Н.В. Клиначев, А.И. Согрин

Моделирование переходных процессов на первичной шине постоянного тока мощного многофазного DC/DC преобразователя

Рабочие файлы: [IGBT: Lкэ I^2 / 2]

Важная задача, которую необходимо решать при разработке DC/DC преобразователей с током фазы более 100 A, состоит в разработке топологии электрических соединений между силовыми элементами. Фундаментальные физические явления, которые необходимо учитывать, описаны в любом учебнике по электрическим аппаратам. Это электродинамические усилия в системе проводников, поверхностный эффект и эффект близости проводников. Хорошо, когда у рядового инженера под рукой есть суперкомпьютер, лицензионное программное обеспечение, базы данных по электротехническим материалам и их свойствам, практический навык моделирования полей в трехмерных сетках, время и финансовые ресурсы. В реальных условиях инженер в качестве исходных данных имеет геометрию деталей, например, транзистора X2G300SD12P3 (IGBT). Плотно компонует силовой многофазный модуль (по электротехническому фэншую). И смотрит, что получилось.

Ниже по тексту на чертеже представлена схема замещения, соответствующая (с некоторыми погрешностями) силовому модулю DC/DC преобразователя с тремя фазами по 160 А. Модуль был изготовлен, запущен, были изучены осциллограммы. Анализ последних позволил восстановить параметры силовых цепей, которые без вышеназванных интерактивно-волшебных возможностей получить невозможно. В частности речь идет о паразитных индуктивностях шин питания, соединяющих IGBT-модули, и о коэффициентах затухания в резонирующих контурах.

Параллельно силовым шинам, т.е. параллельно индуктивностям, в схеме замещения включены активные сопротивления. Безусловно, в модуле их нет. Но в момент коммутации ток в шинах вытесняется к поверхности, поэтому их активное сопротивление резко увеличивается. Таким образом поверхностный эффект, являясь причиной потерь в контурах, оказывает положительное влияние на работу модуля. Параллельно каждой стойке преобразователя установлен блокирующий перенапряжения конденсатор. Его активное внутреннее сопротивление представлено отдельным элементом.

Поскольку система управления отсутствует, модель силового модуля запускается с предустановленными начальными условиями. В силовых индуктивностях фаз преобразователя установлен начальный ток (160 А). Одним коэффициентом в модели связаны и контролируются: входное напряжение (9·24 В) и выходное (24 В), коэффициент ШИ-модуляции, внутреннее сопротивление первичного источника (грубо соответствующее свинцовой стартерной батарее для грузовиков).

Математическая модель силового модуля мощного многофазного DC/DC
преобразователя с неправильно спроектированными шинами постоянного тока

Запустите вычислительный процесс для модели представленной на чертеже. Ознакомьтесь с типовым переходным процессом, который, в случае неправильного проектирования, будет присутствовать на первичной шине постоянного тока силового модуля DC/DC преобразователя на ток более 100 А. Примите во внимание – при правильном проектировании геометрии силовых шин в силовом модуле, амплитуда колебательных процессов может быть уменьшена от трех до шести раз.

Уменьшите в три раза весовой коэффициент определяющий величину напряжения на входе преобразователя (измените параметр блока gain c 9 на 3). Убедитесь в том, что это почти не изменит амплитуду колебательного процесса. Причина в том, что переходный процесс определен энергией накапливаемой в паразитных индуктивностях шин, по которым, вне зависимости от первичного напряжения, протекает ток неизменной величины. Да, импульс тока отличается по площади и форме, но это – влияющие факторы второго порядка малости. Верните модель к исходному состоянию.

Увеличьте до 1 Ома резисторы включенные последовательно с блокирующими перенапряжения (снабберными) конденсаторами. Убедитесь в том, что переходные процессы на шине стали апериодическими и их вольт-секундная площадь (энергия) существенно меньше. Изучите осциллограмму активной мощности, которая выделяется на резисторе (подключенный осциллограф имеется в иерархическом подуровне чертеже одного из резисторов). Мысленно усредните площадь под кривой (фильтры скользящего среднего решают эту задачу лишь частично). Оцените потери. Обратите внимание, в относительных величинах они не столь уж велики – три процента. Но в абсолютных величинах – рассеивать их куда сложнее, чем не накапливать.

Ознакомьтесь с тем, зачем же нужны снабберные конденсаторы. Увеличьте до 1 МОм-а резисторы включенные последовательно с ними (тем самым вы отключите конденсаторы). Убедитесь в том, что амплитуда переходных процессов (импульсов на шине) резко увеличилась. И 3-х кратное превышение – это не предел. На практике возможны и 10-ти и 30-ти кратные перенапряжения (в модели, для подобного эксперимента, несколько некорректно учтен поверхностный эффект, да и ключи, математически, необходимо описывать более точно). Верните модель к исходному состоянию.

Если геометрия шин постоянного тока в силовом модуле будет компланарной [1], погонная индуктивность уменьшиться от 3 до 10 раз. Уменьшите в 5 раз паразитные индуктивности соединяющие стойки силовых ключей. Шаг симуляции – в 3 раза (для чистоты эксперимента). Убедитесь в том, что амплитуда переходного процесса на шине постоянного уменьшилась в корень из 5 раз (а энергия в 5 раз).

Активируйте управление силовыми ключами стоек второй и третьей фазы преобразователя. Самостоятельно спланируйте и выполните ознакомительные эксперименты. Можно сохранить файл на Jigrein-диск. И на большем поле чертежа перепланировать топологию шин (поменять "лестницу" на "звезду").

Примечание. При моделировании ключевых каскадов на токи больше 500 А недопустимо пренебрегать паразитной индуктивностью самого IGBT-транзистора, чья геометрия становиться ни чуть не меньше участков токоподводящих шин между снабберными конденсаторами.

Литература

  1. Колпаков А.И. IGBT: Инструкция по эксплуатации или об уважительном отношении к силовой электронике // Силовая электроника, №1, 2007. – URL: http://power-e.ru/2007_01_17.php. Дата обращения: 24.12.2015.
  2. Фильтровые конденсаторы для силовой электроники (силовые конденсаторы) // Web-сайт ООО "Нюкон". – URL: http://www.nucon.ru/capacitors-for-power-electronics/filtr.php. Дата обращения: 17.02.2016.
  3. Оксидно-электролитический алюминиевый конденсатор К50-84 // Web-сайт ОАО "Элеконд". – URL: http://www.elecond.ru/k50_84.php. Дата обращения: 17.02.2016.
  4. On-line калькулятор индуктивности прямоугольной рамки / Coil32 – Программа расчета индуктивности катушек // Web-сайт программы Coil32. – URL: http://coil32.ru/calc/rect.html. Дата обращения: 17.02.2016.

Приложение. Результаты расчета полей силовой шины преобразователя в трехмерной сетке с целью измерения ее паразитной индуктивности

Неудачный вариант силовой шины постоянного тока полупроводникового моста. Вместе со снабберными конденсаторами образует П-образные колебательные контуры.

Рис. 1. Неудачный вариант силовой шины постоянного тока полупроводникового моста. Образует П-образные колебательные контуры. Цветом показан путь тока при измерении паразитной индуктивности шины – 230 нГн. Отверстия в шине на пути тока – это точки электрического контакта с выводами силовых IGBT-модулей и снабберными конденсаторами. Восемь "хвостов" шины предназначены для монтажа силовых конденсаторов с полипропиленовой изоляцией.

Силовая шина постоянного тока трехфазного полупроводникового моста (800 В, 200 А). Распределение тока в ней. Уменьшение площади контуров шины и компланарная конструкция обеспечивают низкую паразитную индуктивность шины (менее 170 нГн).

Рис. 2. Хороший и технически реализуемый вариант силовой шины постоянного тока
полупроводникового моста. Уменьшение площади контуров шины привело
к снижению паразитной индуктивности до 170 нГн

Контрольный вариант силовой шины преобразователя с идеализированной геометрией, позволяющий оценить минимально возможную паразитную индуктивность.

Рис. 3. Контрольный вариант идеализированной силовой шины преобразователя,
необеспечивающий контакт с выводами IGBT-модулей.
Паразитная индуктивность – 96 нГн

Сборочный чертеж силового полупроводникового моста на 800 В, 250 А

Рис. 4. Сборочный чертеж силового полупроводникового моста на 800 В, 250 А

24.12.2015