Moduły Mocy łączące Innowację, Elastyczność oraz Możliwość Mocy w Różnych Topologiach 3-stopniowych

Moduły Mocy łączące Innowację, Elastyczność oraz Możliwość Mocy w Różnych Topologiach 3-stopniowych

Topologie trójstopniowe wykazały wyższą wydajność, potencjał optymalizacji filtrów oraz zdolność do obsługi wysokich napięć na łączu stałym. Aby maksymalnie wykorzystać zalety oferowane przez topologie 3-stopniowe, Mitsubishi Electric oferuje nowe moduły mocy, które odblokowują potencjał realizacji innowacyjnych rozwiązań dla różnych segmentów mocy.

Autorzy: Narender Lakshmanan i Thomas Radke z Mitsubishi Electric Europe B.V. oraz Satoshi Kawabata z Mitsubishi Electric Corporation Japan Power Device Works

Aplikacje konwersji mocy zawsze musiały zapewniać wysoką wydajność, jednocześnie utrzymując wymaganą jakość zasilania. Profil harmoniczny mocy wyjściowej można poprawić poprzez zwiększenie częstotliwości przełączania. Jednak wzrost częstotliwości przełączania kompromituje sprawność falownika. Historycznie konwencjonalne falowniki dwustopniowe obsługują branżę swoją na pozór nieskomplikowaną topologią, w której twórcy zawsze musieli znaleźć równowagę między wydajnością a optymalizacją filtrów. Wraz z wynalezieniem topologii 3-stopniowych, wiele nowych dróg otworzyło się teraz do poprawy profilu harmonicznych wyjściowych bez uszczerbku na efektywności systemu. Dzięki możliwości zastosowania poziomu „zero”, ta topologia niesie za sobą następujące korzyści:

1. Wydajność i zdolność mocy wyjściowej [1]: Wyjątkowa charakterystyka strat przełączania falownika 3-stopniowego pozwala osiągnąć lepszą efektywność. Dlatego dla tego samego łącza stałego falownik oparty na topologii 3-stopniowej może dostarczyć wyższą moc wyjściową w porównaniu do odpowiadającego mu falownika dwustopniowego.
2. Filtrowanie AC [5]: W tej samej częstotliwości przełączania topologia 3-stopniowa wykorzystuje dostępność poziomu „zero”, aby dostarczyć jakość zasilania AC wyższą niż w przypadku falownika dwustopniowego. To naturalnie pozwala na znaczną redukcję indukcyjności filtru wyjściowego.
3. Filtr dv/dt [5]: Ponieważ faza wyjścia punktu neutralnego falownika 3-stopniowego przesuwa się między 0V a (+/- Vdc)/2 (w odróżnieniu od wyjścia dwustopniowego), odpowiadający dv/dt przez obciążenie jest naturalnie zmniejszony o około 50%.
4. Redukcja napięcia wspólnego [5][6]: W porównaniu z topologią dwustopniową, w topologii 3-stopniowej możliwa jest znaczna redukcja (około 25%) napięcia wspólnego.

Podczas gdy każdy segment przemysłu falowników może skorzystać z korzyści związanych z topologiami 3-stopniowymi, falowniki podłączone do sieci (słoneczne, wiatrowe, HVDC), zasilacze awaryjne oraz napędy o średniej do dużej mocy mogą znacząco skorzystać, stosując to innowacyjne podejście [3][4].

Moduły Mocy Mitsubishi Electric dla falowników NPC 3-stopniowych

Moduł CM400ST-24S1 został już wprowadzony i dokładnie przedstawiony ([2] artykuł Bodo's z lutego 2015 r.). Nowa seria modułów mocy o innowacyjnym pakowaniu zoptymalizowanym pod kątem zastosowań 3-stopniowych została opracowana. Całkowita oferta jest przedstawiona na Rysunku 1. Moduł CM500C2Y-24S jest dostarczany jako specjalny przełącznik zacisku neutralnego do efektywnego tworzenia topologii 3-stopniowej typu T.

Rysunek 1: Oferta produktów dedykowanych dla rozwiązań 3-stopniowych

Te moduły mocy od Mitsubishi Electric są zoptymalizowane pod kątem topologii 3-stopniowych pod względem następujących parametrów:

1. Kompaktowy rozmiar opakowania: Dla zrealizowania topologii typu I, w porównaniu z konkurencyjnymi modułami innych producentów, moduły 1 na 1 (każdy o wymiarach 130 mm x 67 mm x 30 mm) oferują około 20% redukcji powierzchni montażowej. Uzyskano to, wykorzystując doskonałe właściwości termiczne podłoża z azotku glinu (AlN) i łącząc je z technologią układów CSTBT™.
2. Zmniejszona indukcyjność wewnętrzna: Moduły 1 na 1 mają indukcyjność wewnętrzną tylko 8 nH. Wewnętrzna indukcyjność rozproszona odgrywa ważną rolę w topologiach 3-stopniowych, ponieważ wiele elementów jest połączonych szeregowo w przeciwieństwie do tradycyjnych topologii 2-stopniowych.
3. Zmniejszona ogólna indukcyjność: Połączenie niskiej indukcyjności wewnętrznej, zmniejszonej powierzchni montażowej i umiejscowienia zacisków w celu ułatwienia połączeń zapewnia zmniejszoną ogólną indukcyjność dla konfiguracji.
4. Dostęp do zacisków pomocniczych: Moduł zapewnia dostęp do zacisków pomocniczych po dwóch stronach do podłączania sterownika bramkowego (bez konieczności zakłócania układu szynowego).

Przykładem tego, jakie niskie indukcyjności można osiągnąć dla topologii 3-stopniowych typu I i T, jest przedstawiony na Rysunku 2. Jak pokazano w tym przykładzie, jest oczywiste, że te moduły są specjalnie zoptymalizowane pod kątem topologii 3-stopniowych, rozwiązując tym samym wyzwania związane z indukcyjnością szyny stałego napięcia, gęstością mocy i elastycznością.

Rysunek 3 przedstawia różne poziomy mocy osiągalne poprzez rozwinięcie różnych topologii 3-stopniowych za pomocą modułów mocy Mitsubishi Electric. Poziomy mocy są oparte na konserwatywnym wymiarowaniu wzrostu temperatury złącze-obudowa o 25K przy częstotliwości przełączania 2 kHz. W zależności od układu chłodzenia i częstotliwości przełączania, wydajność wyjściowa może oczywiście zostać dalsze zwiększona.

Poziomy mocy

1. Zakres 125 kW do 500 kW: Dla napięcia łącza stałego 850 V, moduł CM400ST-24S1 z wbudowaną topologią typu T może dostarczyć do 250 kW w trybie pracy autonomicznej. Przy równoległym użyciu można dostarczyć około 500 kW mocy wyjściowej.
2. Zakres 500 kW do 2 MW: Przy wykorzystaniu napięcia łącza stałego 1200V, dwa moduły CM1000HA-34S (1000A/1700V) wraz z dwoma modułami CM500C2Y-24S (500A/1200V) można zastosować równolegle, aby osiągnąć ponad 1 MW mocy wyjściowej. Z drugiej strony, przy napięciu łącza stałego 850V, dwa moduły CM1400HA-24S (1400A/1200V) można zastosować równolegle z dwoma modułami CM500C2Y-24S, aby osiągnąć ponad 1 MW mocy wyjściowej. Przy napięciu łącza stałego 2400V można zastosować sześć modułów CM1000HA-34S, aby opracować falownik o mocy 1,8 MW. Co istotne, przy wykorzystaniu napięcia łącza stałego 1700V można osiągnąć więcej niż 2 MW mocy wyjściowej, stosując cztery moduły CM1400HA-24S wraz z dwoma modułami RM1400HA-24S (diodami zaciskowymi neutralnymi).
3. Zakres Megawatów rozszerzony: Jest oczywiste, że przez równoległe połączenie dostępnych opcji można stworzyć falowniki o zakresie megawatów. Alternatywnym rozwiązaniem dla tej klasy jest zastosowanie topologii wielopoziomowych.

Rysunek 2: Przykłady konstrukcji 3-stopniowych, które można zrealizować, używając modułów mocy Mitsubishi Electric

Rysunek 3: Macierz zdolności mocy dla różnych rozwiązań 3-stopniowych

W wyniku dostępności tych nowych produktów projektant może wybrać najlepsze dostosowane do wymagań mocy i napięcia stałego rozwiązanie. Projektant ma zatem możliwość oceny i odpowiedniego wyboru odpowiedniego napięcia systemowego, aby osiągnąć znaczne korzyści na poziomie systemowym i maksymalizować ogólną wydajność.

Zastosowanie odpowiedniego rozwiązania

Rysunek 4 pokazuje, że dla falownika o napięciu łącza stałego 1200V, maksymalny prąd wyjściowy osiągalny dla różnych częstotliwości przełączania przy maksymalnym dozwolonym ΔT(j-c) avg = 25K (nałożonym na pierwszy element w dowolnym module, aby osiągnąć ten limit) zależy od zastosowanej topologii. Topologia typu T ma zalety związane z mniejszą liczbą elementów i odpowiadającą redukcją objętości. Jednak równoważna topologia typu I przynosi ciekawe korzyści na poziomie systemowym. Przy stałej częstotliwości przełączania 3 kHz można zauważyć, że falownik typu I jest zdolny dostarczyć 1,41 razy więcej prądu niż odpowiednia topologia typu T. Takie korzyści w zdolności mocy można również wykorzystać do zezwolenia na zwiększenie częstotliwości przełączania (współczynnik 2,66 dla zakresu 800A), co przynosi znaczne korzyści w redukcji komponentów pasywnych. W zależności od wag przydzielonych wymiarowaniu pasywnemu i liczbie urządzeń, można podjąć odpowiednią decyzję.

Rysunek 4: Analiza i porównanie wydajności z użyciem topologii 3-stopniowych i 2-stopniowych

Podsumowanie

Podczas gdy każdy moduł jest zaprojektowany, aby dostarczać najlepszą wydajność elektryczną, sam opakowanie modułu i układ są zoptymalizowane pod kątem projektowania falowników 3-stopniowych. Łącząc te aspekty z różnymi kombinacjami możliwymi do zastosowania przy użyciu tych różnych modułów, projektanci mają teraz większą elastyczność w tworzeniu rozwiązań odpowiadających ich konkretnym potrzebom. Podsumowując - jest jasne, że istnieje elastyczność układu mechanicznego i elastyczność parametrów projektu na poziomie systemu (wybór łącza stałego, filtru). Adresując konkretne potrzeby poszczególnych zastosowań, jest oczywiste, że rozwiązania oparte na modułach 3-stopniowych Mitsubishi Electric pomagają osiągnąć maksymalną możliwą ogólną wydajność wraz z najlepszą możliwą wydajnością.

Odnośniki

[1] MELCOSIM: Oprogramowanie do symulacji strat cieplnych i strat prądowych IGBT, dostępne na www. mitsubishielectric.com/semiconductors/ simulator/
[2] Marco Honsberg i Thomas Radke: „Moduł 4in1 400A/1200V z topologią typu T dla zastosowań 3-stopniowych” Bodo's Power, luty 2015 r., strony 26-28.
[3] Marco Honsberg, Thomas Radke: „Moduły IGBT 3-stopniowe z IGBT bramkowym o bramce rowkowanej i ich analiza termiczna w trybach pracy UPS, PFC i falownika PV” - EPE 2009 - Barcelona - ISBN: 9789075815009
[4] Marco Honsberg i Thomas Radke: „Rodzina modułów IGBT 3-stopniowych od 10A do 600A wyposażonych w IGBT bramkowe o bramce rowkowanej i ich wydajność termiczna w warunkach typowych dla pracy falownika UPS i PV” PCIM 2009 ISBN: 978-3-8007-3158-9
[5] L. Caballero, S. Ratés, O. Caubet, S. Busquets-Monge: Zalety przekształtników energii AC-AC opartych na topologii ANPC w zastosowaniach wiatrowych
[6] Międzynarodowe czasopismo "Conceptions on Electrical & Electronics Engineering", tom 1, numer 2, grudzień 2013; ISSN: 2345 - 9603: „Redukcja napięcia wspólnego w falowniku wielopoziomowym typu dioda zaciskowa punktu neutralnego przy użyciu modulacji szerokości impulsu wektora przestrzennego”
[7] Nota aplikacyjna: Zastosowanie 3-stopniowe za pomocą modułów 1 na 1, 2 na 1 i 4 na 1.