Parallel Operation: wpływ parametrów modułu mocy

Parallel Operation: wpływ parametrów modułu mocy

Wyzwaniem w przypadku równoległego łączenia modułów IGBT jest zrozumienie koniecznego deratingu przetworników mocy z uwzględnieniem różnych parametrów modułu. To zrozumienie jest ważne dla prawidłowego równoległego działania modułów w granicach termicznej i bezpiecznej pracy. Niniejszy artykuł opisuje metodologię analizy wpływu parametrów modułu na dzielenie prądu i nierównowagę energii przełączania dla równoległego działania modułów mocy.

autorzy: N. Soltau, E. Wiesner, Mitsubishi Electric Europe B.V., Ratingen, Niemcy Y. Ando, J. Sakai, K. Hatori, Mitsubishi Electric Corporation, Fukuoka, Japonia

Wprowadzenie

Nierównowaga prądu podczas działania modułu może być spowodowana zarówno przez charakterystyki równolegle połączonych modułów mocy, takie jak różne napięcie przewodzenia, jak i przez projekt samego przetwornika mocy. Interfejs modułów mocy, takie jak połączenie zasilania prądu stałego i przemiennego, projekt sterownika bramkowego oraz połączenie sterownika bramkowego z modułami mocy, mają wpływ na statyczną i dynamiczną nierównowagę prądu w równolegle połączonych modułach. Przegląd różnych czynników wpływających na wydajność równolegle połączonych modułów mocy przedstawiono na rysunku 1.

W kolejnych rozdziałach skupiono się na analizie charakterystyk IGBT i diody pod względem nierównowagi prądu w równolegle połączonych modułach mocy. W analizie uwzględniono jednolite warunki chłodzenia.

Rysunek 1: Czynniki wpływające na wydajność równoległych modułów mocy

Ustawienie oceny i próbka testowa

Każdy producent taboru kolejowego ma własny unikalny projekt przetwornika, dlatego byłoby trudno dla producentów półprzewodników przeprowadzić reprezentatywną analizę modułów mocy bez standaryzowanego ustawienia testowego. Trudność ta została omówiona w projekcie Horizon 2020 „Shift2Rail” [2]. Uczestnicy projektu zgodzili się zdefiniować standaryzowany interfejs między dostawcą półprzewodników a producentem przetwornika mocy w celu omówienia deratingu dla modułów mocy. Ustawienie referencyjne przedstawiono na rysunku 2. Jednym z celów tego ustawienia referencyjnego jest jak największe zmniejszenie wpływu zewnętrznych elementów na nierównowagę prądu równolegle połączonych modułów mocy.

Rysunek 2: Ustawienie testowe referencyjne do oceny równoległego łączenia

Na stronie prądu stałego każdy moduł mocy ma indywidualny kondensator DClink; połączenie zasilania prądem przemiennym jest realizowane za pomocą szerokiej szyny z centralnym połączeniem obciążenia pod modułami. Do sterowania połączonymi równolegle modułami stosowany jest tylko jeden centralny sterownik bramkowy w połączeniu z niskiej indukcyjności płytką interfejsową.

W dalszych rozdziałach wybrano ustawienie testowe referencyjne do badania równoległego łączenia modułów w mocy. Moduł CM450DA-66X w obudowie LV100 jest reprezentatywnym modułem mocy z serii X, który został wybrany jako urządzenie testowe do przeprowadzenia oceny i analizy. Seria X z układem scalonym krzemu i aluminiową płytą podstawową przedstawiona jest w tabeli 1. Te moduły mocy posiadają najnowocześniejszy układ scalony serii X 7th Gen. z trzonowym IGBT CSTBT™(III) i diodą RFC. Zarówno układ IGBT, jak i diody mają dodatni współczynnik temperaturowy dla napięcia przewodzenia w szerokim zakresie prądowym. Ta cecha jest korzystna dla równoważenia termicznego między równolegle połączonymi modułami podczas pracy, jeśli temperatura nie jest równomiernie rozłożona na radiatorze. Czujnik temperatury NTC, zintegrowany w module, umożliwia monitorowanie temperatury obudowy dla każdego indywidualnie połączonego równolegle modułu.

Tabela 1: Linia X-Series LV/HV100

Ponadto, moduły mocy serii X używają nowej innowacyjnej aluminiowej płytki podstawowej z zintegrowaną izolacją ceramiczną AlN, tzw. płytą MCB (Metal Casting direct Bonding). Nowa struktura płytki podstawowej ma znacznie mniejsze oporności termiczne między stykiem a obudową w porównaniu do konwencjonalnej struktury, co pozwala na zwiększenie mocy wyjściowej lub obniżenie temperatury złącza roboczego. Ponadto, moduły mocy Mitsubishi Electric z serii X oferują funkcje odpowiednie dla wymagających zastosowań kolejowych, takie jak wysoka wartość CTI materiału obudowy, pomiar wyładowań częściowych, wysoka jakość kontrolna i możliwość śledzenia pochodzenia.

Korelacja parametrów modułu mocy i przebiegów równoległego przełączania

W celu zbadania wpływu różnych parametrów modułu mocy IGBT na dzielenie prądu, zmierzono równoległe połączenia dziesięciu różnych par modułów mocy. Następnie przeprowadzono analizę regresji liniowej, aby skorelować charakterystyki przebiegów przełączania z parametrami modułu mocy. Więcej informacji można znaleźć w [3].

Jako urządzenia testowe użyto modułów mocy CM450DA-66X o napięciu 3,3 kV i prądzie 450 A w obudowie LV100. Te urządzenia charakteryzują się naturalnym rozkładem parametrów elektrycznych. Napięcie przewodzenia kolektor-emiter mieści się w zakresie od 2,61 V do 2,81 V, napięcie progowe bramka-emiter mieści się w zakresie od 6,56 V do 7,70 V, a napięcie przewodzenia diody mieści się w zakresie od 2,20 V do 2,45 V. Analizie poddano dziesięć par pod względem charakterystyk przełączania podczas włączania, wyłączania i rekuperacji zwrotnej.

Analiza przełączania wyłączania

Rysunek 3 przedstawia dwa przykładowe wyniki pomiarów wyłączania. Gdy parametry urządzeń IGBT są podobne, można osiągnąć równomierne dzielenie prądu. Natomiast w przypadku różnych parametrów modułu mocy, prąd obciążenia jest nierównomiernie rozdzielany między modułami mocy.

Analiza regresji liniowej dla dziesięciu par pozwala ustalić korelację między parametrami modułu mocy IGBT a charakterystykami przełączania. Stwierdzono, że różnica w prądzie w stanie ustalonym ΔI_C koreluje tylko z różnicą w napięciu kolektor-emiter. Inne parametry modułu mocy okazały się nieistotne (współczynnik determinacji < 95%). Analiza regresji liniowej prowadzi do następującego związku dla nierównowagi prądu. Szczegółowe informacje można znaleźć w [3].

Analiza przełączania włączania

Rysunek 4 przedstawia przebiegi przełączania włączania dla dwóch modułów mocy połączonych równolegle. Jeśli parametry modułów mocy są podobne, prąd będzie równo rozdzielany między oba moduły mocy. Jednak gdy moduły mocy są różne, należy oczekiwać nierównomiernego podziału prądu między modułami mocy.

Stwierdzono, że dzielenie prądu koreluje z różnicą napięcia progowego bramka-emiter ΔV_GE(th) oraz różnicą napięcia przewodzenia diod zwalniania ΔV_EC. Analiza regresji liniowej prowadzi do następującego związku dla nierównowagi prądu. Szczegółowe informacje można znaleźć w [3].

Rysunek 3: Przykładowe przebiegi wyłączania (zielony: V_GE 10V/div, niebieski: I_C1 150A/div, żółty: I_C2 150A/div, czerwony: V_CE 500V/div, 2,0 us/div)

Rysunek 4: Przykładowe przebiegi włączania (zielony: V_GE 10V/div, niebieski: I_C1 300A/div, żółty: I_C2 300A/div, czerwony: V_CE 500V/div, 2,0 us/div)

Rysunek 5: Przykładowe przebiegi zwalniania zwrotowego (niebieski: I_C1 300A/div, żółty: I_C2 300A/div, czerwony: V_CE 500V/div, 2,0 us/div)

Przełączanie zwalniania diody

Przykładowe wyniki przełączania zwalniania diody przedstawiono na rysunku 5. Ponownie, prąd jest równomiernie dzielony między dwa moduły mocy, jeśli parametry modułów mocy są różne, widoczne stają się różnice w statycznym prądzie i w prądzie zwalniania zwrotnego szczytowego.

Analiza regresji liniowej pokazuje, że równomierne dzielenie prądu statycznego koreluje tylko z różnicą napięcia przewodzenia diody ΔV_EC. Inne parametry modułu mocy okazały się nieistotne. Znaleziono następujący związek dla nierównowagi prądu. Szczegółowe informacje można znaleźć w [3].

Obliczenia deratingu dla równoległego łączenia do sześciokrotnego połączenia

Na podstawie współczynników deratingu dla prądów i energii, które zostały wyznaczone w poprzednim rozdziale, można zdefiniować wymagany derating w przypadku równoległego połączenia więcej niż dwóch modułów. W tym celu przyjmuje się, że jeden z równolegle połączonych modułów ma minimalną charakterystykę (co prowadzi do maksymalnej energii lub prądu przełączania), podczas gdy wszystkie inne moduły mają maksymalne charakterystyki (co prowadzi do minimalnej energii lub prądu przełączania). Przy użyciu następującego równania można obliczyć wskaźnik deratingu dla prądu kolektorowego dla więcej niż dwóch równolegle połączonych modułów jako przykład.

Rysunek 6: Wskaźnik deratingu prądu kolektorowego versus różnica napięcia przewodzenia

Rysunek 7: Przebiegi przełączania dla połączenia sześciokrotnego (warunki: V_CC = 1800V, I_C = 2700A (450A na urządzenie), T_j = 150°C, V_GE = +15V / -9V, R_G(on) = 2.7Ω, R_G(off) = 62Ω, C_GE = 33nF)

Parametr n to liczba równolegle połączonych modułów. Parametr x to zidentyfikowany wskaźnik nierównowagi na podstawie pomiaru dwóch równolegle połączonych modułów (na przykład (ΔI_C/I_Cavg zgodnie z (1) i (2) lub (ΔI_E/I_Eavg zgodnie z (3)). W rezultacie zależność deratingu od parametru grupowania może być zdefiniowana, jak pokazano na rysunku 6. Rysunek już ilustruje, że przedziały ufności, ustalone na podstawie analizy regresji, są również bardzo pomocne przy określaniu wskaźnika deratingu dla wielu modułów mocy.

Przeprowadzone analizy pokazują, że przy zapewnieniu małej zmienności parametrów można osiągnąć niewielki wskaźnik deratingu i dobre dzielenie prądu. Ilustruje to rysunek 7. Pokazuje on wyniki testów typu przełączania dla sześciokrotnego połączenia równoległego. Prąd równomiernie rozdziela się między sześć modułów mocy, co prowadzi do równowagi strat i optymalnego wykorzystania dostępnej powierzchni układu scalonego.

Wnioski

W artykule tym wyjaśniono metodologię badania wpływu parametrów modułu mocy na charakterystyki przełączania równoległego połączenia. Dla każdego typu przełączania, wyłączania IGBT, włączania i zwalniania zwrotnego diody, zbadano wpływ różnych parametrów urządzenia. Uwzględniając tylko istotne parametry, przedstawiono model do obliczania różnic w charakterystykach przełączania dla dowolnych parametrów urządzenia. Pokazano, jak wyniki są przekształcane na równoległe połączenie więcej niż dwóch urządzeń. W końcu potwierdzono równomierne dzielenie prądu między sześcioma urządzeniami w połączeniu równoległym. Przebiegi przełączania dowodzą, że przy dobrze zaprojektowanym układzie przetwornika i dobrze dobranych modułach LV100 można osiągnąć idealne dzielenie prądu.

Źródła

[1] T. Wiik, „D1.2, New generation power semiconductor, Common specification for traction and market analysis, technology roadmap, and value cost prediction,“ Roll2Rail , H2020 - 636032, 2016.
[2] A. Nagel, J. Weigel, et. al., „Paralleling reference setup,“ Shift2Rail, Pinta, H2020 - 730668, 2019.
[3] Y. Ando, J. Sakai, K. Hatori, N. Soltau and E. Wiesner, “Influence of IGBT and Diode Parameters on the Current Sharing and Switching-Waveform Characteristics of Parallel-Connected Power Modules,” 2022 24th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’22 ECCE Europe), 2022, pp. 1-11.