстве преобразователей

60

используются трансформаторы запатентованной конструкции, за счет чего достигается высокая плотность мощности и КПД до 90%. Серия DC/DC-преобразователей содержит однои двухканальные модули мощностью 3–40 Вт с напряжением питания 36–160 В. Изделия оснащены встроенными схемами защиты от перенапряжения и пониженного напряжения, перегрузки по току, а также от короткого замыкания и перегрева. Для упрощения конструкции и экономии места на печатной плате модули питания дополнительно оснащены схемами защиты от электромагнитных помех в соответствии со стандартами IEC/EN 55032 класса A и IEC/EN 50121-3-2. Преобразователи серии RHKW/RHDW сертифицированы на соответствие стандартам IEC/EN/UL 62368-1, EN 50155 и EN 45545-2. Пластиковый корпус с высокой диэлектрической прочностью и высокой теплопроводностью, сопоставимый с металлическим корпусом, обеспечивает изоляцию между входом-корпусом-выходом

и позволяет устройствам работать в диапазоне температур –40…+105 °C. Ударопрочность и вибростойкость изделий соответствует стандартам EN 61373 и MIL-STD-810F. Тестирование на возможность работы в условиях до 5000 м выше уровня моря во всем диапазоне рабочих температур позволяет применять изделия во многих разработках, предназначенных для эксплуатации в жестких условиях окружающей среды. Основные особенности DC/DC-преобразователей серии RHKW/RHDW компании P-DUKE: • выходная мощность: 3–40 Вт; • входное напряжение: 36–160 В; • выходные напряжения: 3,3; 5; 5,1; 12; 15; 24; ±5; ±12; ±15 В; • напряжение изоляции: 3000 В переменного тока; • встроенные схемы защиты; • корпусное исполнение: DIP24 и 2×1" (серия RHD40W); • диапазон рабочих температур: –40…+105 °C.

www.icquest.ru

www.power e.ru

реклама

реклама

Силовая электроника, № 5’2021

www.power e.ru

61

Транспорт

Силовая электроника, № 5’2021

Инфраструктура для электромобилей: электрические зарядные станции В статье представлен общий обзор электрических зарядных станций (ЭЗС) для электромобилей и состояния рынка электромобилей и ЭЗС. Выполнена классификация различных видов и типов электрических зарядных станций с описанием ключевых отличий.

Андрей Тимофеев Timofeev_AY@nordenergogroup.com

Введение

В последнее десятилетие электрические автомобили завоевывают все бóльшую популярность во всем мире. Потенциальные пользователи перестают восНикита Балашенко принимать электрический и гибридный транспорт Balashenko_NG@nordenergogroup.com как малопригодное к повседневной эксплуатации средство передвижения и рассматривают его как достойную альтернативу классическим автомобилям с двигателем внутреннего сгорания. Согласно различным прогнозам, к 2030 году в мире будет насчитываться порядка 120 млн электрических и гибридных автомобилей на дорогах, при этом в некоторых странах доля продаж электромобилей достигнет 30%, а общий спрос на энергию для зарядки электрических автомобилей у основных стран — лидеров рынка (в Китае, Европе и США) сможет вырасти примерно с 20 млрд до 280 млрд кВт·ч [1]. В России, согласно данным аналитического агентства «АВТОСТАТ», на 1 января 2021 года зарегистрировано 10 836 электромобилей. Несмотря на то что в абсолютном выражении в сравнении с обычными автомобилями эта цифра кажется совершенно незначительной, следует отметить тенденцию: за 2020 год количество электрических автомобилей выросло на 71%. Вместе с увеличением продаж электрических и гибридных автомобилей во всем мире растет и потребность в соответствующей инфраструктуре и, прежде всего, в электрических зарядных станциях (ЭЗС). За период 2014–2020 годов в странах Евросоюза (ЕС) и Великобритании количество публичных ЭЗС разных типов выросло с 34 000 до 250 000 станций, из них 35 000 станций поддерживают зарядку по постоянному току (DC). Согласно принятой в 2020 году Европейской комиссией стратегии устойчивой и интеллектуальной мобильности (Sustainable and Smart Mobility Strategy), в рамках которой требуется достигнуть сокращения выбросов парниковых газов, созда-

62

ваемых транспортом, на 90%, планируется установить порядка 3 млн публичных ЭЗС к 2030 году [2]. В России ситуация с покрытием потребности в ЭЗС выглядит несколько хуже. Согласно данным с сайта plugshare.com, за третий квартал 2021 года количество ЭЗС по всей России, поддерживающих DC-зарядку, не превышает 170 единиц. При этом правительство Российской Федерации в лице Министерства экономического развития планирует создать к 2030 году зарядную инфраструктуру для электрического транспорта (ЭТ), в рамках которой будет установлено порядка 14 000 зарядных станций с поддержкой DC-зарядки [3]. Виды зарядки электроавтомобилей Согласно стандарту Международной электротехнической комиссии IEC 61851-1, в зависимости от вида электрического тока, которым заряжается электрический автомобиль (переменный или постоянный), и способа физического соединения ЭТ с сетью питания процесс зарядки электромобиля подразделяют на несколько видов: • Зарядка вида 1 (Mode 1): соединение ЭТ с сетью питания переменного тока происходит с использованием штепсельной розетки (в том числе и бытовой) на стороне сети питания и силового кабеля. В этом случае обеспечивается сила зарядного тока не более 16 А и переменное напряжение не более 250 В (однофазное) или 480 В (трехфазное). Управление процессом зарядки реализуется самим ЭТ.

• Зарядка вида 2 (Mode 2): данный вид аналогичен зарядке вида 1 с тем отличием, что непосредственно в силовой кабель вмонтировано устройство, обеспечивающее управление процессом зарядки и системой персональной защиты от поражения электрическим током. Благодаря этому допускается зарядка переменным током силой до 32 А. www.power e.ru

Транспорт

Силовая электроника, № 5’2021

• Зарядка вида 3 (Mode 3): зарядка обеспечивается специальным электротехническим устройством — оборудованием источника питания ЭТ (electric vehicle supply equipment). Электрический автомобиль подключается при помощи силового кабеля к оборудованию источника питания ЭТ (ОИПЭТ), которое в свою очередь подключено к сети питания переменного тока, управляет процессом зарядки и обеспечивает защиту от поражения электрическим током. Зарядка вида 3, как и зарядка вида 2, обладает бюджетом мощности до 22 кВт.

• Зарядка вида 4 (Mode 4): зарядка ЭТ происходит от ОИПЭТ, отвечающего за управление и безопасность процесса. Ключевое отличие в том, что во всех предыдущих способах для преобразования переменного тока в постоянный ток (которым происходит подзарядка аккумуляторной батареи электромобиля) всегда использовался выпрямитель, установленный внутри электрического автомобиля, в то время как зарядка вида 4 использует внебортовой выпрямитель, установленный в корпус ОИПЭТ. Данное решение позволяет значительно увеличить мощность процесса заряда и сократить время зарядки электромобилей. Некоторые стандарты, описывающие процессы заряда с использованием зарядки вида 4, способны обеспечить бюджет мощности до 350 кВт. Зачастую под термином «электрическая зарядная станция» подразумевают именно ОИПЭТ, поддерживающее зарядку вида 4 и (или) зарядку вида 3. Еще одним важным классификатором для зарядных станций является способ физического подключения электромобиля к ОИПЭТ или сети переменного тока. В зависимости от типа подсоединения ЭТ с применением кабелей и вилок стандарт IEC 61851-1 определяет несколько случаев: • Случай «А» (Case A): подсоединение электрического автомобиля к сети переменного тока происходит при помощи кабеля питания и вилки, постоянно прикрепленных к ЭТ. Применим для зарядки вида 1.

• Случай «B» (Case B): подсоединение ЭТ к сети переменного тока происходит с помощью кабельной сборки, которая не имеет постоянного прикрепления ни к электротранспорту, ни к сети переменного тока. Данный способ подразделяют на два дополнительных случая: случай «B1» предусматривает подсоединение ЭТ к настенной розетке и применяется для зарядки вида 1 и вида 2; случай «B2» предусматривает соединение со специализированной зарядной станцией и применяется для зарядки вида 3.

• Случай «С» (Case C): электрический автомобиль подсоединяется к сети переменного тока при помощи кабеля питания и переносной розетки, постоянно прикрепленных к ОИПЭТ. Зарядка вида 4 допускается только в данном случае. www.power e.ru

Зарядные системы Зарядка электрического автомобиля — это сложный многоэтапный процесс, в основе которого лежит множество различных международных стандартов. Основные регионы, лидирующие на рынке электрического автотранспорта, как правило, имеют собственный набор стандартов, описывающий требования к аппаратной и технической составляющей процесса зарядки. Это привело к ситуации, когда на рынке электротранспорта и соответствующей инфраструктуры одновременно существуют несколько систем зарядок с различными техническими и аппаратными характеристиками, напрямую несовместимыми между собой. Одним из основных и наиболее явных различий между зарядными системами является конфигурация вилки и штепсельной розетки для подключения ЭТ к ОИПЭТ. Наиболее простые и распространенные системы зарядки используют соединители транспортного средства конфигурации типа 1 (Type 1) и типа 2 (Type 2) [4]. Оба варианта предназначены для зарядки переменным током вида 2 и вида 3 в случаях «B» и «С». Конфигурация типа 1 получила наибольшее распространение в США и Азии, в то время как тип 2 используется в Европе. Данные типы относят к так называемым медленным зарядкам — полная зарядка электромобиля может занимать 8–12 ч. В зарядке типа 1 реализовано однофазное под-

ключение переменного тока к ЭТ, в зарядке типа 2 — трехфазное. Следующим этапом развития электротранспорта и зарядной инфраструктуры стало появление систем зарядки постоянным током. Данные системы обобщенно принято называть быстрыми зарядками. Как и в случае с медленными зарядками, на рынке присутствует несколько региональных систем. В Китае получила широкое распространение система GB/T, в Японии выпускаются электрокары с поддержкой системы CHAdeMO, в США небезызвестная Tesla разработала и внедряет собственную проприетарную технологию Tesla Supercharger. Европа пошла по пути глобальной унификации и внедряет систему быстрой зарядки CCS (Combined Charging System), основная идея которой — унификация разъемов для подключения ЭТ к ОИПЭТ. Система CCS позволяет, с одной стороны, подзаряжать электромобили без переходников от уже существующих конфигураций типа 1 и типа 2, с другой — внедрить технологию зарядки постоянным током. Говоря об унификации зарядных систем, нельзя не упомянуть о японо-китайском проекте под рабочим названием ChaoJi (с кит. — «супер»). Целью данного проекта является унификация к 2030 году всех зарядных систем постоянного тока, существующих на сегодня, в единый глобальный стандарт. В апреле 2021 года была выпущена спецификация системы CHAdeMO 3.0 (ChaoJi type2), которая по своей сути является унифи-

Рис. 1. Виды зарядки

63

Транспорт

Силовая электроника, № 5’2021

Заключение Ретроспективный взгляд показывает, что развитие и внедрение электротранспорта в нашу повседневную жизнь происходит с постоянно нарастающим темпом, а следом развивается и соответствующая инфраструктура. Можно с уверенностью сказать, что рассмотренные типы, виды и системы зарядки продолжат эволюционировать в различных направлениях, что неизбежно приведет к появлению новых систем и стандартов.

Рис. 2. Зарядные системы

кацией японской системы CHAdeMO с китайской GB/T [5] (рис. 2). Подытоживая все сказанное выше, можно выделить несколько видов зарядных станций и способов зарядки ЭТ, существующих на сегодня.

• Зарядка ЭТ при помощи кабеля и бытовой розетки — представляет собой зарядку вида 1 (случай «А» или «B1») и вида 2 (случай «B1») — самый медленный способ зарядки. Для зарядки требуется только кабель из комплекта поставки ЭТ и бытовая розетка.

• Зарядные станции для частного применения (зарядка вида 3, случай «B2» и случай «С») — обычно это небольшие настенные устройства: автовладелец может установить себе такую станцию на стену гаража или дома. Устройства применимы для машин с конфигурацией соединителей типа 1 и типа 2. Мощность зарядки (и соответственно длительность процесса зарядки ЭТ) будет ограничена бытовой электрической сетью.

• Публичные зарядные станции переменного тока (зарядка вида 3) — наиболее рас-

пространенный вид публичных зарядных станций. Представляют собой небольшие стойки или колонки, установленные в публичных местах (парковки и стоянки для автотранспорта), с возможностью подключения ЭТ с поддержкой случаев «B2» и «С». Станции применимы для машин с конфигурацией соединителей типа 1 и типа 2. Максимальный предоставляемый бюджет мощности — 22 кВт.

• Публичные зарядные станции постоянного тока (зарядка вида 4) — быстрые электрические зарядные станции. Для подключения электромобиля к станции применяются случаи «B2» и «С». Большинство подобных станций визуально похоже на привычные топливно-заправочные колонки АЗС. Поддерживают весь спектр зарядных систем: CCS, CHAdeMO, GB/T, тип1, тип 2. Конфигурация поддерживаемых систем конкретной зарядной станцией определяется производителем и/или заказчиком станции и может быть любой.

Литература 1. Engel H., Hensley R., Knupfer S., Sahdev S. Charging ahead: Electric-vehicle infrastructure demand. McKinsey & Company, 2018.

2. Special Report. Infrastructure for charging electric vehicles: more charging stations but uneven deployment makes travel across the EU complicated. EUROPEAN COURT OF AUDITORS. Luxembourg, Publications Office of the European Union, 2021.

3. Инициатива (Проект) «Высоко автоматизированный электротранспорт в городах». Министерство экономического развития Российской Федерации, 2021.

4. Plugs, socket-outlets, vehicle connectors and vehicle inlets - Conductive charging of electric vehicles — Part 2: Dimensional compatibility and interchangeability requirements for a.c. pin and contact-tube accessories. IEC 62196-2. Geneva, International Electrotechnical Commission, 2016.

5. Specification of DC EV Supply Equipment for Electric Vehicles. CHAdeMO 3.0 (ChaoJi type 2). CHAdeMO Association, 2021.

22 кВт двунаправленный DC/DC преобразователь от Wolfspeed

Компания Wolfspeed (A Cree Company) выпустила референс-дизайн 22-кВт DC/DC двунаправленного преобразователя на основе SiC-МОП-транзисторов 1200 В 32 мОм в корпусе TO-247-4 — CRD-22DD12N. Преобразователь CRD-22DD12N демонстрирует возможности SiC MOSFET 1200 В от Wolfspeed поколения C3M в высокоэффективном двунаправленном DC/DC-преобразователе мощностью

64

22 кВт для бортовых и внешних устройств быстрой зарядки электромобилей. Устройство поддерживает широкий диапазон входного напряжения DC-шины 380–900 В, а также выходного DC-наряжения 480–800 В, что дает возможность подключения к однофазной и трехфазной сети. Полномостовой резонансный преобразователь CLLC с гибкой схемой управления реализует частотную модуляцию, контроль фазового сдвига, адаптивное синхронное выпрямление и метод реконфигурации моста. Использование SiC MOSFET 1200 В 32 мОм в корпусе TO-247-4 оптимизирует массогабаритные характеристики устройства и обеспечивает снижение потерь на переключение. Параметры CRD-22DD12N: • Пиковая эффективность: 98,5% как в режиме зарядки, так и в режиме разрядки.

• Плотность мощности: 8 кВт/л.

• Режим зарядки: – входное напряжение: 380–900 В DC;

– выходное напряжение: 480–800 В DC номинально. Возможности системы: 200–800 В DC; – при VВХ = 650–900 В DC: выходная мощность: 22 кВт; выходной ток: 36 А; – при VВХ = 380–900 В DC: выходная мощность: 6,6 кВт; выходной ток: 26,4 А.

• Режим разрядки: – входное напряжение: 300–800 В DC; – выходное напряжение: 360–750 В DC номинально; – выходная мощность: 6,6 кВт; выходной ток: 19 А; – полномостовой резонансный преобразователь CLLC, работающий при 135–250 кГц; – радиатор, симулирующий охлаждающую плату; – CAN-интерфейс. Дизайн включает файлы референс-дизайна для основной платы, платы контроллера и вспомогательного источника питания. По запросу доступны прошивка и графический интерфейс.

www.macrogroup.ru

www.power e.ru

реклама

реклама

Силовая электроника, № 5’2021

www.power e.ru

65

Электропитание РЭА

Силовая электроника, № 5’2021

Системы электропитания РЭА: пути повышения безотказности В предыдущей статье цикла «Системы электропитания РЭА» [1] соавторами рассмотрен ряд основных проблем создания современных систем электропитания (СЭ) радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), с которыми так или иначе встречаются разработчики при стремлении получить результат в части их безотказности, адекватный достигаемому для функциональной части (ФЧ) этой РЭА. Там же, в [1], анонсировано создание цикла статей, объединенных вышеупомянутой общей частью названия, с целью показать возможные пути решения этих проблем. В конце данной статьи в алфавитном порядке приведен перечень использованных аббревиатур и их расшифровка.

Юрий Либенко Алексей Воронцов

В

связи с особой важностью повторим основное назначение и одновременно главное требование к СЭ, приведенное в [1]: «Безотказное в течение заданного интервала времени обеспечение ФЧ РЭА электропитанием необходимого вида и качества в заданных режимах и условиях эксплуатации без какого-либо участия со стороны пользователей РЭА (кроме ее включения и отключения)». Ухудшение качества или перерыв в подаче электропитания на ФЧ РЭА от СЭ происходит в большинстве случаев по двум причинам: • выход за регламентированные пределы значений показателей качества, в том числе исчезновение электроэнергии в централизованной системе электроснабжения (СЭС) или от автономного источника электроэнергии (ИЭ); • отказ СЭ. КМ1

ФУ РЭА

КМ

=U =U

Uвх ЦСЭ

КМN =U

ФУ РЭА

=U

ФУ РЭА

Uвх ЦСЭ а

б

Рис. 1. Пример компоновки ЦСЭ для электропитания ФУ РЭА, расположенных: а) в одном КМ; б) в нескольких КМ

66

Первая причина вызывает необходимость принятия дополнительных мер с помощью специальных технических средств. Эти меры известны, достаточно отработаны и не являются предметом рассмотрения в данной статье. Вторая причина может быть устранена только повышением безотказности СЭ. По определению [2], надежность любого технического объекта является комплексным свойством, которое в зависимости от его назначения и условий применения может включать такие единичные показатели, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или их определенные сочетания в виде комплексных показателей. Для рассматриваемого технического объекта в виде СЭ, учитывая ее вышеприведенное основное назначение, важнейшим и наиболее сложным для реализации аспектом является обеспечение заданного значения показателя безотказности в течение установленного периода времени применения по назначению. Значение показателя безотказности СЭ определяется априори расчетным путем, исходя из ее назначения и основных свойств, структурной схемы надежности, наличия и способа резервирования и других факторов. Рассмотрим возможные способы резервирования как основного способа повышения безотказности для трех основных видов СЭ, приведенных в [1]: централизованной, распределенной (децентрализованной) и комбинированной (частично централизованной или частично децентрализованной). Централизованная СЭ (ЦСЭ), как правило, совокупно представляет собой моноструктуру, не содержащую съемных конструкционных модулей в виде типовых элементов замены (ТЭЗ) и выполненную в виде устройства-моноблока, либо встраиваемого в РЭА, либо внешнего, имеющего собственное конструкционное исполнение. Первый вариант для электропитания функциональных узлов (ФУ) одностоечной РЭА с использованием общего конструкционного модуля (КМ) приведен на рис. 1а, второй — для электропитания ФУ РЭА, размещенной в нескольких КМ, — на рис. 1б. В обоих вариантах выходные цепи ЦСЭ изображены однолинейными условно. www.power e.ru

Электропитание РЭА

Силовая электроника, № 5’2021

Их количество, как показано в [1], определяется количеством групп ФУ РЭА с изолированными друг от друга входами электропитания, с одинаковыми или разными значениями напряжения. Входные цепи ЦСЭ, изображенные однолинейными на рис. 1а, б также условно, могут обеспечивать различные варианты подключения к централизованным СЭС или автономным ИЭ, что показано на рис. 2а–в. Электроснабжение ЦСЭ с одним входным портом (рис. 2а) может быть как от одной СЭС (одного ИЭ), так и от внешнего автомата ввода резерва (АВР), подключенного своими входными цепями к двум или более СЭС (ИЭ), а также от источника бесперебойного электропитания. Это в определенной степени решает ранее упомянутую проблему ухудшения качества или исчезновения электроэнергии на входе СЭ. При отсутствии внешних специальных устройств эта проблема может быть решена в СЭ с двухпортовым входом электроснабжения (рис. 2б, в). Распределенная СЭ (РСЭ) достаточно подробно описана в [1], поэтому в данной статье не приведены иллюстрации в части ее размещения и функционирования в РЭА. Последующее изложение материала, касающегося путей повышения безотказности СЭ, в силу ряда причин, пояснение которых также имеется в [1], в наибольшей степени относится к комбинированной СЭ (КСЭ). Напомним лишь о наличии в ее составе двух функциональных частей: централизованной (ЦЧ) и распределенной (РЧ), принципиально отличающихся от созвучных с ними и упомянутых выше ЦСЭ и РСЭ.

=U

~U (=U)

ЦСЭ

Основные варианты компоновки ЦЧ и РЧ КСЭ для электропитания ФУ РЭА, расположенных в одном КМ, приведены на рис. 3а, а для электропитания ФУ РЭА, расположенных в нескольких КМ, — на рис. 3б. Варианты подключения входа (входов) ЦЧ КСЭ к централизованным СЭС (к автономным ИЭ) аналогичны приведенным для ЦСЭ (рис. 2). В [1] представлены сведения более чем о десятке существующих аспектов совместимости СЭ РЭА любого из трех видов с внешними воздействующими факторами, в различной степени оказывающих влияние на штатное функционирование СЭ и, следовательно, питаемых от нее ФУ РЭА. Это наиболее проблематично для РСЭ, так как каждый из ее независимых преобразователей напряжения (ПН) должен соответствовать практически всему набору требований в части ранее упомянутой совместимости, что становится весьма непростой задачей. Даже установка на общем входе электроснабжения РСЭ общих (групповых) для всех ПН защитных функциональных узлов — ВЧ-фильтров, ограничителей импульсов напряжения, защиты от сверхнормативного повышения/понижения значения входного напряжения и других видов — бывает недостаточной для обеспечения требуемого уровня сопряжения с СЭС (автономным ИЭ). Кроме того, эти общие узлы являются узким местом для РСЭ в части обеспечения безотказности всего тракта «источник электроэнергии — ФУ РЭА», а также могут привести к усилению взаимовлияния ПН РСЭ за счет непреднамеренного образования общих контуров с реактивными и нелинейными элементами с протекающими через них индивидуальными входными токами ПН. В различной степени схожая ситуация наблюдается и для ЦСЭ, в зависимости от реа-

лизованного в ней способа образования выходных каналов электропитания ФУ РЭА. Наилучший результат может быть достигнут в КСЭ при целенаправленном решении основных проблем совместимости с СЭС (с автономным ИЭ) с помощью ее ЦЧ, создающей на выходе достаточно «чистую» шину постоянного тока для всех ПН в РЧ. Отсюда следует важный вывод: чем больше функций обеспечивает ЦЧ КСЭ, тем проще, гибче и безотказнее реализуется ее РЧ. Вследствие обеспечения на выходе ЦЧ КСЭ шины с высококачественным промежуточным напряжением постоянного тока появляется возможность применения в ее РЧ малогабаритных унифицированных ПН класса DC/DC с упрощенными требованиями к ним. В последующей части тракта «источник электроэнергии — ФУ РЭА» могут быть созданы дополнительные промежуточные шины постоянного тока с теми же, что и для общей шины, или иными значениями напряжения с подключением к ним входных цепей конечных ПН РЧ (более подробно тема будет рассмотрена в следующих статьях цикла). Очевидно и обратное: с упрощением РЧ КСЭ без принятия специальных мер усложняется ее ЦЧ, что, как следствие, может понизить безотказность ее и КСЭ в целом. Значительные преимущества РЧ, оказывающей основное влияние на штатное функционирование ФУ РЭА, оправдывают некоторые сложности создания совершенной ЦЧ, избавляющей от тиражирования решений сложных технических вопросов в каждом ПН РЧ. Для окончательного перехода к более подробному рассмотрению основной темы данной статьи подведем итоги на основании рассмотренных примеров для ЦСЭ, РСЭ и КСЭ. С достаточно большой степенью достоверности можно предположить, что отказ большинства элементов ЦСЭ может привести КМ1

а

ФУ РЭА

~U1 (=U1) ~U2 (=U2) U1 = (≠) U2

=U ЦСЭ РЧ СЭ

КМ

б

ФУ РЭА

~U1 =U =U2

=U =U

Uвх ЦЧ СЭ

КМN =U

ЦСЭ

ФУ РЭА

РЧ СЭ в

=U Рис. 2. Варианты подключения входа (входов) ЦСЭ к централизованным СЭС (к автономным ИЭ): а) к одной СЭС (ИЭ) переменного (постоянного) тока; б) к двум одинаковым (разным) СЭС (ИЭ) переменного (постоянного) тока; в) к двум СЭС (ИЭ): переменного и постоянного тока

www.power e.ru

РЧ СЭ

Uвх ЦЧ СЭ а

б

Рис. 3. Пример расположения ЦЧ и РЧ КСЭ для электропитания ФУ РЭА, расположенных: а) в одном КМ; б) в нескольких КМ

67

Электропитание РЭА

Силовая электроника, № 5’2021

РЭА

ЗИП-О

ЦСЭ (осн.)

ЦСЭ (зап.)

Упр. Контр. Uвх Uвых Рис. 4. Восстановление работоспособности РЭА при отказе ЦСЭ путем ее замены оператором на запасную из состава ЗИП'О

и к неработоспособному состоянию как ее самой, так и ЦСЭ в целом. Поэтому потенциальными способами восстановления ее работоспособности в условиях эксплуатации могут быть замена отказавшей ЦСЭ на исправную запасную при включении последней (одной или нескольких) в состав одиночного комплекта запасных частей (ЗИП-О) или резервирование в составе РЭА. Согласно определению [2], под резервированием понимается способ обеспечения надежности объекта за счет использования дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым, для выполнения требуемых функций. Таким образом, в случае применения варианта резервирования (на основании априорного расчета безотказности) кроме основной ЦСЭ в РЭА должны содержаться К резервных, что определяет кратность резервирования [2], увеличивает массогабаритные характеристики и стоимость РЭА. Рассмотрим более подробно возможные варианты восстановления работоспособности РЭА при отказе ее ЦСЭ c моноблочной архитектурой. Первый из них, не являющийся резервированием, представлен на рис. 4. Он предусматривает замену оператором отказавшей ЦСЭ на запасную из состава ЗИП-О.

При получении аварийного сигнала от отказавшей ЦСЭ оператор РЭА должен выполнить следующее: • отключить входное напряжение ЦСЭ; • отключить и извлечь отказавшую ЦСЭ из РЭА; • извлечь запасную ЦСЭ из ЗИП-О и доставить ее к РЭА (с учетом возможной удаленности ЗИП-О); • установить и подключить запасную ЦСЭ в РЭА; • включить входное напряжение ЦСЭ; • проконтролировать работоспособное состояние замененной ЦСЭ. Такой процесс восстановления работоспособности РЭА может потребовать значительного времени (десятки минут), что определяет продолжительность ее простоя. Для того чтобы значительно сократить этот процесс, возможно применение автоматического резервирования ЦСЭ способом замещения [2], как показано на рис. 5. Для этого в РЭА устанавливается основная и резервная ЦСЭ, причем порядок использования каждой регламентирован: основная ЦСЭ включается и отключается по алгоритму работы РЭА, а ненагруженная резервная не включается до возникновения отказа основной. К обеим ЦСЭ подключены все необходимые силовые и сигнальные цепи (контроля

РЭА

ЗИП-О

ЦСЭ(ненагр. резерв)

ЦСЭ (осн.)

ЦСЭ (зап.) Упр. Контр. Uвх Uвых

Упр. Контр. Uвх Uвых

Коммутаторы (

) Упр. Контр. Uвх Uвых

Рис. 5. Вариант 1 восстановления работоспособности РЭА при отказе ЦСЭ путем ее автоматической замены на резервную и последующего удаления оператором с восполнением из состава ЗИП'О (при необходимости)

68

и управления), позволяющие выполнить ручное или автоматическое управление резервированием в зависимости от заданных требований к безотказности РЭА. В первом случае контроль состояния основной ЦСЭ и переключение на резервную выполняет оператор РЭА, во втором — автоматическим способом узел контроля и управления, определяющий неисправное состояние основного ЦСЭ по значению его выходного напряжения и выдающий на узел коммутации соответствующие управляющие сигналы. При этом входная и выходная цепи отказавшей ЦСЭ отключаются от входа электропитания РЭА и ФУ РЭА соответственно. Поддержание непрерывности напряжения электропитания ФУ РЭА (одного или нескольких номиналов) на время переключения ЦСЭ в обоих случаях можно обеспечить за счет энергоемких накопительных элементов постоянного тока (например, суперконденсаторов), устанавливаемых в этих узлах. При необходимости поддерживать работоспособное состояние ЦСЭ в течение более продолжительного времени предусматривается наличие ЗИП-О с одной или несколькими запасными ЦСЭ. Ручной способ управления резервированием существенно снижает время восстановления ЦСЭ (единицы-десятки секунд) по сравнению с вариантом ее замены из ЗИП-О (рис. 4), однако также требует участия оператора РЭА. Автоматическое резервирование еще больше сокращает время восстановления ЦСЭ (доли-единицы секунд) и освобождает оператора РЭА от участия в данном процессе (кроме замены из состава ЗИП-О). Другой способ автоматического резервирования ЦСЭ, также с частичным участием оператора РЭА, при необходимости, представлен на рис. 6. Здесь деление на основную и резервную ЦСЭ условно, поскольку обе включаются сразу, а их выходные цепи соединяются с нагрузкой через диодную развязку. Ток в нагрузку поступает от ЦСЭ с наибольшим значением выходного напряжения, и при ее отказе автоматически выполняется замещение на другую, практически безобрывно для нагрузки. Ситуация с использованием запасных ЦСЭ из состава ЗИП-О аналогична рассмотренной для предыдущего способа (рис. 5). Все приведенные варианты восстановления работоспособности ЦСЭ имеют общий и довольно существенный недостаток — при отказе ЦСЭ ее приходится заменять из состава ЗИП-О или резервировать в целом. Технико-экономическая эффективность такой замены крайне мала, поскольку приходится иметь в РЭА и (или) в ЗИП-О не менее одной дополнительной аналогичной ЦСЭ, что увеличивает массогабаритные показатели и удорожает РЭА в целом. Восстановление работоспособности отказавшей ЦСЭ, как правило, невозможно провести на объекте эксплуатации, что повышает и эксплуатационные затраты при отправке ее на ремонт. Достижение более высоких значений безотказности основных видов силовых преобразоwww.power e.ru

Электропитание РЭА

Силовая электроника, № 5’2021

вательных устройств (СПУ): AC/DC, AC/AC, DC/AC, DC/DC — как таковых наряду с получением других преимуществ (внутри- и межпроектная унификация, снижение эксплуатационных расходов и др.) принципиально возможно при их реализации на базе модульной архитектуры. Однако это выполняется при наличии в СПУ только одного канала выходного напряжения. Поэтому для ЦСЭ, формирующих, как правило, несколько выходных напряжений с одним или несколькими различными значениями напряжений, реализация данного способа практически не представляется возможной. Существенным отличием модульной архитектуры ЦЧ КСЭ от моноблочной является применение в первой определенного количества (N) идентичных ПН вида AC/DC, AC/AC, DC/AC или DC/DC в формате силовых модулей (СМ), являющихся ТЭЗ с параметрической, функциональной и конструкционной автономностью. Каждый СМ выполняет основную функцию ЦЧ — преобразование напряжения, но на более низком уровне выходной мощности. Суммирование значений выходной мощности всех СМ на общей выходной шине ЦЧ обеспечивает в нагрузке (ФУ РЭА) заданное значение мощности ЦЧ КСЭ. Сразу уточним: условием реализации этого является возможность СМ в необходимом количестве работать совместно и параллельно по выходу с бесконфликтным распределением значений выходных токов СМ тем или иным способом. Существует несколько таких способов, применение каждого из них может быть выбрано для конкретных условий работы в СПУ. Подробности их реализации относятся к схемотехнике самих СМ и в данной статье не рассматриваются. Главное преимущество модульной архитектуры ЦЧ КСЭ перед моноблочной состоит в следующем: отказ элемента или функционального узла в одном любом из СМ может вызвать зависимый отказ только этого СМ, то есть потерю только 1/N части выходной мощности ЦЧ КСЭ. Практически «единичная» выходная мощность одного СМ должна иметь значение порядка 15–20% от значения выходной мощности КСЭ, что и определяет оптимальное количество СМ в ЦЧ КСЭ. Большее количество СМ усложняет процесс управления ими, а меньшее — приводит к снижению гибкости и эффективности ЦЧ КСЭ. Данное обстоятельство упрощает и удешевляет решение вопроса повышения ее безотказности, так как отказавший СМ, как ТЭЗ, может быть оперативно определен и тем или иным образом заменен исправным. От способа реализации последней операции будет зависеть время восстановления работоспособности ЦЧ КСЭ (РЭА в целом), а также выполнение требования к КСЭ РЭА в части безотказности в течение заданного времени эксплуатации. Далее рассмотрим достоинства и недостатки различных способов реализации указанных процессов, а также некоторые дополнительные возможности модульных архитектур СПУ любого вида: AC/DC, AC/AC, DC/AC или DC/DC как самостоятельного применения, так www.power e.ru

ЗИП-О

РЭА

ЦСЭ1

ЦСЭ 2 ЦСЭ (зап.)

Упр. Контр.

Упр. Контр.

Uвх

Uвых

Рис. 6. Вариант 2 восстановления работоспособности РЭА при отказе ЦСЭ путем ее автоматической замены на резервную и последующего удаления оператором с восполнением из состава ЗИП'О (при необходимости)

и в составе ЦЧ КСЭ. При этом теоретически возможный, но практически не используемый вариант применения в модульной архитектуре СПУ только N СМ и замены отказавшего из них на работоспособный из состава ЗИП-О (аналогичный приведенному на рис. 1) не рассматриваем ввиду отсутствия в нем требуемой эффективности. Наиболее распространенным способом резервирования является «N+1», приведенный на рис. 7, при котором в структуре СПУ применены N+1 СМ. При данном способе резервирования N СМ в совокупности обеспечивают заданное значение выходной мощности СПУ на его общей выходной шине, а один дополнительный резервный СМ увеличивает это значение на 1/N суммарной мощности, что дает возможность обеспечить нагрузку номинальным значением мощности при отказе одного любого СМ из числа N+1. При этом поддержи-

вается безобрывность выходного напряжения, а значение выходной мощности СПУ изменяется от повышенного к номинальному. Для предотвращения влияния отказавшего СМ на работу остальных выходы всех СМ подключены к общей силовой шине СПУ через блокирующие диоды. Практически деление СМ в СПУ на основные и резервный — условное, резерв является нагруженным, а способ «N+1» соответствует виду скользящего резервирования [2]. Для поддержания безотказной работы СПУ в расчетный период эксплуатации при заданных способе и периодичности проведения регламентно-восстановительных работ обычно предусматривается ЗИП-О, содержащий необходимое количество (К) запасных СМ. При отказе одного из N+1 СМ оператор РЭА может «на ходу» (без отключения СПУ) заменить отказавший СМ на запасной из состава ЗИП-О. Положительный результат при

РЭА Упр. Контр.

Uвх СПУ

СМ1

СМN

СМN+1

ЗИП-О СМ1…K (зап.)

Uвых Рис. 7. Способ обеспечения безотказности СПУ при отказе одного любого СМ из числа N путем резервирования СМ одним нагруженным резервным СМ и последующего удаления отказавшего СМ оператором РЭА с заменой на работоспособный из состава ЗИП'О

69

Электропитание РЭА

Силовая электроника, № 5’2021

Перечень примененных в статье аббревиатур и их расшифровка

РЭА Упр. Контр.

Uвх

АВР — автомат ввода резерва;

СПУ СМ1

СМN

СМ1р

СМKр

ЗИП О — комплект запасных частей и принадлежностей одиночный; ИЭ — источник электроэнергии; КМ — конструкционный модуль; КСЭ — комбинированная СЭ РЭА; ММА — магистрально'модульная архитектура; ПН — преобразователь напряжения; ПО — программное обеспечение;

Uвых

РСЭ — распределенная СЭ;

Рис. 8. Способ обеспечения безотказности СПУ при независимых отказах К СМ из числа N путем их резервирования К СМ в режиме нагруженного резерва

данном способе резервирования достигается только в том случае, если оператор своевременно восстановит СПУ, то есть обнаружит отказавший СМ и заменит его запасным. Иначе следующий отказ любого из N оставшихся СМ вызовет отказ всего СПУ. Данное обстоятельство, а также необходимость привлечения оператора РЭА к текущему проведению восстановительных работ являются существенными недостатками этого способа. С целью их устранения для СПУ с модульной архитектурой может быть применен другой вариант скользящего резервирования: «N+K», приведенный на рис. 8. Он отличается от предыдущего способа «N+1» установкой в СПУ сразу К резервных СМ (значение К определяется априорным расчетом) и подключением их дополнительно к N основным в режиме нагруженного резерва. Резерв СМ по способу «N+K» поддерживает работоспособность СПУ до момента наступления события К = 0. Основной недостаток данного способа резервирования — снижение исходного значения безотказности СПУ при последовательных отказах СМ от N+К до N. Кроме того, с отказом каждого из СМ пропорционально увеличивается коэффициент нагрузки по мощности всех остальных работоспособных, что в свою очередь изменяет значение их КПД.

Существенным недостатком данного способа резервирования также является нерациональное использование резервного ресурса СПУ, обусловленное отсутствием гибкости ее структуры, то есть невозможность: • управления резервным ресурсом СМ; • оперативного (автоматического) штатного отключения избыточных основных и резервных СМ при длительных уменьшениях значения мощности нагрузки с целью снижения расхода их ресурса; • аварийного отключения и блокировки повторного включения отказавших СМ для предотвращения развития аварийных ситуаций в СПУ; • реализации в СПУ временнóй или циклической ротации СМ, позволяющей более равномерно вырабатывать их ресурс, а также ситуационной ротации СМ, обеспечивающей адаптацию СПУ к ряду возникающих внешних или внутренних нештатных ситуаций. В следующей статье цикла «Системы электропитания РЭА» данная тема будет продолжена с рассмотрением наиболее эффективного способа повышения безотказности СПУ в виде ЦЧ КСЭ на основе магистрально-модульной архитектуры (ММА), примера реализации и ряда специфических возможностей такого

РЧ — распределенная часть КСЭ; РЭА — радиоэлектронная аппаратура; СК — силовой канал СМ; СМ — силовой модуль; СПУ — силовое преобразовательное устройство; СЭ — система электропитания РЭА; СЭС — система электроснабжения; ТЭЗ — типовой элемент замены; ФЧ — функциональная часть; ФУ — функциональный узел; ЦСЭ — децентрализованная СЭ РЭА; ЦЧ — централизованная часть КСЭ.

СПУ, а также обновленной идеологии создания РЧ КСЭ. Продолжение следует Литература 1. Либенко Ю., Воронцов А. Системы электропитания РЭА: так что же у них внутри и снаружи? // Силовая электроника. 2021. № 4.

2. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

Кристаллы SiC MOSFET 12 го класса от Wolfspeed Компания Wolfspeed (A Cree Company) выпустила кристаллы SiC МОП-транзисторов поколения Gen 3 на напряжение 1200 В и ток до 149 А. Кристаллы/чипы поставляются в разрезанном виде в кассетах waffle Pack либо на UV-пленке. Кристаллы SiC MOSFET находят свое применение в солнечных инверторах, системах управления приводом, высоковольтных преобразователях,

70

импульсных источниках питания и зарядных устройствах электромобилей. SiC-технология позволяет увеличить КПД и мощность, уменьшить габариты и вес устройства. Производство включает полный цикл, начиная с монокристаллов и подложек и заканчивая модулями.

www.macrogroup.ru

www.power e.ru

реклама

реклама

Силовая электроника, № 5’2021

www.power e.ru

71

реклама

реклама

реклама