Силовые Press-Pack IGBT компании WESTCODE для тяговых электроприводовАвтор статьи: Юрий Коваль, руководитель технического отдела, фирма СЭАE-mail: yurikov@sea.com.uaIGBT -модули прижимной конструкции играют особую роль в развитии железнодорожного транспорта. Применение этих перспективных приборов с минимальным весом и габаритами в тяговом преобразователе позволило повысить частоту переключения, упростить схему управления, минимизировать загрузку сети гармониками и обеспечить предельно низкие потери в обмотках трансформатора и дросселей. ^ Структура IGBT Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис.1 приведено условное обозначение IGBT. рис. 1. Условное обозначение IGBT рис. 2. Схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем (MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер) и C (коллектор), а в цепь управления - выводом G (затвор). Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.^ Преимущества прижимной конструкции IGBT Наряду с развитием традиционной технологии паяной конструкции силовых модулей с изолированным основанием продолжает интенсивно развиваться технология прижимной конструкции IGBT- модулей (см. рис.3), подобная таблеточной конструкции тиристоров SCR (Silicon Controlled Rectifier) и GTO (Gate Turn-Off) - press-pack technology, в которой наряду с уменьшением более чем в 10 раз теплового сопротивления и габаритов значительно улучшены надёжность, термоциклоустойчивость [1]. Высоких параметров IGBT- модулей прижимной конструкции достигла компания Westcode. Полное отсутствие проволочных соединений, сварки и пайки позволило принципиально улучшить режим эксплуатации силового кристалла. Каждый отдельный IGBT и диод выполнен в своей ячейке. Параллельное включение таких элементов позволяет получить нужные конечные характеристики модуля. На рис.3, показан модуль на 900 Ампер, 5200 Вольт. Электроды затворов выполнены в виде прижимных золотых контактов, которые объединяются посредством общей печатной платы. рис.3Поскольку внутренние базовые элементы имеют одинаковую конструкцию для одного напряжения, то легко могут быть получены специальные конфигурации модуля в одном и том же корпусе. Границы определены только возможностями корпуса и величиной потерь, которые приведены на рис.4.рис.4 Полученные характеристики надежности показывают значительное превосходство перед альтернативными методами изготовления модулей, в том числе и паяных конструкций. Отсутствие проволочных соединений, пайки и сварки устранило основную причину повреждения модулей в процессе эксплуатации: неравномерное распределение тока, термоудар и механическую деформацию от перегрева. IGBT-чипы изготовленны по PT (punch through) технологии. IGBT - транзисторы, изготовленные по этой технологии, обладают высокой du /dt стойкостью, и обеспечивает надёжную работу приборов при предельных загрузках по току и напряжению. Эти транзисторы имеют положительный температурный коэффициент напряжения насыщения, что позволяет успешно использовать IGBT- модули в параллельных соединениях. Внутренняя паразитная индуктивность затвора и эмитера значительно уменьшена по сравнению с обычными выводными IGBT модулями, что делает их более выносливыми при коротких замыканиях по выходной нагрузке. Принципиальным отличием данной технологии является возможность двухстороннего охлаждения кристалла и удвоение эффективности охлаждающей системы. В дополнение, прямое охлаждение эмиттерного контакта подразумевает наличие области безопасной работы SOA в характеристике модуля. Герметичный корпус предлагает другую опцию- возможность погружения модуля во фреон или масло для более эффективного охлаждения.^ Использование в тяговом электроприводе Press-pack IGBT позволяют произвести модернизацию существующего оборудования на GТО тиристорах. При этом может быть сохранена прежняя конструкция, схемы контроля и система охлаждения, с заменой только силовых модулей и драйверов управления. Press- Pack IGBT подходят как для приводов постоянного, так и переменного тока, поскольку там используется схожая топология. GТО тиристоры обычно характеризуются максимальным значением контролируемого анодного тока, в то время как IGBT характеризуются номинальным значением постоянного тока коллектора при максимальной рассеиваемой мощности на заданной температуре. Однако, IGBT может контролировать двойной ток коллектора привключении и выключении. Это означает, что для замены GТО тиристора может быть использован IGBT, у которого токовая характеристика в 2 раза меньше. Рассмотрим для примера 2-х уровневый трехфазный преобразователь с ШИМ на GТО тиристорах. В данном проекте применены 500А Press-pack IGBT (WESTCODE T0500NA25E) для замены GТО тиристоров 1000А (WESTCODE G1000LL250). Нормализованные величины потерь преобразователя показали увеличение потерь проводимости до 150%, но сокращение потерь переключения до 32% по сравнению с GТО тиристорами. При этом, определяющими являются именно потери переключения, где IGBT имеют преимущество начиная с частоты 140 Гц (рис.4.). В большинстве случаев, приводная техника работает на частотах более 150Гц, поэтому IGBT являютсязакономерным выбором для построения современного преобразователя. В дополнение отметим, что система крепления осталась без изменения, поскольку модули выполнены в одном конструктивном исполнении с GТО тиристорами. ^ Трамвай в Варшаве Начиная с сентября 2003 года, Институт Электротехники Польши применяет Press-pack IGBT в трамвае в г. Варшава. При этом, для модернизации был заменен только драйвер управления и сам модуль, остальная электроника и конструкция осталась без изменения. Сейчас снятая с производства модель 2500В, 1200А СТО тиристора (WESTCODE WG12025) была заменена на 2500В, 500А IGBT (WESTCODE T0500NA25E). Эти примеры замены стали возможны лишь потому, что изделия были в идентичных корпусах. Каждыйтрамвай имеет два силовых преобразователя и лишь один был заменен на IGBT, при этом сохранилась полная функциональность всего оборудования. ^ Тяговый электропривод (Польский проект) Немного более амбициозный проект был реализован в Польше для модернизации РКРлокомотива (см. рис.5).рис.5Данный локомотив работает от контактной сети 3000 Вольт постоянного тока. Локомотив приводится в движение четырьмя двигателями, объединенными в две группы с последовательным соединением (см. рис.6). Потребляемая мощность нормализуется с помощью входного фильтра, включенного сразу после контактной сети. Напряжение контактной сети может быть увеличено до 4 кВольт с кратковременным значением 5 кВольт, поэтому были использованы последовательно соединенные IGBT на 5200 Вольт (WESTCODE T0850TA52B) с конденсатором для подавления пульсаций. Преобразователь состоит из трех идентичных модулей, каждый из которых состоит из двух последовательно соединенных IGBT и двух диодов. Модуль управляется драйвером C0030BG400 компании WESTCODE с оптическим интерфейсом и изоляцией 10 кВольт. RC снабберные цепи использованы совместно с диодами, IGBT работает без снабберных цепей. Один модуль контролирует ток двух последовательно соединенных двигателей, третий модуль используется для защиты от превышения напряжения. Каждый из модулей собран с использованием алюминиевых радиаторов с хорошей теплопроводностью и компактными размерами (см. рис.7). Устройство собрано из двух субмодулей: один состоит из IGBT, другой- из диодов, что позволило уменьшить собственную индуктивность конструкции и унифицировать систему крепления элементов. Система охлаждения собрана в огнебезопасном GPO3 конструктиве в виде трубы, который обеспечивает прямое охлаждения элементов при отсутствии обдува критичных к воздействию поверхностей. При установке системы, два модуля, непосредственно управляющие моторами, были установлены перед трубой системы охлаждения, в то время как модуль контроля напряжения охлаждался естественной конвекцией. Ток двигателя контролировался с помощью ШИМ 400 Гц. Максимальный рабочий ток двигателя- 320А, пиковый ток- 400А. Привод управляется микропроцессором, который обеспечивает нужные функции управления, разгона и торможения двигателей.рис.6рис.7 Преобразователь был протестирован вместе с системой управления и контроля лабораторией IEL в Варшаве (см. рис.7.), обеспечил заданные характеристики во всех режимах и был установлен в локомотив для дальнейшей работы. Заключение На сегодняшний день IGBT как класс приборов силовой электроники занимает, и будет занимать доминирующее положение для диапазона мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором прижимной конструкции (Press-pack IGBT) компании WESTCODE (см. табл.1), выполненные в стандартных таблеточных керамических корпусах, позволяют использовать стандартную конструкцию модуля и системы охлаждения, обеспечивают самый высокий уровень надежности в эксплуатации, предоставляя следующий уровень производительности современных IGBT модулей.Таблица 1 НаименованиеIGBT VcesВ IcA IcmA Vce(sat)Ic=Ic В EonДж EoffДж VFIf=Ic В IdmA tdrrмксек Qdr мкК Tjm°C Rthjs IGBT Диод K/W K/W Размеры, Диаметр x высота, мм T0160NA45AT0160NA52AT0250NA45ET0250NA52ET0360NA25AT0500NA25ET0650TA52AT0900TA52ET1200TA25AT1500TA25BT1500TA25E 45005200450052002500250052005200250025002500 160160250250360500650900120015001500 310320400520720100013001800240030003000 3.84.14.54.53.63.35.14.63.753.53.4 0.50.40.720.640.750.81.72.12.53.13.3 0.420.330.840.530.340.51.41.91.42.01.7 4.54.3нетнет2.5нет4.1нет3нет нет 400400нетнет250нет1600нет670нет нет 0.960.25нетнет0.93нет 2.3нет 1.5нет нет 340340нетнет285нет1400нет830нет нет 125125125125125125125125125125125 0.0560.0560.0420.0420.0540.03860.0160.0120.01690.01360.0132 0.0920.092нетнет0.073нет0.039нет 0.0292нетнет 74*2674*2674*2674*2674*26 74*26112*26112*26112*26112*26112*26 Сокращения: VCES – максимальное напряжение между коллектором и эмитером, IC – максимальный DC ток коллектора при температуре 125°C, ICM – максимальный импульсный ток коллектора, Vce(sat) –напряжение насыщения между коллектором и эмитером, EON –энергия включения, EOFF –энергия выключения, VF – падение напряжение на диоде в прямом направлении, IDM –прямой ток диода, tdrr - время восстановления диода, Qdr –заряд на восстановление диода, TJM –максимальная температура выводов, Rthjs - тепловое сопротивление между выводами и радиаторомПо вопросам заказа IGBT, диодов, тиристоров и предохранителей компании Westcode (www.westcode.com), а также технической поддержки по ним обращайтесь к официальному дистрибьютору в Украине - фирме СЭА, тел 044 575-94-00, e-mail:info@sea.com.ua, www.sea.com.ua.Литература: [1]. F.Wakeman, K.Billett, R.Irons и M.Evans, ‘Electromechanical characteristics of a bondless pressure contact IGBT’ APEC 1999, pp. 312-317