Semisel 4 -выпрямитель, чоппер, инвертор : примеры расчета
Расчёт тепловых режимов работы силового каскада является одним из важнейших этапов процесса разработки, позволяющим подтвердить правильность выбора и применения электронного компонента, что во многом определит надёжность работы устройства. В статье описаны основные особенности наиболее совершенной на сегодняшний день программы теплового расчёта SemiSel4 и в виде примера приведены расчёты трёхфазного выпрямительного моста, чопера и трёхфазного инвертора.
ВведениеПостоянное ценовое давление рынка и стремление к повышению эффективности преобразовательных устройств сделали выбор элементной базы одним из самых ответственных этапов проектирования. Не менее ответственной фазой разработки является расчёт тепловых режимов, важность которого обусловлена непрерывным увеличением плотности мощности.
Растущее многообразие решений, применяемых в силовой электронике, и специализация типов компонентов привели к тому, что сравнение близких по назначению силовых модулей на основании только справочных данных стало серьёзной проблемой. Предельные значения тока и напряжения транзистора или модуля, обычно вынесенные в заголовок технических характеристик, не дают разработчику никаких данных для расчёта, а лишь позволяют в первом приближении сравнить один элемент с другим. Сложность выбора компонента заключается и в том, что желательно максимально использовать его мощностные характеристики, чтобы не платить лишних денег за неоправданный запас по мощности.
Проектирование силового каскада является сложным и ответственным процессом, требующим от современного разработчика большого объёма знаний и опыта. Автоматизированные средства разработки, позволяющие решать большинство поставленных задач, способны оказать неоценимую помощь при разработке и свести к минимуму ошибки проектировщика.
Что такое SEMISEL?
Тенденции современного рынка силовой электроники – сокращение сроков проектирования, рост мощностей и усиление требований по надёжности – делают невозможным процесс разработки без специализированного программного обеспечения. Программы для расчёта режимов работы мощных преобразовательных устройств предлагаются практически всеми основными производителями силовых модулей. Наиболее популярные компьютерные средства разработки доступны на сайтах компаний Eupec/Infineon, Mitsubishi, Semikron. Как правило, данные программы предназначены для расчёта мощности потерь и температуры перегрева, с их помощью разработчик может с различной степенью достоверности выбрать силовой ключ на основании заданных режимов работы.Компания Semikron предложила для массового применения свою программу автоматизированного расчёта и выбора компонентов SemiSel [1] (предыдущая версия 3.1 описана в статье "Программа теплового расчета SEMISEL 3.1 – новые возможности, новые перспективы" пару лет назад) раньше своих конкурентов. Первый вариант программы появился на сайте фирмы в 2001 г., и с тех пор SemiSel постоянного совершенствуется, обновляется, пополняется база данных. Последняя версия SemiSel Version 4.0.1 пригодна для моделирования тепловых режимов любых силовых ключей на основании их технических характеристик.
Программа SemiSel, on-line-версия которой доступна по линку semisel.semikron.com, может быть использована для анализа практически всех используемых конфигураций схем в реальных условиях эксплуатации. Последние варианты SemiSel способны помочь разработчику практически на всех этапах проектирования, включая выбор драйвера, расчёт режимов его работы, а так же оптимизацию охлаждающей системы любого типа или моделирование заданного рабочего цикла.
В первую очередь программа предназначена для решения следующих задач:
● оптимальный выбор силового ключа для заданной конфигурации схемы и условий эксплуатации;
● сравнение эффективности работы различных компонентов, поиск замены;
● достижение оптимальной технической и экономической эффективности, нахождение оптимального соотношения основных электрических характеристик (частоты переключения, эффективности системы охлаждения, перегрузочной способности и т.п.);
● оценка запаса надёжности по предельным режимам
Общие сведения
Основные потери в силовых транзисторах и модулях создаются непосредственно в кристалле. Тепло, выделяемое полупроводниковым кристаллом, отводится через корпус элемента на теплоотвод и далее в окружающую среду. Градиент температур между кристаллом и окружающим воздухом является функцией рассеиваемой мощности и тепловых сопротивлений материалов, из которых состоит корпус элемента, и материалов теплоотвода.
Для компьютеризации расчета график динамического теплового импеданса выражается в виде аналитической функции, и градиент температуры рассчитывается по формуле:
......формулы можете посмотреть в полной версии статьи по ссылке " формулы для Семисел"
Одним из главных достоинств программы SEMISEL по сравнению с аналогичными средствами расчета является широкий выбор схем AC/DC, AC/AC DC/AC и DC/DC преобразователей:
1. Выпрямители AC/DC
• B2U — однофазный выпрямительный мост.
• B2H — однофазный тиристорный мост с управлением в верхнем плече.
• В2С — однофазный полностью управляемый тиристорный мост.
• B6U — трехфазный выпрямительный мост.
• B6H — трехфазный полууправляемый тиристорный мост.
• В6С — трехфазный полностью управляемый тиристорный мост.
2. Регуляторы переменного напряжения AC/АC
• W1C — тиристорный ключ.
• W1C — трехфазный тиристорный ключ.
3. Инверторы DC/АC
• Inverter_1_phases — полный мостовой каскад (в режиме разрывного и непрерывного тока).
• Inverter_3_phases — 3-фазный инвертер.
• Direct inverter –обычный мостовой инвертор в режиме «флип-флоп»
• 3-Level inverter –трехуровневый инвертор
4. Преобразователи постоянного тока DC/DC
• Buck — чоппер верхнего плеча;
• Boost — чоппер нижнего плеча;
• SR-мотор – вентильный индукторный двигатель.
Следует отметить, что все указанные схемы реализованы в модулях, производимых компанией SEMIKRON.
Далее мы рассмотрим на различных примерах, как непосредственно работает программа SEMISEL. Примером послужит «сквозное» проектирование преобразователя частоты, состоящего из трехфазного выпрямительного моста, чоппера системы торможения и IGBT инвертора. Исходные данные для расчетов:
Pn=22 kW, cosFi(std)=0,8 3 phase 380 V
Possible overload 20% time 10 sec
Fpwm-max -up to 12 kHz, Fpwm-std = 4,5 kHz; sinusoidal pwm
Полная мощнсть системы при стандартном косинусе
Snom = Pnpm/0,8 = 27,5 kVA
Трёхфазный выпрямительный мост
Рассмотрим вариант расчета трехфазного полууправляемого выпрямителя. После выбора соответствующей конфигурации (B6Н) на экране появляется схема и меню (рис. 3) в котором требуется ввести значения соответствующих параметров:
• Vin — линейное напряжение;
• Iout av, Iout rms — среднее и среднеквадратичное значение выходного тока;
• FI — так называемый форм-фактор — отношение среднеквадратичного и среднего тока выпрямительного моста (не нагрузки!). При индуктивной нагрузке: FI = 1,41 для однофазного выпрямителя и FI = 1,73 для трехфазного выпрямителя. Если введены значения Iav и Irms, FI вычисляется автоматически;
• fin — значение частоты входного сигнала (учитывается при расчете потерь для быстрых диодов);
• Overload factor — процент перегрузки. При расчете потерь используется метод последовательных приближений из 40 шагов и учитывается эффект саморазогрева;
• Duration — время перегрузки;
• User defined load cycle — эта опция используется, если форма выходного тока отличается от стандартной и определяется пользователем.
Фазный Входной ток Iinp = 34 A
Выходной ток выпрямителя
Id = Pn/535= 41.12 A
(учитываем, что реактивный ток двигателя замыкается через батарею звена, поэтому при расчете выпрямителя используем только номинальную мощность)
Коэфф.перегрузки -1.2 на протяжении 10 сек
После заполнения всех необходимых граф программа предлагает различные типы выпрямителей, выпускаемых фирмой и подходящих для решения данной задачи (рис. 4). Дальнейшие действия необходимы для расчета мощности потерь. Вы выбираете тип корпуса моста и непосредственно тип элемента из ниспадающего меню. При использовании типовых значний параметра (typical values), тепловой расчет производится для номинального режима работы, предельные значения (maximum values) необходимы для расчета режима перегрузки.
Рис. 4. Предлагаемые типы выпрямителей
Выбор элементной базы. Как говорил Леонид Быков устами киногероя из к/ф "В бой идут одни старики" - учите матчасть. Поэтому вначале пожалуйста ознакомьтесь с номенклатурой выпускаемых приборов, чтобы не ошибиться раз в 5 случайно. "Запас карман не жмет", но денег уже требует [6].
Если хотите использовать библиотеку ране выпускавшихся приборов (мало ли, вдруг где-то пара-тройка модулей пролежала в заначке лет 7..), поставьте птичку в графе
Select your package and device х Add former generation
Надеюсь, что читатель уже полистал ShortForm Semikron, если нет - в электронном виде найдете по ссылке, (или печатный вариант - запросите у дистрибьютора). Поэтому без лишних обьяснений выбираем первые попавшиеся приборы на 40А, например
миниатюрный SEMITOP SK40DH
Следующий этап — расчет мощности потерь и температуры кристалла. Экран для этого режима приведен на рис. 5.
Рис. 5. Исходные данные для теплового расчёта трёхфазного выпрямительного моста
Берем рекомендованный охладитель Р14-120 со стандартным вентилятором
и нажимаем Calculate.
· Ta — температура окружающей среды;
· number of switches per heatsink — количество элементов модуля, в нашем случае (3-фазный выпрямитель) — 6,
number of parallel devices on the same heatsink — количество параллельно соединенных на одном радиаторе модулей — 1;
· cooling method — способ охлаждения. Расчет может производиться для естественного (natural air) режима, режима принудительной вентиляции (forced air) и режима водяного охлаждения (water);
· SK model — тип теплостока производства SEMIKRON, после выбора автоматически заполняется графа теплового сопротивления Rth(s-a);
· correction factor — с помощью этого коэффициента можно изменять значение теплового сопротивления «теплосток — окружающая среда» Rthha;
· flow rate — скорость протекания воздуха или жидкости в режиме принудительного охлаждения;
· self defined heatsink — вводятся параметры теплоотвода пользователя;
· fixed heatsink temperature — расчет перегрева кристалла относительно температуры окружающей среды при фиксированной температуре радиатора.
Результаты расчетов можно увидеть на рис.6.
Рис. 6. Результаты расчёта трёхфазного выпрямительного моста
В таблице результатов кроме входных данных и конфигурации схемы приводятся следующие параметры:
• VTO25(125) — прямое падение напряжения;
• rT25(125) — динамическое прямое сопротивление;
• Lossesdevice — потери на одном диоде;
• Losses TOT — суммарные потери.
С помощью соответствующих кнопок можно вернуться в любую точку программы, изменить исходные данные и повторить расчет. В конце расчета программа сообщит свое мнение о выбранном элементе и теплоотводе:
• This configuration works fine — силовой элемент и радиатор выбраны правильно, температура кристалла в режиме перегрузки не превышает 125 °С, обеспечен запас по перегрузке (100 °С < Tj < 125 °C).
• This configuration seems to be too powerful — выбран неоправданно мощный элемент, запас по мощности слишком велик (Tj < 100 °C).
• Recommendation by SEMIKRON: Do not use semiconductor in the range of Tj(max) = 125 °C — температура кристалла в режиме перегрузки превышает 125 °С, рекомендуется выбрать более мощный элемент или улучшить охлаждение.
• This configuration does not work! — температура кристалла во всех режимах превышает 125 °С, необходимо применить более мощный элемент или улучить теплоотвод.
Результат...не очень хороший, ибо рекомендация Семикрон гласит:
Recommendation by SEMIKRON: Do not use semiconductor in the range of Tj(max) = 125 °C
и действительно - максимальная температура кристалла при перегрузке 115 °С.
Если температура внутри шкафа возрастет хотя бы на 10 °С (что для прошлогоднего лета было объективной реальностью), то получим перегрев кристалла. Проверяем, устанавливая в графе
Ambient and heat sink parameter : Ambient temperature Ta 50
Результат не заставил себя ждать:
Evaluation: This configuration does not work!
Берем радиатор большего размера: Р16-200
Повторный расчет при той же температуре с новым радиатором показывает успешный результат «This configuration works fine» (забегая вперед, скажем, если радиатор использовать "по-хозяйски", т.е. разместить на нем еще чоппер с инвертором, то результат может оказаться плачевным, но до этого еще дойдем).
Опять вернемся к статье "Мифы.."[6]. А лучше вспомним Ильфа и Петрова. "На антресолях жила ничья бабушка, которая не доверяла электричеству". Вот так и наш брат-разработчик не очень доверяет заверениям, что печатный монтаж (если грамотно спроектирована плата) позволяет спокойно работать с токами до 50А.
Поэтому пробуем другой вариант (опять же без объяснения причины выбора) выбираем модули
Semipack1 SKKH42 Проходим последовательность еще раз, начиная с выбора диодно-тиристорного
модуля. Для чего кликаем внизу кнопку Device Parameter, возвращаемся на страницу выбора, ставим птицу на Semipack and SKKH42. Нажимаем кнопку Calculate - результат:
This configuration seems to be too powerful.
Очень большой запас, ибо при перегрузке температура кристалла едва достигает 73 °С.
Не по-хозяйски (хотя, мы же держим в памяти, что хотим разместить все силовые ключи на одном радиаторе)...
"Из чистого интереса" вернемся к радиатору Р14-120 (как поменять, надеемся, что грамотный читатель уже запомнил).
Результат: температура при перегрузке 79 °С и This configuration seems to be too powerful.
Как гласит народная мудрость "Модуль, он и на Северном полюсе - модуль, но очень холодный".
Предоставим читателю возможность самостоятельно оценить возможность применения в этой схеме SKKH27.
Дотошный читатель логичное объяснение этому "чуду" найдет самостоятельно.
Тормозной чоппер
Выбираем конфигурацию силовой части DC/DC Buck. «Почему?» тут же спросит дотошный читатель.А никакой разницы нет для теплового расчета, куда вешать тромозной (Brake) резистор.
Точно так же никакой разницы нет между полупроводниковыми кристаллами
в конфигурациях GAR и GAL Semikron. Они симметричны.
Но вот какие параметры вводить для расчета? Исторически в электроприводе переменного тока сложилось, что свойства тормозного ключа зависят от механизма, в котором привод применяется. Поэтому такое разделение оставим на совести инженеров-приводчиков и согласимся с "Маємо те, що маємо".
А именно, тормозящий ключ может быть выбран в двух вариантах:
- на 33% номинальной мощности привода;
- на 100%
в зависимости от применяемых регуляторов и законов торможения.
(Для справки -33% используется для общепромышленных приводов, где нужно торможение, 100% для высокодинмамичных и высокоинерционных).
Начнем с общепромышленных с невысокой динамикой.
Зачем вообще нужен чоппер? При частотном торможении асинхронный двигатель переходит в генераторный режим и кинетическая энергия, запасенная в роторе(и приводимом механизме), за вычетом мехнанических потерь (трение) и электрических (на активных сопротивлениях статора и ротор), преобразуется инвертором назад в электрическую.
При этом напряжение Ud на конденсаторах звена растет.
Вот для рассеяния этой возвращаемой энергии и применяется тормозящий ключ с тормозящим резистором (вариант рекуперации не рассматриваем). При выделении ее на тормозящем резисторе напряжение Ud снижается с Ud-max до Ud-min (наперед заданные настраиваемые величины).
Величина и мощность тормозящего резистора выбирается исходя из условий:
- Rb <= 0,33 * Ud-max/Id nom для общепромышленных приводов
- Rb <= 1,0 * Ud-max/Id nom для высокодинамичных.
Значение Ud-max выбирается исходя из максимально допустимого для конденсаторной батареи (обычно в звене используют последовательное соединенные электролитические конденсаторы с Uc-nom=400 V). Поэтому, для обеспечения надежности, с учетом возможного разбаланса емкостей батареи
Ud-max = 0,9 * 2c-Unom = 720 V.
Не вникая в особенности, отметим, что вариант торможения, когда Вrake-ключ полностью открыт, является далеко не оптимальным с точки зрения задач привода. Поэтому используется несколько более сложный алгоритм, при котором ток через тормозной резистор стабилизирован, а частота ШИМ совпадает с частотой коммутации ключей инвертора.
Вот его и рассмотрим.
Ib = 0.33 * Id = ~ 14 A Fsw = 4,5 kHz
Задаем начальные параметры Ud (наше Ud-max)=720 Uout (наше Ud-min)=620
И переходим к выбору компонентов. Вариантов -масса. Остановимся на самом простом
SEMITOP SK20GAR123D (from Former generation)
При Ta =50 °С получаем предупреждение: Температура перехода 140 °С, что явно не годится.
Дилемма - либо выбрать более мощный ключ, либо более мощный радиатор. Начнем с ключа. Используем модуль SEMITOP SK30GAR123D , что даст нам следующие величины потерь (Рис. 7):
| Calculated losses and temperatures with rated current and at overload: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Рис. 7. Результаты расчёта тормозного чоппера
-температура кристалла 102 °С, This configuration works fine.
Запоминаем выделяемую мощность
Ptot 52 W 52 W
Вспоминаем, что использовать три разных радиатора для выпрямителя, инвертора и чоппера "не по-хозяйски" и возвращаемся к..расчету выпрямителя. Поскольку чоппер добавит нам 52 Вт тепловых потерь, учтем их в строке "Additional power source at this heat sink" выбора охладителя. В результате получаем то, что предположили заранее: Evaluation: This configuration does not work!
Т.е. разместить выпрямитель SK40DH и чоппер SK30GAR123 на радиаторе Р14-120 невозможно в силу перегрева. (Чем точнее хотите получить результат, тем больше вариантов и итераций придется посчитать). То же самое проделаем для выпрямителя на модулях
Semipack1 SKKH42
Температура кристаллов модулей выпрямителя подросла до 85 °С, но до граничной 125 °С еще очень далеко.
Инвертор IGBT
Чтобы рассчитать тепловые потери нашего инвертора, возвращаемся к странице выбора схемы, нажав на кнопку «Change Circuit». Выбираем схему «Inverter 3 Phases» и вводим исходные данные (которые затем отобразятся в левой колонке рис. 8). Переходим к выбору IGBT -модулей для расчета.....глаза разбегаются. Здесь уже нужен либо кое-какой опыт разработчика, либо перебор нескольких десятков вариантов, либо….введение дополнительных факторов, ограничивающих число вариантов. Поскольку ранее мы решили, что постараемся использовать печатные проводники, то остановимся на модуле SK75GD12T4T (исходя просто из допустимых амплитудных значений тока через транзисторный ключ).
Рис.8. Результаты расчёта трёхфазного инвертора
Радиатор Р14-120, все ОК. Размещаем на этом же радиаторе чоппер, что добавляет к рассеиваемой мощности еще 52 Вт. Пересчитываем - тоже все в порядке, но температура подросла до 127 °С.
При Токр = 50 °С, температура кристалла - 139 °С, радиатора - 93 °С (мощность потерь в самом "плохом" случае : минимальная выходная частота инвертора + 20% перегрузка). 93 °С - перебор, "наши люди в булочную на такси не ездят".
Поэтому используем Р16-200. Результаты расчёта приведены на Рис. 9.
Предпоследний этап для проверки. Рассмотрим "самое слабое звено"- выпрямитель, с добавлением к нему мощности, выделяемой чоппером -52 Вт и инвертором -388 Вт.
Пересчитываем температуру выпрямителя и получаем зловещее "This configuration does not work!"
Удлинение радиатора не оправдывает надежд - та же фраза красным (что мы ранее предполагали).
Делаем ход конем, меняем выпрямительный мост на более мощный -SK70DH.
И через несколько секунд убеждаемся, что если разместить на охладителе типа Р16-200 и диодный мост, и чоппер, и инвертор, кристаллы этих модулей будут чувствовать себя более чем комфортно. Увеличение частоты ШИМ до 12 кГц для инвертора увеличит тепловые потери в инверторе до 669 Вт. Однако, пересчитав тепловой режим, убеждаемся:
Кристаллы IGBT модулей уже будут работать в режиме, близком к предельному, но выпрямитель останется в норме (Тохл = 85 °С).
Распределение тепла.
В предыдущем разделе мы установили, что на одном радиаторе Р16-200 можно разместить все три тепловыделяющих элемента нашего преобразователя частоты. Невыясненным остается вопрос «Как их разместить?». Ведь мы получили среднюю температуру радиатора, которая эквивалентна «средней температуре по больнице». Для того чтобы оценить взаимовлияние модулей и распределение температурного поля по радиатору, воспользуемся программой R-Theta [8]. Дадим возможность читателю самостоятельно разобраться с настройками этой программы. Поэтому лишь заметим, что визуализация процесса распределения тепла в радиаторе позволяет оценить эффективность охлаждающей системы, что наглядно демонстрирует Рис. 10.
 |  |
Грамотное разнесение силовых модулей на поверхности радиатора улучшает картину распределения тепла, что эквивалентно уменьшению теплового сопротивления.
Заключение
Давно прошли времена, когда выбор силового ключа осуществлялся на основании его номинального тока, а для повышения надёжности рекомендовалось использовать двойной запас по мощности. Цель современного разработчика – обеспечение высокой надёжности при использовании предельных режимов работы компонентов плюс минимальные сроки проектирования. Решение этой задачи немыслимо без специализированного программного обеспечения, призванного максимально упростить и автоматизировать процесс проектирования, устранить возможные ошибки, оптимизировать выбор элементной базы.Программа SemiSel пригодна для анализа большинства существующих практических схем [9], позволяет оптимально выбрать режимы работы и условия охлаждения и требует от пользователя ввода только числовых исходных данных. Удобный интерфейс, пояснения, данные для всех режимов работы, позволяют использовать программу разработчикам средней квалификации. Конечно, компьютер не способен заменить голову разработчика. Знания и опыт в любом случае остаются самыми главными составляющими процесса проектирования. Специализированное программное обеспечение – это, прежде всего очень хороший инструмент для грамотного инженера, помогающий избежать массы ошибок, быстро проанализировать различные варианты схемы и выбрать из них лучший. В результате сокращается время и повышается качество разработки.
Постоянные заказчики Semikron могут получить локальные версии SemiSel у официальных дистрибьюторов и в центрах технической поддержки компании в Киеве.
Литература
1. Wintrich A. Free help with your converter design. Semikron Elektronik, 2006.
2. Srajber D., Lukasch W. The calculation of the power dissipation for the IGBT and the inverse diode in circuits with sinusoidal output voltage. Semikron Elektronik, 1996.
3. Freyberg M., Scheuermann U. Measuring Thermal Resistance of Power Modules. PCIM Europe J. 2003.
4. Колпаков А.И. Обеспечение надежности силовых IGBT модулей. Электронные компоненты. 2003. № 4.
5. Колпаков А.И. Методы оценки надёжности IGBT модулей Semikron в предельных ре- жимах. Силовая электроника. 2004. № 1.
6. Колпаков А.И. Мифы и легенды российских электронщиков, Компоненты и технологии №9, 2007
7. Колпаков А.И. Принципы работы и особенности программы теплового расчёта . Электронные компоненты № 6, 2004.
8. Колпаков А.И. Тепловое моделирование –просто и доступно. Электронные компоненты, 2008.- №8
9. Колпаков А.І., Мисак Т.В., Поліщук С.Й. Программа теплового расчета SEMISEL 3.1 –новые возможности и перспективы //Технічна електродинаміка. Силова електроніка та енергоефективність.-Тематичний випуск.-2008.-Ч2.-с.114-119.
Сообщения
Комментариев нет:
Отправить комментарий