Vyšší proudová hustota pro UPS měniče

Modulový, účinný měnič: nyní ve více aplikacích

Známá skupina produktů MiniSKiiP, která je na trhu již 15 let, má nyní dva nové přírůstky: tříúrovňové moduly MiniSKiiP a IPM MiniSKiiP. MiniSKiiP moduly se ukázaly jako velmi úspěšné díky jejich proudovému zatížení s ohledem na zastavěnou plochu, spolehlivosti a snadné a rychlé montáži pomocí jednoho šroubu. Tříúrovňové MiniSKiiP poskytují nejvyšší jmenovitý proud na plochu modulu v porovnání s konkurenčními produkty a mohou zvýšit účinnost solárních a UPS měničů snížením spínacích ztrát. Řešení s IPM zkracuje zákazníkovi potřebnou dobu vývoje, protože se není potřeba zabývat ovládacími obvody. Tento trend napomůže skupině výrobků MiniSKiiP stát se standardní platformou měničové technologie.

Obr. 1 Tříúrovňový modul MiniSKiiP

V řízení pohonů a frekvenčních měničích po celém světě lze nalézt více než 15 miliónů MiniSkiip modulů. Evropští výrobci měničů používají tyto moduly zejména pro nízkovýkonové aplikace do 30 kW. Tři čtvrtiny z těchto aplikací jsou standardní pohony pro čerpadla, robotické paže, tiskařské lisy a kompresory. Očekává se, že se toto číslo zvýší o další tři miliony MiniSKiiP modulů v tomto roce. Kromě zavedeného evropského trhu se sbírka MiniSKiiP modulů prosazuje i na asijském trhu. Tento produkt je k dispozici také od dalších dvou dodavatelů, což splňuje požadavky zákazníků na zajištění spolehlivosti dodávek. Díky nižším ztrátám, nová tříúrovňová topologie zvyšuje účinnost IGBT polovodičových modulů a tím i celkovou účinnost měniče. To je důvod, proč jsou tříúrovňové MiniSKiiP moduly předurčeny k tomu, aby se v následujících letech staly standardem, zejména v oblasti solárních měničů a v systémech záložního napájení.

Obr. 2 MiniSKiiP IPM

MiniSKiiP IPM bude i nadále získávat větší podíl v klimatizačních jednotkách a průmyslových pohonech. Tyto moduly mají integrovaný ovladač spolu s potřebnými obvody a mohou se pochlubit optimalizovanými spínacími vlastnostmi. To znamená, že aplikace, u kterých nemusí být vlastnosti řízení specificky upraveny, mohou být až v 80% pokryty tímto modulem. Výsledkem je, že „gate driver“ již nemusí být přizpůsobován výkonovým modulům a doba potřebná k uvedení výrobků s MiniSkiip IPM na trh je mnohem kratší.

Vyšší účinnost, nižší náklady

Protože se náklady na elektrickou energii zvýšily v průběhu posledních deseti let, stalo se použití měničů pro řízení pohonů velmi atraktivní. Kromě vysoké účinnosti a úspory nákladů na energii může měnič díky sníženým ztrátám také zkrátit dobu návratnosti. Vysoká účinnost má velký význam, a to zejména na trzích systémů UPS a solárních měničů. Jsou to právě tyto trhy, které budou nyní profitovat z tříúrovňové topologie kvůli zvýšené účinnosti a kvality dodávaného napájení.

První tříúrovňová topologie byla ve skutečnosti navrhnuta téměř před 30 lety. Technologický pokrok na trhu se střídačovou technologií se však nepohyboval tímto směrem dostatečně rychle. Na začátku, z důvodu účinnosti, byla tato topologie použita ve vysokonapěťových aplikacích. V současné době, kromě UPS systémů a solárních střídačů, může být tato topologie také nalezena v aplikacích, kde je potřeba vysokých spínacích frekvencí. Díky mnohem nižším ztrátám ve srovnání s konvenčním dvouúrovňovým řešením, tříúrovňová topologie umožňuje ušetřit až 40 % z celkových ztrát a navíc při vyšších spínacích frekvencích.

Obr. 3 Porovnání proudové hustoty pro různá připojení

Tříúrovňová topologie snižuje harmonické

Snížení spínacích ztrát je první, zásadní rozdíl mezi dvou a tříúrovňovou topologií jako výsledek spínání pouhé poloviny napětí. Moduly s tříúrovňovou topologií potřebují více výkonových polovodičových prvků – deset na jednu fázi ve tříúrovňovém modulu (čtyři IGBT v sérii), a čtyři ve dvouúrovňovém modulu – to je ale kompenzováno vyšším proudovým zatížením polovodičů při 600 V ve srovnání s 1200 V polovodiči. Další rozdíl, který přináší několik výhod najednou, je lepší spektrální výkon. Dvouúrovňový modul potřebuje pro zachování harmonických na co nejnižší úrovni velké filtry, zatímco tříúrovňový modul má mezistupeň pro výstupní napětí. Výstupní signál tak může být mnohem více podobný sinusovce, čímž se stává více harmonický a velikost filtru a náklady na filtry mohou být sníženy.

Montáž v jednom kroku

Rozvržení tříúrovňového modulu MiniSKiiP bylo optimalizováno: čtyři komutační cesty zabírají minimální plochu a vývody jsou umístěny co nejblíže k sobě. Tímto způsobem je indukčnost modulu a výsledné přepětí omezeno na minimum. Ale je toho víc: díky použití pružinových kontaktů, je proudové zatížení tříúrovňového MiniSKiiP modulu 4,9 A/cm², o 0,7 A/cm² více než v modulech s vtlačovanými kolíky a o 1,9 A/cm² více než u modulů se šroubovými spoji. U MiniSKiiP modulů je jmenovitý proud na plochu modulu téměř dvojnásobný než v jiných tříúrovňových modulech a nepotřebuje žádné pevné sběrnice mezi třemi fázemi. Tato skutečnost, spolu s menší velikostí filtru, jak je uvedeno výše, umožňuje vytvořit mnohem menší měniče.

Obr. 4 Porovnání montáže – konkurenční modul (vlevo), MiniSKiiP (vpravo)

Montáž MiniSKiiP modulů je velmi jednoduchá: modul je připojen k chladiči a řídicí desce jedním šroubem a vytváří elektrické a tepelné propojení na 150 A jmenovitého proudu modulu. Časově náročné pájení není nutné a PCB lze snadno vyměnit v případě potřeby díky využití technologie pružinového kontaktu. Jinými slovy, montáž v jediném kroku – další výhoda, která přispěje, aby se MiniSKiiP stal průmyslovým standardem – což může přinést úsporu až pět dolarů za montáž na měnič, bez ohledu na velikost.

Integrovaný ovladač pro snadnější vývoj měniče

Všechny tyto výhody, pokud jde o montáž, platí také pro MiniSKiiP IPM. Při objemu 49 cm³ poskytují tyto moduly více než jen o 50 % vyšší proudovou hustotu než IPM se srovnatelnou topologií, ale nabízí také další funkce, protože řídicí obvod je již integrován. HVIC obvod (High Voltage Integrated Circuit) v SOI (Silicon-On-Insulator) technologii obsahuje inovativní převodník úrovní pro řízení spínání horního nebo dolního IGBT s cílem zlepšit elektromagnetickou odolnost spínání. Kromě ovladačů umožňují „gate“ rezistory IPM pokrýt 80 % všech aplikací. To je zvláště atraktivní pro malé a střední podniky, které se nemusejí starat o integraci ovladačů a zároveň nepotřebují vývojové kapacity pro jeho vývoj. Naprogramován a připojen musí být pouze regulátor.

Aby bylo možné poskytnout uživateli dostatek možností konfigurace, má MiniSKiiP IPM vstup ITrip pro monitorování proudu a další, víceúčelový chybový vstup s vyšším spínacím prahem. Tyto vstupy poskytují další možnosti přizpůsobení v aplikaci. Samozřejmě, že každý modul MiniSKiiP je vybaven vhodným integrovaným teplotním čidlem.

Závěr

MiniSKiiP je ve světě výkonové elektroniky zavedeným pojmem. Tyto moduly jsou ceněné pro svoje vynikající výkonové parametry, stejně jako pro jejich rychlou a snadnou montáž. Ve skutečnosti je potřeba pro připojení MiniSKiiP modulu, desky plošných spojů a chladiče jen jeden šroub. Místo pájených kontaktů jsou všechna výkonová připojení, včetně vstupů a pomocných kontaktů, připojena k DPS pomocí pružinových kontaktů. Díky systému pružinových kontaktů – jedinečné přednosti tohoto systému před konkurenčními IGBT moduly – se elektrické kontakty mohou pochlubit delší životností, vyšší spolehlivostí a odolností proti vibracím celého systému. S novými přírůstky MiniSKiiP – efektivním tříúrovňovým MiniSKiiP a IPM MiniSKiiP se zabudovaným integrovaným ovladačem – umožňují nyní tyto moduly použít měniče s nízkými náklady a vysokou účinností v mnoha nových oblastech.