Методы повышения качества IGBT-преобразователей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Входной многоуровневый преобразователь

1.1. Вводные замечания.

1.2. Разработка структуры входного преобразователя

1.3. Синтез системы управления преобразователя

1.4. Выводы.

Глава 2. Система цифрового управления трехфазным инвертором на IGBT.

2.1. Выбор структуры трехфазного преобразователя.

2.2. Разработка алгоритмов управления ключами АИН

2.3. Синтез системы управления трехфазного АИН

2.4. Выводы.

Глава 3. Моделирование IGBT-приборов.

3.1. Уровни моделирования и выбор симуляторов

3.2. Модели I уровня и их реализация.

3.3. Модели II уровня и их реализация.

3.4. Модели III уровня и их реализация.

3.5. Выводы.

Глава 4. Защита IGBT в преобразовательных схемах.

4.1. Оценка коммутационных перенапряжений.

4.2. Особенности выбора элементов для преобразователей, построенных по чопперной схеме

4.3. Защита IGBT от короткого замыкания нагрузки

4.4. Вывод.

Глава 5. Архитектура системы управления

5.1. Выбор архитектуры аппаратных средств системы управления

5.2. Разработка архитектуры программных средств системы управления.

5.3. Вывод.

Глава 6. Экспериментальные данные.

6.1. Включение преобразователя.

6.2. Включение трехфазного инвертора.

6.3. Проверка математической модели системы отработки тока

6.4. Динамические показатели преобразователя

6.4.1. Влияние изменения входного напряжения.

6.4.2. Включение асинхронного двигателя.

6.4.3. Подключение трансформатора напряжения

6.5. Перегрузочные и аварийные режимы работы

6.5.1. Режим полуторократной перегрузки.

6.5.2. Режим трехкратной перегрузки.

6.5.3. Режим короткого замыкания в нагрузке.

6.6. Работа преобразователя при несинусоидальном входном напряжении.

6.7. Спектральный состав входного тока преобразователя

6.8. Вывод.

За последнее десятилетие мир силовой электроники претерпел значительные изменения. После того как было установлено, что силовые МОП-транзисторы (МОПТ) не способны заменить биполярные транзисторы во всех применениях, многие исследователи начали анализировать возможность объединения этих приборов с целью получения гибридного прибора с высоким входным сопротивлением и низким сопротивлением в открытом состоянии.

Очевидным шагом в этом направлении было просто осуществление управления биполярным транзистором с помощью силового МОПТ в схеме Дарлингтона [1]. Этот схемный элемент может включаться подобно силовому МОПТ, но все же имеет меньшее остаточное сопротивление, чем МОПТ, так как большую часть выходного тока берет на себя биполярный транзистор. Была разработана технология объединения этих двух приборов на одном кристалле (одним из первых применений такого гибридного прибора стал привод электродвигателей).

Недостатки указанной структуры связаны с все теми же слабыми сторонами силовых биполярных транзисторов. Низкий коэффициент усиления по току высоковольтных биполярных транзисторов (обычно не более 10) требовал применения в качестве входного прибора высоковольтного МОПТ тех же размеров, чтр и основной силовой транзистор. Кроме того, обратный ток, обычно подаваемый на базу биполярного транзистора во время запирания, в данном случае обеспечить нельзя без введения дополнительного силового и дорогостоящего МОПТ. Нельзя также не отметить, что в данной схеме средняя плотность тока имеет промежуточное значение между величинами, допустимыми для силовых МОПТ и биполярных транзисторов, тогда как используемые технологические процессы должны одновременно оптимизировать параметры обоих типов приборов.

Другой способ получения комбинированной структуры, обладающей одновременно высоким входным сопротивлением МОП-приборов и высокой плотностью прямого тока, был разработан В. J. Baliga в конце 70-х годов в научно-исследовательском центре фирмы General Electric (GE) [2]. На этот раз основным токонесущим высоковольтным прибором служил тиристор с полевым управлением (ТПУ), а выходным током управлял мощный МОПТ. Тиристор с полевым управлением — это прибор, работающий в проводящем состоянии как p-i-n-диод. Поэтому в нем обеспечивается очень высокая плотность тока во включенном состоянии по сравнению с биполярным транзистором, даже при высоких пробивных напряжениях. МОПТ для этой схемы имеют значительно меньшую активную площадь, чем МОПТ в схеме Дарлингтона благодаря своему низкому рабочему напряжению. Тем не менее оставалась весьма желательной интеграция МОПТ с ТПУ для получения единого монолитного прибора.

Работы, которые велись в этом направлении в конце 80-х годов, наконец привели к искомому результату. Прибор получил название биполярный транзистор с изолированным затвором - IGBT (insulated-gate-bipolar-transistor) [3].

Во включенном состоянии IGBT ведет себя как прямо смещенный p-i-n-МОП и может работать при больших плотностях тока, характерных для запираемых тиристоров. В то же время током через IGBT можно управлять, подавая напряжение на затвор. Это свойство дает возможность не только выключать его по цепи управления, но и ограничивать коллекторный ток.

Таким образом, IGBT сочетает в себе лучшие свойства мощного МОПТ, а именно управление напряжением при очень высоком входном сопротивлении, и - биполярных приборов — высокую плотность допустимого прямого тока. Выяснилось также, что падение напряжения в открытом состоянии на IGBT увеличивается с ростом температуры [4]. Это позволяет соединять такие приборы параллельно с равномерным распределением тока по приборам.

Несмотря на то, что с момента времени, когда доктор В. J. Baliga опубликовал свою знаменитую работу, посвященную современным силовым приборам [5], где описал первый IGBT, прошло немногим более десяти лет, успело смениться уже четыре поколения IGBT; и если первые образцы приборов работали с напряжениями до 600В и токами до 50А, то в настоящее время серийно выпускаются приборы на напряжения 3,3kB и токи 1600А. Современные IGBT способны работать на частотах до 200 кГц, выпускаются в различных вариантах (одиночные приборы, силовые модули, интеллектуальные (smart) интегральные модули и др.) и могут легко интегрироваться в аппаратуру. Кроме того, тенденция развития этих приборов заключается в постоянном улучшении их характеристик при снижении показателя цена/качество.

Среди многочисленных публикаций, посвященных IGBT следует отметить работы Baliga , Adier, Gray, Love, Zommer, Declerq, Plummer, Hefner, Blackburn, Mantooth, Kraus, Hoffmann, Turkes, Miller, Sack посвященным физическим основам работы этих приборов [3-5, 7, 8, 11, 3541,49,81,87].

В работах Protiwa, Appeldoorn, Groos, Mihalic, Jezernik, Krischan, Rentmeister, Hsu, Ngo, Musumeci, Raciti, Sardo, Frisina, Letor, Fatemizadeh, Silber, Turkes, Kuhnert, Hefner, Blackburn, Brown, Asenov, Barker [28-33, 45, 48, 80, 82, 83, 85, 86] рассмотрены вопросы моделирования IGBT в симуляторах различной степени сложности.

Для целей данной работы наибольший интерес представляют математические модели IGBT реализуемые на симуляторе PSpice, поскольку последний в составе ППП DesignLab (фирмы Micro Sim) или OrCad (фирмы OrCad) позволяет осуществить основные этапы САПР широкого класса функционально законченных устройств.

Дополнительный аргумент в пользу сказанного: чрезвычайно широкое применение семейства SPICE в отечественной практике (благодаря, в частности, многочисленным работам проф. МЭИ В. Д. Разевига [77]); PSpice получил также эффективное применение для решения задач расчета и оптимизации надежности и массового обслуживания [98, 99], Монте-Карло оптимизации [78] и др.

Появление на рынке полностью управляемых силовых ключей с хорошими частотными характеристиками не могло не коснуться и преобразовательной техники. Стало возможным применение давно разработанных, но не востребованных алгоритмов управления силовыми энергетическими преобразователями. Большой прорыв осуществлен в области цифрового управления электроприводом малой и средней мощности.

Одним из важнейших факторов, влияющих на экономичность использования электроэнергии и энергосбережение, является сокращение потребляемой реактивной мощности. Эта проблема в настоящее время решается путем включения в состав электрической сети косинусных конденсаторов и/или синхронных компенсаторов, что приводит к существенному усложнению и удорожанию системы электроснабжения. Альтернативной возможностью является повышение качества электропотребления.

Широкое использование преобразователей электрической энергии обострило указанную проблему, так как эти устройства в традиционном исполнении, как правило, имеют низкий коэффициент мощности (Coscp =0,5.0,7) и высокий клирфактор (КФ) потребляемого из сети тока (более

-930%). Отметим, что с 1994 г. на общеевропейский рынок допускается только продукция, имеющая сертификацию в соответствии с нормами ISO 9000; одновременно ужесточаются требования к качеству напряжения сети и электропотребления (стандарты IEEE-519, МЭК 555, ГОСТ 13109).

Особое значение вышеуказанные аспекты приобретают применительно к одной из важнейших отраслей народного хозяйства - железнодорожному транспорту. Современный парк преобразователей собственных нужд для железнодорожного транспорта России состоит из электромеханических и тиристорных преобразователей. Причем если первые не соответствуют современным требованиям к надежности и эксплуатационным расходам, то вторые не удовлетворяют современные требования, предъявляемые к качеству энергопотребления и энергоотдачи. Создание отечественного преобразователя собственных нужд для железнодорожного транспорта, отвечающего современным требованиям, является важной народнохозяйственной задачей.

Преобразователи собственных нужд для подвижного состава железнодорожного транспорта должны иметь:

• минимальные массогабаритные параметры;

• максимальный коэффициент полезного действия;

• высокую надежность и ремонтопригодность;

• хорошую электромагнитную совместимость;

• низкий показатель цена/качество.

Железнодорожный транспорт в нашей стране работает на различных родах электрического тока - переменном и постоянном, поэтому отдельным требованием, предъявляемым к преобразователям, может выступать независимость от рода тока. В пресс-релизах крупнейших мировых фирм-производителей преобразовательной техники значится работа по созданию подобных устройств. Известно, что фирма SIEMENS выпустила на рынок преобразователь такого класса, однако автору неизвестны публикации, описывающих принцип действия или хотя бы его структуру.

Перед АО «Ансальдо-ВЭИ» (автор - сотрудник данной фирмы) была поставлена задача - создание преобразователя собственных нужд, обеспечивающего минимизацию гармонического состава потребляемого из сети тока, что обусловлено требованиями, предъявляемыми к электромагнитной совместимости (см. Приложение 4).

Целью настоящей работы является разработка структуры такого преобразователя, оптимизация его отдельных компонентов и системы управления. Под оптимизацией компонентов следует понимать выбор количества активных и пассивных элементов и их параметров, а под оптимизацией системы управления - выбор алгоритмов регулирования и рабочих частот, обеспечивающих требуемое качество входных и выходных параметров преобразователя, при минимизации потерь. Следует отметить, что выбор рабочей частоты определяется не только характеристиками системы управления, но и напрямую связан с выбором количества силовых ключей и их параметров, а, следовательно, и с массогабаритными и стоимостными показателями устройства. Поэтому оптимизация системы управления и оптимизация параметров компонентов составляют две части одной задачи.

Первая глава работы посвящена разработке структуры высоковольтного преобразователя, определению основных параметров силовой схемы и синтезу моделей и алгоритмов для системы управления.

Соискателем был проведен анализ схемы трехфазного автономного инвертора напряжения, входящего в состав преобразователя, предложена система управления, минимизирующая количество переключений ЮВТ, сокращающая массогабаритные и стоимостные характеристики преобразователя в целом (глава 2).

Улучшения технико-экономических показателей устройства удалось добиться за счет эффективного моделирования его основных узлов. Была разработана математическая модель IGBT, с помощью которой оценивались основные потери в силовых приборах. Описаны существующие математические модели IGBT, показаны границы применимости этих моделей, предложен метод построения моделей в системе PSpice, основанный на решении математических уравнений состояния, отображающих их компонентов системы (глава 3).

В четвертой главе рассмотрены методы защиты IGBT в преобразовательных схемах.

Показана необходимость применения в конструктивах плоских токоведущих шин с минимально возможной паразитной индуктивностью.

На основе анализа схемотехнических средств защиты IGBT, выделен метод защиты с помощью RCD-цепочки. Приводится способ параметризации данного метода.

В главе предлагается структурная схема обнаружения режима короткого замыкания и вывода IGBT из этого режима методом «мягкого выключения».

Пятая глава диссертации посвящена архитектуре системы управления преобразователем.

На основании технических требований, сформулированных в первой главе работы, была предложены структурная схема системы управления.

Применение мультипроцессорной системы обусловлено жесткими требованиями, предъявляемыми к времени квантования входных сигналов, времени принятия решения, большим динамическим диапазоном рабочих сигналов и многомерностью вектора управления.

На основе опыта построения вычислительных систем реального времени была разработана программа для системы управления.

Экспериментальные исследования разработанных схем и их элементов, подтвердили правильность полученных теоретических результатов (глава 6). В работе приведены результаты экспериментов, полученные при проведении приемо-сдаточных* испытаний опытного образца преобразователя межведомственной комиссии.

Итогом работы явилось создание высокоэффективного высоковольтного многоуровневого преобразователя нового поколения для нужд железнодорожного транспорта, построенного на ЮВТ-транзисторах. В настоящее время данный преобразователь изготовлена опытная партия преобразователей, которая установлена на высокоскоростной поезд «ССЖОЛ-350».

Значительная часть результатов работы получила использование в разработке автономного трехфазного инвертора напряжения для мобильного лазерного технологического комплекса, предназначенного для резки металлоконструкций в устье аварийно фонтанирующей газовой скважины. Комплекс успешно прошел лабораторные и полевые испытания в 1997 -1999г.г. (см. Приложение 4).

Помимо изложенного Введения работа содержит: 6 глав, Заключение, Список литературы и Приложения. Объем основного содержания рукописи (исключая список литературы и приложения) - 149 страниц, общий объем рукописи -166 страниц.

Программа испытаний задавалась заказчиком (см. Приложение 4).