Pohled do budoucnosti: Potenciál úspor při návrhu frekvenčních měničů

Hlavní výrobci frekvenčních měničů v rozsahu 40 kW až 90 kW očekávají průměrné snížení tržní ceny zhruba o 3 % ročně. Aby bylo možné udržet konkurenceschopnost, výrobci pohonů a měničů musí optimalizovat své produkty prostřednictvím efektivní výroby a snížením materiálových nákladů. Snížením nákladů na drahých výkonových sběrnicích, cen modulu a použitím rychlého a jednoduchého způsobu montáže pomocí jednoho šroubu mohou moduly MiniSKiiP snížit cenu výkonových modulů, konektorů a montáže až o 27 % v porovnání s klasickými moduly.

DPS pro vysoké proudy nahrazují výkonové sběrnice

Až do současnosti bylo použití desek plošných spojů (DPS) pro napájení a řídicí signály vzhledem k maximální proudové zatížitelnosti DPS omezeno do výstupního výkonu 50 kW. Tepelná měření prováděná na modulech MiniSKiiP ukazují, že u vícevrstvých DPS s měděnými vrstvami až do tloušťky 210 μm je možné dosáhnout maximálního trvalého proudu až 170 A. Maximální jmenovitý proud polovodičových modulů pro DPS je v současné době 200 A, tj. měniče až do maximálního výkonu 50 kW. Chceme-li ušetřit na výrobních a materiálových nákladech na střídači o výkonu 90 kW, moduly pro DPS montáž musí být spojeny paralelně. Při použití dvou modulů MiniSKiiP 6-pack se jmenovitým proudem 150 A byly zkoumány zajímavé aspekty.

Rozhodující je umístění modulů

Paralelní zapojení dvou třífázových střídačů MiniSKiiP nabízí větší volnost s ohledem na fyzické uspořádání modulů a spojení dvou fází. Zatímco moduly mohou být vzájemně uspořádány vodorovně nebo svisle, pro paralelní propojení fází vyvstává otázka, zda propojit paralelně přilehlé fáze (U1-V1, W1-U2, V2-W2), nebo stejné fáze (U1-U2, V1-V2, W1-W2) dvou modulů?

Aby bylo možné odpovědět na tuto otázku, je nutné brát v úvahu následující kritéria optimalizace, která si mohou navzájem odporovat:

• Minimalizace dynamické a statické proudové asymetrie
• Nízkoinduktivní konstrukce a následně nízké přepětí
• Prevence míst na DPS se zvýšenou teplotou

Zlepšení jednoho z těchto kritérií může vést ke zhoršení jiného. Například propojení stejných fází (U1-U2, V1-V2, W1-W2) a horizontální rozložení modulů je výhodné pro dynamickou a statickou symetrii. Problém s tímto uspořádáním je, že spoje na DPS se kříží, což způsobuje v těchto místech nedovolené zvýšení teploty desky, viz obr. 1.

Obr. 1 Horizontální uspořádání modulů s propojením stejných fází

Výhodou propojení sousedních fází (U1-V1, W1-U2, V2-W2) a horizontálního rozmístění jsou krátké spoje na DPS. Nicméně, značná asymetrie vzniká mezi paralelními fázemi, protože cesty proudů jsou různé, stejně jako pozice pomocných emitorů.

Vertikální uspořádání modulů je v podstatě nemožné, protože montážní otvory příliš omezují možnou šířku spoje a navíc ještě řídící signály protínají výkonové cesty.

Obr. 2 Horizontální uspořádání modulů s propojením sousedních fází

V podstatě optimalizace tří výše uvedených kritérií je možná pouze za předpokladu znalosti vnitřního uspořádání modulu. Tato optimalizace je většinou nepřenositelná na jiný typ modulu nebo jinou velikost.

Statická symetrie

Statická symetrie mezi dvěma paralelními cestami je určena těmito faktory:

• Prahové napětí a sklon charakteristiky paralelních čipů
• Parazitní indukčnost a rezistivita na DCB (Direct Copper Bonded)
• Připojení ke stejnosměrnému meziobvodu
• Pozice AC svorek U, V, W na DPS

Prahové napětí a sklon charakteristiky IGBT a diod jsou předmětem výrobních tolerancí. Ze statistického hlediska je snížení proudu o 10 % dostačující k dosažení maximálního proudového vytížení chipů [2].

Obr. 3 Horizontální uspořádání modulů: Žádná omezení šířek spojů montážními otvory

Různé délky spojů na DCB mezi svorkami DC a U, V, W vedou k různým hodnotám indukčnosti a odporu. Poloha svorky DC vlevo MiniSKiiP modulu vede k nejkratšímu spoji k fázi U1/U2 a nejdelšímu pro fáze W1/W2. Paralelní spojení fáze W1 jednoho modulu a fáze U2 druhého produkuje největší rozdíl v parametrech spoje na DCB – viz obrázek 3.

Obr. 4 Dynamická symetrie může být zlepšena změnou pomocného emitoru, zvýšením vstupního odporu báze nebo indukčností ve spoji k bázi (gate).

V tomto případě může poloha AC svorky V mezi cestami produkovat větší symetrii. Teoreticky, čím delší a užší plošný spoj, tím větší je odpor a indukčnost mezi těmito dvěma fázemi. To však není příliš vhodné s cílem zabránit místům s vysokou teplotou. Pro spoje dané délky, šířky a tloušťky má poloha svorky V daleko lepší účinek na symetrii, čím blíže se přesune k fázi W1.

Na první pohled tato asymetrie v terminálu V neutralizuje různé délky DCB cesty. Zvýšení vzdálenosti mezi těmito dvěma moduly přináší výhody s ohledem na tepelné šíření a proudovou symetrii. Zvětšení velikosti DPS však znamená daleko vyšší náklady, pokud rozměry DPS způsobí překročení optimálního počtu desek na prázdném výrobním panelu. V paralelním propojení stejné fáze je zejména potřeba věnovat pozornost připojení meziobvodu. Pro druhé propojení fází, připojení k meziobvodu může být navrženo tak, že má pozitivní vliv na symetrii W1-U2 fází. Uvnitř modulu jsou fáze U1-V1 a V2-W2 propojeny paralelně. V tomto případě nemá propojení meziobvodu žádný vliv na aktuální symetrie.

Dynamické symetrie

Pokud jde o dynamickou symetrii, je cílem snížit různé spínací rychlosti mezi dvěma spínači na minimum. Spínací rychlost je určena odporem báze (gate) a jeho parazitní indukčností na jedné straně a polohou pomocného emitoru na druhé straně. Proud zátěže indukuje proud mezi bází a emitorem. V závislosti na poloze pomocných svorek může tento proud mít buď potlačující, nebo zrychlující účinek. Báze a pomocný emitor je u každého spínače v MiniSKiiP modulu. Zkoumání na 150A MiniSKiiP modulu ukázalo, že změna nebo nahrazení svorky pomocného emitoru na spodním spínači zlepšuje dynamickou symetrii.

Navíc může použití SMD indukčnosti v rozsahu nH ve spoji k bázi (gate) výrazně ovlivnit spínací chování IGBT. Indukčnost v takovém spoji u pomaleji spínajícího IGBT zrychluje sepnutí IGBT a může mít pozitivní vliv na dynamickou proudovou symetrii. V takovém případě jsou potřeba samostatné spoje pro zapnutí i vypnutí pro každý IGBT.

Teplotní porovnání

Pro teplotní porovnání byly použity dva typy DPS, které se lišily v počtu měděných vrstev a tloušťkou vrstev.

Provedení 1: 4vrstvá DPS s 105 μm mědi na vnějších vrstvách a žádné výkonové spoje na vnitřních vrstvách

Provedení 2: 4vrstvá DPS s 210 μm mědi na vnějších vrstvách a 105 μm mědi na obou vnitřních vrstvách

Měření na prvním návrhu ukázala, že v blízkosti pružinových kontaktů mají horká místa desky teplotu 150 °C při fázovém proudu 170 A. V tomto případě měl referenční bod na chladiči teplotu 100 °C přímo u modulu.

Díky silnější měděné vrstvě je teplota na desce o 30 °C nižší při fázovém proudu 120 A v blízkosti pružinových kontaktů. Kromě toho byly moduly paralelně teplotně svázány, což znamená, že v případě 170 A může být teplota chladiče v referenčním bodě snížena na méně než 80 °C.

Obr. 5 Porovnání teploty chladiče a DPS pro 1. a 2. provedení

Výpočty provedené jedním výrobcem DPS pro vysoké proudy ukazují, že použití měděných profilů v DPS může snížit teplotu horkých míst DPS až o 30 °C.

Závěr

Tlak na snižování nákladů požadovaný trhem s měniči bude nutit výrobce přecházet na levnější DPS pro měniče o výkonech 50 kW až 90 kW. Nutné paralelní zapojení stávajících modulů je možné, ale vyžaduje další optimalizaci připojení driveru a výkonových spojů pro každý jednotlivý modul dle rozmístění. Jedná se o komplexní problém, který vyžaduje určitý čas, stejně jako vývojové a testovací kapacity. Pro vývoj levnějších měničů s použitím DPS je v plánu vývoj půlmůstků na platformě MiniSKiiP s jmenovitými proudy až do 300 A. To umožní podstatné snížení nákladů na materiál, modul a montáž měničů s výstupním výkonem až 90 kW.