Программа теплового расчета SEMISEL 3.1 – новые возможности, новые перспективы
Андрей Колпаков, инженер ООО «СЕМИКРОН»
Ул. Б.Пушкарская, 41, С-Петербург, 197101, Россия
Тел./факс: (+7812) 232-9825, e-mail: Andrey.Kolрakov@semiкron.com
Сергей Полищук, директор НПП «ТЕХНОСЕРВИСПРИВОД», E-mail: sеrg@semiкron.com.ua
Тарас Мысак, ведущий специалист НПП «ТЕХНОСЕРВИСПРИВОД», E-mail: тaras@igbт.com.ua
а/я 141, 04211, Киев-211, Украина, Т/ф. (+380 44) 456 19 57,
http://www.semiкron.com.ua
Annotation – new possibilities and features of thermal calculation tool SEMISEL version 3.1
Keywords – IGBT, SEMISEL, thermal calculations, working modes, overload conditions
Новая статья с примерами расчета на версии Semisel 4 размещена по линку:
"
Semisel 4 -выпрямитель, чоппер, инвертор : примеры расчета "
ВВЕДЕНИЕ
Компания SEMIKRON предложила для массового применения свою программу автоматизиро-ванного расчета и выбора компонентов SEMISEL [1] раньше своих конкурентов. Первый вариант появился на сайте фирмы в 2001 году, и с тех пор SEMISEL постоянного совершенствуются, обнов-ляется, пополняется база данных [5].
SEMISEL, on-line версия которой доступна на сайте www.semikron.com, может быть использова-на 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, расчет режимов его работы, а также оптимизацию охлаж-дающей системы любого типа или моделирование заданного рабочего цикла.
С 2005 года на сайте SEMIKRON стала доступна третья версия программы, отличающаяся повышенной точностью расчетов и дополненная рядом новых опций:
• при расчете режима перегрузки на низких частотах огибающей коэффициент коррекции вычисляется для каждого типа модуля в зависимости от его теплового сопротивления;
• частота коммутации для интеллектуальных силовых модулей ограничена на уровне справоч-ных значений;
• при использовании опции «user defined load cycle» (рабочий цикл, определенный пользователем), на порядок повышено количество итераций;
• программа обслуживается новым скорост-ным сервером.
Рис. 1. Режимы работы SEMISEL
Программа SEMISEL предлагает пользователю несколько режимов работы, включающих тепло-вой расчет, выбор силового ключа (Device Proposal) или готовой сборки (StackSel), выбор и расчет режимов работы драйвера (DriverSel). Самым важным этапом проектирования является расчет потерь мощности и температуры перегрева, в интернетовской версии он носит название Step by Step Design. Стартовое меню SEMISEL, вклю-чающее все доступные варианты вычислений, показано на рисунке 1.
Естественно, что для правильного задания исходных данных, получения корректных результа-тов и их грамотной оценки пользователь должен достаточно хорошо представлять себе задачу, понимать физический смысл параметров и систему их обозначений, что немыслимо без определенного инженерного опыта. Однако это несоизмеримо с той массой знаний, которую необходимо иметь разработчику для «ручного» расчета режимов работы схемы.
ОБНОВЛЕНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ
Рис. 2. Пополнение базы конструктивов
Постоянное обновление и пополнение базы данных является обязательным требованием лю-бой подобной программы. Разработчик должен иметь возможность производить анализ схемы с применением новейших поколений силовых ключей, с учетом особенностей новых конструктивов. В этой связи очень важно, что в библиотеку эле-ментов SEMISEL V3.1 включены модули новой, четвертой генерации Trench 4 IGBT. Особенностям этих силовых ключей, являющихся на сегодняшний день наиболее универсальными для приводных применений, посвящено достаточно много публикаций [4]. Теперь при анализе любых схем, в которых могут быть использованы IGBT, пользователь имеет возможность выбрать модули серии 12Т4 следующих серий:
•
SEMITRANS
•
SEMiX
•
MiniSKiiP
• SKiM
База данных версии 3.1 пополнена и новыми типами и конфигурациями схем. Например, в конструктиве
SEMIPONT, который ранее использовался только для производства выпрямительных мостов, теперь доступна схема, содержащая 3-фазный выпрямитель и чоппер IGBT. Такая кон-фигурация может быть использована в приводах, где чоппер играет роль тормозного каскада и в DC/DC преобразователях. Серия диодных и тири-сторных мостов дополнена появившимся недавно выпрямителями в корпусах SEMiX. Необходимо отметить, что, как и ранее, существует возмож-ность анализа схем с применением устаревших типов модулей, для чего необходимо пометить окно «Add Former Generations» (см. рис. 2).
НОВЫЕ КОНФИГУРАЦИИ СХЕМ
Рис. 3. Схема управления SRM двигателем
Одним из главных достоинств SEMISEL по сравнению с аналогичными средствами расчета является широкий выбор конфигураций схем AC/DC, AC/AC DC/AC и DC/DC преобразовате-лей.
Приводная техника не стоит на месте, появля-ются новые виды электрических машин, для управления которыми зачастую требуются нестан-дартные типы схем. Для удовлетворения подобных запросов разработчики SEMISEL добавили в версии 3.1 схему несимметричного однофазного преобразователя, предназначенного для управления током пары полюсов вентильного индукторного двигателя (ВИРД или SRM – Switch Reluctance Machine). Схема устройства и задаваемые параметры приведены на рисунке 3. В отличие от обычного чопперного каскада данный преобразователь позволяет формировать пачки импульсов с высокочастотным заполнением, при этом пользо-ватель может задать следующие исходные данные:
• Input voltage Vd – входное напряжение постоянного тока;
• Duty Cycle during pulse – коэффициент заполнения импульса;
• Current Iout – выходной ток;
• Pulse Width tpw – ширина импульсного пакета;
• Cycle Duration Tp – период повторения импульсов;
• Switching frequency fsw – частота ШИМ.
НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ: ZTH ЭКСТРАКТОР
Рис. 4. Меню Zth Extractor Tool
Таблица 1. Соотвествие тепловых и электрических параметров
Электрические
параметры Ед. изм Термодинамические
параметры Ед. изм
Заряд Q К Тепловая энергия Qth Дж
Ток I A Тепловой поток P Вт
Напряжение U В Разность температур Т C
Сопротивление R Ом Тепловое сопротивление Rth C/Вт
Емкость С Ф Теплоемкость Cth Дж/C
Главным критерием правильности выбора элемента, позволяющим оценить запас по предель-ным режимам и спрогнозировать показатели на-дежности является температура кристаллов Tj в статических и динамических тепловых режимах. Она рассчитывается на основании величины мощ-ности потерь, методика определения которых под-робно описана в [1-3].
Далее тепловая модель ключа заменяется эквивалентной электрической схемой, на которой все тепловые переходы модуля представлены в виде RC цепочек, где R является тепловым сопротивле-нием, а С – теплоемкостью определенного элемента конструкции. Источники тепла на электриче-ской схеме заменяются источниками тока, а базо-вые значения температуры (например, Та – температура окружающей среды) – источниками напряжения. Эквивалентные тепловые и электрические параметры приведены в таблице 1. Расчет температуры кристалла IGBT Tj_IGBT будет производиться в соответствии со следующим выражением:
(1)
где Pv_n – суммарная мощность потерь всех элементов, установленных на общем радиаторе.
Анализ номинальных режимов и температур является базовым для оценки состояния перегруз-ки, который часто оказывается для разработчика гораздо более важным, оказывающим наибольшее влияние на надежность работы устройства. Расчет предельных режимов в SemiSel производится для двух случаев, определяемых в окне overload pa-rameter – это перегрузка по току, заданная коэффициентом и длительностью режима (factor, duration) и перегрев, обусловленный низкой частотой выходного напряжения (min output frequency).
Естественно, что увеличение тока нагрузки приводит к росту потерь и повышение температуры кристалла. Наибольший интерес в данном случае представляет оценка динамики этого процесса, т.к. перегрузка носит кратковременный характер и температура Tj не успевает достичь установивше-гося значения. Для расчетов, когда параметры токовой перегрузки задаются в виде коэффициента и длительности, температура кристалла вычисля-ется по приведенной выше формуле, в которой тепловое сопротивление Rth заменяется на дина-мический импеданс Zth, что позволяет получить мгновенное значение Tj в зависимости от длитель-ности режима.
.(2)
Как было сказано выше, программа SEMISEL производит расчет температуры перегрева с по-мощью эквивалентных электрических схем. Для аппроксимации сложного графика зависимости Zth = f(tp) используется последовательное соединение 3 и более RC-цепочек (см. рис. 4) каждая из кото-рых отвечает за свой участок характеристики. Для каждого силового модуля и радиатора SEMIKRON величины соответствующих элементов рассчитаны и включены в базу данных программы, таблицы со значениями Rn и
Taun (Transient Thermal Impedance Analytical Elements) можно найти в каталогах про-дукции, выпускаемых фирмой. Однако, начиная с 3 версии SEMISEL, ее разработчики поставили своей целью сделать программу пригодной для анализа преобразовательной схемы, созданной на основе любых компонентов, независимо от произ-водителя. С этой целью в меню выбора силового ключа Device Parameter включено окно Create User Defined Device, с помощью которого можно описать характеристики силового модуля и авто-матически сгенерировать параметры его тепловой модели.
Данная возможность еще более расширилась в версии 3.1 с помощью инструмента Zth extractor, позволяющего задавать параметры модели по графику динамического теплового импеданса. Семейства кривых Zth для различных длительностей импульсов проводимости и коэффициентов заполнения (Duty Cycle) приводят в документации все серьезные производители силовых модулей и теплоотводов. Новая опция дает возможность ввести эти графики в табличной форме или с по-мощью нескольких щелчков левой кнопкой мыши в окне Zth Data (см. рис. 4). После задания данных и нажатия кнопки Result (синяя стрелка на рис. 4) происходит автоматическая генерация параметров R и
Tau.
НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ: СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
Рис. 5. Меню Comparison Tool
Одной из главных проблем проектирования преобразовательного устройства является выбор силового ключа, обеспечивающего минимальный уровень потерь при заданных условиях эксплуатации. С помощью программы SEMISEL эта задача и раньше решалась вполне успешно: достаточно было задать рабочие режимы, провести расчет схемы при использовании нескольких типов моду-лей и сравнить результаты.
Версия SEMISEL 3.1 содержит опцию, позво-ляющую еще более упростить процесс сравнения и сделать его более наглядным. Теперь, проведя вычисления для одного из выбранных силовых ключей, можно щелкнуть правой кнопкой мыши, задать режим Device Comparison и выбрать любой из альтернативных типов модулей. В результате этого, в меню результатов расчетов добавится окно Losses and Temperatures, в котором будет проведено сравнение значений рассеиваемой мощности и температуры перегрева в номиналь-ном и пиковом режиме (см. рис. 5).
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ РАСЧЕТА: ЗАДА-НИЕ ФОРМЫ ИМПУЛЬСА
Рис. 6. Меню Circuit Parameter для однофазного инвертора
При моделировании режимов работы однофазного инвертора очень важно учитывать конкрет-ную форму тока, протекающего через ключевой транзистор. При фиксированной мощности на-грузки кривая изменения тока в течение импульса проводимости оказывает существенное влияние на величину мощности потерь IGBT. Особенно акту-альным это является при работе инвертора на на-грузку, имеющую достаточно низкую индуктив-ность, когда ток нагрузки меняется с частотой коммутации, что характерно, например, для уста-новок индукционного нагрева.
Программа SEMISEL позволяет задавать три основных формы импульса тока (см. рис. 6): пря-моугольную (Rectangular), трапециидальную (Trapezoid) и треугольную (Triangular). В результа-те при расчете мощности динамических потерь IGBT и антипараллельного диода значение энергии включения и выключения корректируется с учетом кривой изменения тока, что позволяет получить значение температуры перегрева чипов IGBT и диода с более высокой точностью.
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ РАСЧЕТА: ПЕРЕ-ГРУЗКА ПРИ НИЗКИХ ЧАСТОТАХ РАБОТЫ ПРИВОДА
Рис. 7. А – колебания температуры кристалла относительно среднего значения при разных час-тотах Fout, В – нормированная кривая изменения тока при пуске асинхронного двигателя
При анализе схемы 3-фазного приводного инвертора программа SEMISEL рассматривает два предельных состояния, приводящих к повышению температуры относительно среднего значения. Первое из них вызывается токовой перегрузкой, которая задается с помощью коэффициента (Over-load factor) и длительности (Duration).
Наиболее сложным тепловым режимом является работа привода на низких частотах огибающей или пуск с нулевой частоты, особенно если это происходит при повышенном моменте/токе. На самом деле ситуации, когда fout = 0 не существует, поскольку даже у первого колебания выходного напряжения есть период Т1 конечной длительно-сти. Соответственно стартовая частота должна определяться, как fout = 1/Т1, при этом Т1 может быть намного больше тепловой постоянной времени всей системы. Проблемы оценки данного режима связаны как с низкой корректностью стан-дартных формул теплового расчета инвертора, так и с тем, что программа предполагает более-менее равномерное распределение тепла по поверхности теплоотвода. Однако при очень низких частотах может оказаться, что 1 из 6 ключей инвертора является основным источником потерь, работаю-щим практически на постоянном токе.
На рисунке 7 показано отклонение пиковой температуры чипа IGBT Tj_IGBT от среднего значе-ния при различных частотах в процессе пуска привода. Нормированная кривая изменения тока, в соответствие с которой производились расчеты перегрева, приведена в правой части рисунка. Обратите внимание на то, что при этом соотноше-ние Iout/Inom не превышает единичного значения, т.е. перегрузка по току отсутствует. Причиной увеличения амплитуды пульсаций dTj при той же величине рассеиваемой мощности Pv является недостаточная тепловая инерция теплоотвода, неспособного с понижением частоты обеспечить равномерное распределение тепла между транзи-сторами полумостового каскада.
Рис. 8. А – изменение рассеиваемой мощности и пиковой температуры кристалла, В – зависи-мость коэффициента коррекции от частоты оги-бающей, С – изменение температуры чипа IGBT модуля IGBT при fout = 1 Гц
Для учета перегрева, вызванного этим эффек-том, в
SEMISEL используется поправочный коэф-фициент K(f), график зависимости которого от частоты показан на рисунке 8b. Вплоть до версии 3.1 для каждого значения fout применялся фиксиро-ванный коэффициент, независимо от типа модуля (красный график на рис. 8b). Это вносило опреде-ленные погрешности в расчеты, поскольку в ре-альности изменения температуры зависят от теп-лового импеданса модуля.
Теперь данная проблема решена, и поправка вносится индивидуально в зависимости от тепло-вых характеристик конкретного силового ключа. Более того, методика определения градиента отли-чается для модулей базовой и «безбазовой» конструкции. В первом случае dTj(max) = dT(j-c)av × К(fout) + Tc, во втором – dTj(max) = dT(j-c)av × К(fout) + Ts, где Тс – температура корпуса модуля, Ts – температура радиатора.
Рис. 9. Результаты расчетов температуры пере-грева для различных состояний перегрузки
Соответственно для расчетов переходных со-стояний применяется кривая динамического теп-лового импеданса Zth(j-c) или Zth(j-s) в зависимости от конструкции ключа. Две черных эпюры на рисун-ке 8b определяют зону возможных изменений величины K(f).
На рисунке 8с показана кривая изменения тем-пературы чипа IGBT Tj_IGBT модуля прижимной конструкции MiniSKiiP, полученная в соответст-вии с уточненной методикой. Результаты расчетов мощности рассеяния и температуры перегрева при 3 вариантах сочетания коэффициента перегрузки Ко и изменении частоты огибающей показаны на рисунке 9. В первом случае перегрузка отсутству-ет, привод работает на фиксированной частоте fout = 50 Гц, во втором fout изменяется от 2 до 50 Гц, в третьем, кроме изменения частоты огибающей привод работает в условиях 20% токовой пере-грузки.
Режим 1. Средние значения потерь и темпера-тур не зависят от частоты выходного сигнала. Температура кристалла максимальна при fmin, ее пульсациями (105°C…102°C) в данном случае можно пренебречь. При увеличении частоты выше номинального значения (fout > fnom), когда чип не успевает охладиться до температуры корпуса, градиент может быть определен как dT » 2*(Tmax - Tav).
Режим 2. Мощность, рассеиваемая кристаллом, в этом случае такая же, как в предыдущем вариан-те, причем она не зависит от fout. Температура максимальна при fout = fmin, ее перепад (129°C…102°C) при fout = 2 Гц уже вносит сущест-венный вклад в определение состояния перегруз-ки.
Режим 3. Увеличение мощности потерь про-порционально току IGBT, среднее значение Ptot не зависит от fout. Температура повышается из-за состояния перегрузки, она максимальна при fout = fmin. В этом случае чипы успевают остыть до тем-пературы корпуса dT = Tj_max – Tc (138°C…112°C).
Необходимо отметить, что во всех случаях величина dT не является градиентом рабочего цикла, поскольку длительность режима перегрузки гораз-до меньше продолжительности стандартного цикла. Для определения перепада температуры в последнем случае можно воспользоваться опцией «User Defined Load Cycle».
Для повышения точности вычислений и кор-ректности отображения результатов в SEMISEL 3.1 сделано еще несколько важных доработок. Например, при проведении вычислений для мало-мощный модулей, таких как
SEMITOP или
Mini-SKiiP, вычисление значений потерь для номинального и перегрузочного режимов осуществляется с 2 десятичными знаками.
Ранее, независимо от типа использованных си-ловых ключей, нормальным условием эксплуата-ции считался режим, при котором в номинальном режиме температура кристаллов Tj не превышала порога в 125С, а при кратковременной перегрузке – 155С. В противном случае программа выдавала в окне результатов следующее резюме «This con-figuration does not work!». С появлением новых модулей IGBT Trench 4 [4] границы безопасной работы расширились примерно на 25С: теперь ограничения по перегреву в номинальном и пере-грузочном режиме составляют соответственно 150С и 175С и эти значения учитываются при выработке рекомендаций в
версии SEMISEL 3.1.
ДРУЖЕСТВЕННЫЙ ИНТЕРФЕЙС: НОВЫЕ ФУНКЦИИ КУРСОРА И МЫШИ
Рис. 10. Улучшенный пользовательский интер-фейс SEMISEL 3.1
• Рассказ о
новой версии программы SEMISEL был бы не полон, если бы мы не упомя-нули о «полезных мелочах» - новых возможностях мыши и курсора, открываемых при работе с гра-фикой.
• Нажатие правой кнопки мыши, как и прежде, вызывает контекстное меню, в котором кроме прежних пунктов «Characteristics» (построение графиков) и «Properties» (переход к другим разделам меню) появились новые – «Full Size Graphic» и «Device Comparison» (см. рис. 10). Первая опция позволяет увеличить график до размеров экрана, вторая – вызывает меню «Сравнение характеристик», возможности которого были рассмотрены в начале статьи;
• Теперь, если подвести стрелку курсора к любой точнее на результирующей кривой, можно получить координаты этой точки в окне, расположенном в правом нижнем углу, как показано на рисунке 10;
• Усовершенствована функция помощи при работе с программой: соответствующие пояснения появляются при установке курсора в любое окно задания исходных данных;
• SEMISEL 3.1 производит автоматический контроль предельной рабочей частоты модуля и пикового значения тока ICRM;
• SEMISEL 3.1 способен проводить анализ режимов при отрицательных рабочих температу-рах;
• В режиме «Device proposal» (выбор типа модуля) возможно задание количества предлагаемых модулей и ограничение по предельной рабочей температуре Tjmax.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Постоянное ценовое давление рынка и стремление к повышению эффективности преобразова-тельных устройств сделали выбор элементной базы одним из самых ответственных этапов проек-тирования. Не менее ответственной фазой разработки является расчет тепловых режимов, важность которого обусловлена непрерывным увеличением плотности мощности.
Растущее многообразие решений, применяемых в силовой электронике, специализация типов компонентов привели к тому, что сравнение близких по назначению силовых модулей на основании только справочных данных стало серьезной проблемой. Предельные данные тока и напряжения транзистора или модуля, обычно вынесенные в заголовок технических характеристик, не дают разработчику никаких данных для расчета, 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 объема знаний и опыта. Автоматизированные средства разработки, позволяющие решать большинство поставленных задач, способны оказать неоценимую помощь при разработке и свести к минимуму ошибки проектировщика.
[1] Arendt Wintrich. «Free help with your converter design» Semikron Elektronik, 2006.
[2] D. Srajber, W. Lukasch. «The calculation of the power dissipation for the IGBT and the inverse diode in circuits with sinusoidal output voltage». Semikron Elektronik, 1996.
[3] Колпаков А.И. «SEMISEL – скорая помощь разработчику». №9, 2002.
[4] Колпаков А.И. «Trench 4 – инструкция по эксплуатации». Силовая Электроника №2, 2008.
[5] Колпаков А.И., Полищук С.И., Мысак Т.В. SEMISEL – программа теплового расчета силовых каскадов//Техн.електродинаміка. Тем.вип.»Силова елекроніка та енргоефективність». Ч.3.-Київ, 2007,-с.92-98.
Сообщения
