Půlmůstkové moduly MiniSKiiP® a vysokovýkonové DPS

Nový přístup k cenově efektivním měničům až do výkonu 90 kW

V pohonech a frekvenčních měničích pracuje po celém světě více než 20 miliónů modulů MiniSKiiP®. Evropští výrobci měničů používají tyto moduly pro aplikace většinou s malým výkonem do 30–40 kW. Tři čtvrtiny těchto aplikací představují standardní pohony pump, robotických paží, tiskařských strojů nebo kompresorů. Očekává se, že se počet používaných MiniSKiiP modulů zvýší o další tři milióny.

Kromě již zavedeného evropského trhu nachází rodina modulů MiniSKiiP své místo také na asijském trhu. Jsou nabízeny dalšími dvěma dodavateli, což zajišťuje zákazníkům spolehlivost dodávek. Hlavními výhodami MiniSKiiPu je použití malého množství materiálu při výrobě a jeho jednoduchá a rychlá montáž: modul je spojen s chladičem a řídicí deskou použitím jednoho šroubu, který vytvoří elektrické a tepelné spojení až do 150 A jmenovitého proudu. Použitím SPRING (pružinové) kontaktovací technologie je odstraněn zdlouhavý proces pájení modulu a je zaručena jeho jednoduchá výměna (pokud je nutná). Tento efektivní koncept v kombinaci s obsáhlým produktovým portfoliem udělal z modulu MiniSKiiPu průmyslový standard pro měniče až do 40 kW [1].

Hlavní výrobci měničů předpokládají ve výkonovém rozsahu 40–90 kW každoroční pokles tržních cen cca 3 %. K udržení konkurenceschopnosti musejí výrobci pohonů a měničů optimalizovat své produkty ve smyslu efektivnosti výroby i nákladů na materiál. Modulové řešení frekvenčních měničů v oblasti 40–90 kW je dnes ovládáno moduly se základovou deskou a šroubově připojenými sběrnicemi. Koncept MiniSKiiP je dobrou příležitostí pro snížení ceny výkonových modulů, velmi drahých sběrnic, montáže a připojení.

Pro uspokojení požadavků trhu na redukci cen a rozšíření výhod MiniSKiiPu pro vyšší výkony byla platforma Mini- SKiiP rozšířena o MiniSKiiP půlmůstkové moduly. Nový MiniSKiiP Dual umožňuje zákazníkům použít dobře zavedenou technologii jednošroubové montáže až do výkonu 90 kW v napěťových třídách 650 V, 1 200 V a 1 700 V. Vlastnosti nového MiniSKiiP Dual umožňují optimalizovat návrh DPS pro zapojení třífázového měniče, který přináší kompaktní řešení a v porovnání s řešením s klasickými moduly významně redukuje náklady na celý systém.

Při použití modulu s DPS je nutné vzít v úvahu několik omezení. Důvodem výkonového limitu 40 kW modulu Mini- SKiiP není samotný modul. Řešení s moduly bez základové desky, jako je SKiM nebo SKiiP, jsou na trhu s pohony, větrnou energií, UPS a automobilovými aplikacemi až do výkonu MW. Tyto moduly a jejich rozložení čipů optimalizují tepelné rozložení. V porovnání s moduly se základovou deskou dosahují menší teplotní rozdíly (přibližně o 50 %). Zlepšené rozptýlení tepelných ztrát v kombinaci s přítlačnou technologií vede k nižší provozní teplotě a zvýšení spolehlivosti. Avšak všechny tyto moduly používají pro výkonové připojení sběrnice přichycené šrouby. Použitím MiniSKiiPu jsou pomocné a výkonové signály připojeny k DPS. Zvláště když jsou vysoké proudy přenášeny DPS, pak pracovní teplota DPS stoupá. Pro zachování bezpečnosti a spolehlivosti provozu by tato teplota neměla překročit 70–80 °C. Kvůli šířce a tloušťce použitých kovových vrstev na standardních DPS je maximální proud limitován přibližně 150 A jmenovitého proudu modulu. Aby bylo možné použít MiniSKiiP do 80–90 kW, je požadován jmenovitý proud až 300 A, což odpovídá přibližně 180 A RMS pro konfiguraci 1 200 V. Hustota výkonu a generování tepla uvnitř výkonového modulu musí být také řešeny. Na jedné straně vysoká hustota integrace modulu přináší velmi kompaktní a cenově efektivní návrh měniče a na druhé straně musí být správně rozvrženy tepelné ztráty.

Pro MiniSKiiP Dual byly definovány 3 hlavní cíle návrhu. Za prvé použití stávajících rozměrů modulů MiniSKiiP. Společně s použitím SPRING konceptu toto zajišťuje maximální kompatibilitu s již existujícími modely MiniSKiiP. Za druhé přizpůsobení tepelného rozložení vyšším výkonům a zajištění nižší pracovní teploty modulů a čipů. Za třetí zvýšení maximálního možného použitelného proudu přenášeného DPS.

Návrh modulu

Základní návrh použití MiniSKiiP Dual spojuje 3 moduly MiniSKiiP paralelně, jeden pro každou fázi. Zarovnání výkonových terminálů je navrženo pro třífázové aplikace: AC terminály jsou umístěny naproti DC terminálům, jak ukazuje obr. 1.

Obr. 1 Rozložení terminálů pouzdra MiniSKiiP Dual

Výhody tohoto umístění výkonových terminálů zahrnují jednoduché paralelní spojení MiniSKiiPů Dual a nízkoinduktivní propojení DC terminálů, které dovoluje rychlejší spínání IGBT a vyšší stejnosměrné napětí z důvodu snížení přepěťových špiček. Pro efektivní návrh měniče jsou požadovány výše uvedené vlastnosti. Navíc rozdělení tří fází do různých modulů zlepšuje rozvod tepla a celkové vyzáření tepelných ztrát. Ohřívané oblasti na chladiči, způsobené tepelnými ztrátami v modulu, jsou vzájemně odděleny. Je zabráněno koncentrování tepelných ztrát na chladiči, a tím je snížena teplota modulu, i když pracuje při vyšších proudových hustotách.

Dalším krokem v návrhu bylo adaptování SPRING kontaktů pro vyšší proudy. Standardní moduly MiniSKiiP jsou dostupné v konfiguracích po 6 kusech do nominálního proudu 150 A a CIB (Converter Inverter Brake) konfiguracích do 100 A. Pro AC a DC připojení je použito paralelně až 8 SPRING kontaktů. S maximálním proudem 20 A RMS na jeden SPRING kontakt je v tomto konceptu možné dosáhnout maximálně 160 A. Aby bylo umožněno použití MiniSKiiP Dual pro vyšší proudy, je zapojeno paralelně 16 SPRING kontaktů. Tím je dosaženo nominálního proudu 320 A RMS a ponechán bezpečnostní limit pro požadované proudy 170–180 A RMS.

Rozložení tepelných ztrát

Rozložení tepelných ztrát je jedním z hlavních faktorů, na které je třeba brát zřetel při návrhu výkonových modulů. Maximální teplota čipů 175 °C a pracovní teplota 150 °C požaduje účinný přenos tepla do chladiče. Přenos tepla z čipu do chladiče je ovlivňován několika faktory, především schopností vést teplo použitými materiály a celkovou plochou, kde je teplo vyzařováno. V případě modulů bez základové desky, jako je MiniSKiiP, teplo prochází přes čip, pájecí vrstvu, DCB a teplovodivou pastu do chladiče. V porovnání s moduly se základovou deskou je celkový počet přechodů a materiálů začleněných do přenosu tepla nižší. Proto je přenos tepla efektivnější. Na druhou stranu eliminace základové desky má také nevýhody. U většiny modulů základová deska není použita pouze jako mechanický kontakt mezi modulem a chladičem, ale také se podílí na rozptylování tepla na větší plochu. Teplo generované lokálně IGBT a diodovými čipy je rozptylováno horizontálně uvnitř měděné základové desky, což zvyšuje celkovou plochu pro přenos tepla mezi modulem a chladičem a snižuje celkový tepelný odpor mezi čipem a chladičem. Proto design modulu bez základové desky používá jiná návrhová kritéria. K dosažení stejných parametrů muselo být pro MiniSKiiP Dual použito paralelně více výkonových polovodičových čipů. Pro porovnání – ve standardním modulu s nominálním proudem 300 A jsou použity 2 IGBT čipy 150 A a 2 diody 150 A paralelně – viz obr. 2a.

Pro MiniSKiiP Dual byl návrh optimalizován vyšším počtem paralelních čipů při zachování stejného nominálního proudu: čtyři 75A IGBT a tři diody spojené paralelně pro jeden spínač – obr. 2b. Rozptýlení tepla oproti modulu se základovou deskou je zde přesunuto na větší množství čipů. Tím je zvětšena celková plocha pro přenos tepla generovaného v modulu.

Obr. 2 a) Rozvržení DCB pro 300A modul se základovou deskou, b) Rozložení pro MiniSKiiP Dual, c) Rozprostření tepla 300A modulu MiniSKiiP Dual

Navíc bez základové desky může být DCB rovnoměrněji přitlačeno na chladič. Použitím přítlačného systému MiniSKiiP je tlak centrálního šroubu přenášen několika přítlačnými body na DCB zajišťující těsný kontakt mezi modulem a chladičem. Protože tlak DCB na chladič je v porovnání s modulem se základovou deskou více rovnoměrný, tloušťka teplovodivé pasty může být o 50 % menší. Jelikož teplovodivá pasta má nejvyšší tepelný odpor ze všech materiálů použitých pro přenos tepla, zmenšení její tloušťky je významnou výhodou při použití modulů bez základové desky a výrazně snižuje tepelný odpor celé sestavy. Kombinací menší tloušťky teplovodivé pasty a optimalizovaného vnitřního rozložení čipů je přenos tepla na chladič u modulu Mini- SKiiP Dual výrazně lepší, jak ukazuje obr. 2c. Pro analýzu teplotních poměrů byly aplikovány stejné ztráty na IGBT i diodové čipy. Toto jsou částečně uměle vytvořené pracovní podmínky pohonu, ale reprezentují stav s nejvyššími ztrátami vytvářený na všech čipech najednou. Výpočtem pomocí metody konečných prvků byla výkonová ztráta zvyšována až do 1 W/mm2, při které teplota čipu dosáhla 150 °C u nejteplejší čipu, což je maximální doporučená pracovní teplota současné generace čipů. Podle očekávání byla nejvyšší teplota zaznamenána u čipů umístěných uprostřed modulu. Celkové ztráty, 280 W na IGBT a 160 W na diodách, mohou být vyzářeny v modulu MiniSKiiP Dual, který je porovnatelný s konvenčními moduly stejného jmenovitého proudu.

Náhrada sběrnic vysokovýkonovými DPS

Dosud bylo použití DPS pro výkonové a řídicí signály namísto měděných sběrnic limitováno maximální proudovou hustotou DPS. Standardní DPS pro MiniSKiiP měla tloušťku měděné vrstvy 75–150 μm, která dostačuje pro výkony do 40 kW. Při použití konceptu Mini- SKiiP se SPRING připojením až do 90 kW se musí nahradit šrouby připojené sběrnice nepájeným kontaktem do DPS. V případě modulů na 1 200 V musí být DPS přenesen konstantní proud 150–180 A RMS a to vyžaduje optimalizaci v routování výkonových spojů. V první řadě musí být tloušťka měděné vrstvy 210 μm, aby se dosáhlo snížení odporu vodivé cesty. V druhé řadě byla zvětšena šířka vodivých cest, což vedlo k dalšímu snížení odporu tohoto spojení. Navíc zvětšení šířky vodivých cest vede i k větší chladicí ploše, která danou cestu chladí. Teplotní měření, která byla provedena na modulu MiniSKiiP, ukazují, že rozložením terminálů modulu MiniSKiiP a použitím měděné vrstvy o tloušťce 210 μm je možné dosáhnout maximálních proudů až 170 A. Obr. 3 ukazuje měření na testovaném modulu pomocí infrakamery.

Obr. 3 Měření infrakamerou, pohled shora

Ukázaná konfigurace používá dvouvrstvou DPS 210 μm namontovanou na 300A/1200V modulu MiniSKiiP Dual. MiniSKiiP Dual je namontovaný na vodním chladiči. Pro simulování podmínek podobných v měniči byla během testu udržována teplota chladiče na 83 °C. Aby bylo možno sledovat vliv šířky spoje na jeho teplotu, byly pro různé terminály použity různé šířky spojů. Pro AC terminál byla použita šířka spoje 7 cm a naproti tomu šířka spoje pro DC minus byla podstatně menší. Konstantní stejnosměrný proud 170 A byl aplikován mezi AC a DC minus terminály. Teplotní měření ukazuje průměrnou teplotu okolo 70 °C. Avšak oblasti s vyšší teplotou jsou v oblastech s vyšší proudovou hustotou blízko připojení AC a DC minus. Zvláště v připojení DC minus se objevuje teplota nad 90 °C v porovnání s připojením AC, kde je teplota mezi 70–80 °C, což ukazuje efekt šířky spoje na pracovní teplotu DPS. Širší spoje snižují svůj odpor a vedou k nižší pracovní teplotě. Tyto analýzy určují definici základních návrhových pravidel pro šířku spojů a jejich routování. Pokud budou tato pravidla, která jsou součástí technické dokumentace, dodržena při návrhu DPS, bude dosaženo nízké pracovní teploty DPS i pro proudy okolo 170 A RMS a bude zaručena bezpečná a spolehlivá funkce modulů MiniSKiiP Dual v měničích do 90 kW.

Výstupní výkon

Výše uvedené požadavky na návrh a experimentální výsledky byly použity jako vstupní informace k určení použitelného výstupního výkonu modulu MiniSKiiP Dual.

Na obr. 4 je charakteristika maximálního výstupního proudu třífázového měniče s 300A/1200V modulem MiniSKiiP Dual.

Obr. 4 Výstupní proud jako funkce spínací frekvence, Vdc = 750 V, Uout = 400 V, fout = 50 Hz, cosFI = 0,85, nucené vzduchové chlazení, Ta = 40 °C

Nejnovější generace IGBT a diodových čipů dovoluje maximální teplotu na čipu 150 °C pro konstantní zatížení. Výstupní proud na obr. 4 je odvozen od této maximální teploty na čipu IGBT nebo diody podle toho, která je vyšší. Pro 4kHz spínací frekvenci může být dosaženo až 180 A RMS. Toto odpovídá ekvivalentnímu výstupnímu výkonu 100 kW při stejnosměrném napětí 750 Vdc. Při 8 kHz je výstupní proud 125 A (výstupní výkon 74 kW) a i při 12kHz spínací frekvenci je možný proud 90 A, což představuje 50 kW výstupního výkonu.

Výše uvedené inovace a návrhová pravidla posunuly MiniSKiiP Dual do výkonové oblasti porovnatelné s klasickými moduly až do výkonů měničů 90 kW.

Závěr

MiniSKiiP je v oblasti výkonové elektroniky etablovaný název. Tyto moduly jsou ceněny nejen pro jejich výkonovou hustotu, ale i jednoduchou a rychlou montáž. Ve výsledku stačí pouze jeden šroub k tomu, aby modul byl připojen k chladiči a řídicí elektronice zároveň. Namísto pájeného spoje jsou všechny pomocné a výkonové kontakty realizovány přítlačným kontaktem. Díky kontaktnímu systému SPRING – což je jednoznačně vítězná technologie v porovnání s konkurencí – se zvyšuje životnost a spolehlivost modulu i celková odolnost systému proti vibracím.

Noví zástupci platformy MiniSKiiP – MiniSKiiPDual – nyní nabízejí celkové zjednodušení designu a snížení ceny modulu i ve výkonových oblastech 40–90 kW, které byly dříve obsazeny dominantními moduly se základovou deskou. Pro pokrytí širokého spektra aplikací bude k dispozici ucelené portfolio modulů 650 V, 1 200 V a 1 700 V – viz tabulka 1.

Tabulka 1 MiniSKiiP Dual portfolio

MiniSKiiP Dual přichází s jmenovitými proudy 150–300 A s Trench IGBT technologií a SEMIKRON CAL diodami. Pouzdra MiniSKiiP Dual jsou rozměrově ekvivalentní se standardními moduly MiniSKiiP ve velikostech 2 a 3. Výhodou je, že stávající design měniče může být přenesen na měniče o větším výkonu, a tím se ušetří náklady a čas potřebný pro vývoj. Pro použití MiniSKiiP Dual v aplikacích s vyšším výkonem je třeba dodržet několik návrhových zásad. Třífázový měnič používá tři samostatné moduly MiniSKiiP Dual zapojené paralelně, pro každou fázi jeden. AC a DC terminály umístěné naproti sobě umožňují kompaktní návrh měniče s nízkou indukčností. To, že jsou jednotlivé fáze umístěny v samostatných modulech, přispívá k tomu, že je dosaženo lepšího rozvodu tepelných ztrát. Rozložení čipu na DCB a použití 4 IGBT a 3 diodových čipů společně s tenčí teplovodivou vrstvou umožňují dosáhnout maximálních parametrů 180 A / 1 200 V. Použitím 210 μm silné měděné vrstvy na DPS a širších spojů může být dosaženo až 170A fázového proudu při udržení teploty DPS mezi 70 a 80 °C.

Závěrem lze říci, že MiniSKiiP Dual otevírá dveře pro nové cenově efektivní měniče v rozsahu 40–90 kW. Použitím MiniSKiiP modulů může být ušetřeno až 15 % nákladů na celý systém v porovnání s klasickými moduly se základovou deskou. Společně se standardními moduly MiniSKiiP v topologiích MLI a Mini- SKiiP IPM pokrývá MiniSKiiP portfolio výkonovou řadu 2–90 kW pro celou řadu různých aplikací.