SEMITOP® Модули для 3-уровневых преобразователей UPS
www.semitop.com.ua
Андрей Колпаков, SEMIKRON 2010 1
SEMITOP®4
Млрд. кВтч
Потребление электроэнергии растет непрерывно
Источник: Energy Information Administration/ Annual Energy Outlook 2007
2
SEMITOP®4
Что означает термин «эффективность» для силовой электроники? - Снижение уровня потерь Техническая
- Снижение уровня гармонических искажений - Улучшение технических характеристик
Эффективность
- Уменьшение потребления энергии Экономическая
- Существенное снижение себестоимости 3
3 –уровневая схема 1 Фаза 3-уровневой схемы: для повышения эффективности AC/DC преобразования SEMITOP 3 SK 20 MLI 066 SK 30 MLI 066
SK 50 MLI 066
SEMITOP 4 SK 75 MLI 066 T SK 100 MLI 066 T
SK 150 MLI 066 T
…до 150A! 4
Особенности 3-уровневого инвертора
Основные преимущества Высокий к.п.д.: Модули работают на меньшей частоте ШИМ – ниже уровень потерь и dv/dt
Снижение уровня гармонических искажений: Коэффициент гармоник снижается с ростом количества уровней Уменьшение выходного фильтра: С увеличением количества уровней улучшается форма сигнала и снижаются требования к синусному фильтру
www.semitop.com.ua 5
Концепция Новая тенденция UPS схем P(+)
C1 Фиксирующие диоды
V
PN
O
C2
Звено постоянного тока со средней точкой
N(-)
T1 (U)
T2 (V)
T3 (W)
Нагрузка 6
Принцип работы Новая тенденция UPS схем P(+)
C1 V
PN
O
Форма линейного сигнала
C2
N(-)
T1 (U)
T2 (V)
T3 (W)
VDC VDC/2 0
t
Нагрузка
7
Моделирование работы 3-уровневого инвертора
D1 IGBT 1
IGBT 4 MP D4 IGBT 7
IGBT 10 8
Алгоритм ШИМ
Опорное напряжение Синусоидальное 50 Гц по каждой фазе
Несущая (L-1) треугольных сигналов частотой fsw >> 50Hz Для 3-уровневой схемы (L=3), необходимо 2 несущих треугольной формы
9
Алгоритм ШИМ Используется 3 алгоритма формирования ШИМ сигнала:
APOD: alternative phase opposition disposition соседние опорные треугольные сигналы отличаются по фазе на 180
POD: phase opposition disposition опорные треугольные сигналы, расположенные в положительной и отрицательной области относительно нулевого потенциала, отличаются по фазе на 180
PD: phase disposition синфазные опорные треугольные сигналы расположены в положительной и отрицательной области относительно нулевого потенциала
10
Алгоритмы ШИМ
PD: phase disposition Обеспечивает минимальные гармонические искажения линейного выходного напряжения
IGBT1 IGBT4
11
Режим PD: формирование импульсов управления
IGBT1 IGBT4
D1
IGBT1
IGBT4
D1
12
Режим PD: моделирование 50
Выходные токи
Токи D1/D4
25 0 -25 -50
58 49,7 41,4 33,2
24,9 16,6 8,3 0
Ток IGBT1
66 49,5 33 16,5 0 -16,5 -33 -49,5
Ток IGBT4 и VMP
600 400 200 0 -200 -400
13
Преимущества 3-уровневой схемы?
Сравнение инверторов 2L – 3L Выходное линейное напряжение Общие потери
Стоимость Аппаратная реализация
14
2L – 3L: Выходное линейное напряжение
15
2L – 3L: общие потери SK 30 MLI 066
SK 60 GB 128
600V IGBT
1200V IGBT
Vce,sat=1,65 @150°C
Vce,sat = 1,9 @125°C
Eon+Eoff = 1,8 мДж
Eon+Eoff = 12,5 мДж 16
Формулы для расчета потерь 3-уровневой схемы (3L)
Потери проводимости
Psw
IGBT1 IGBT4
Потери переключения
D1
IGBT1
1
IGBT10 IGBT7 IGBT10
1
fsw Esw( Ipk)
fsw Eon Eoff
D4
IGBT4
Незначительные
IGBT7
потери
D1 D4
1
fsw Err( Ipk) 17
Формулы для расчета потерь 2-уровневой схемы (2L)
IGBT1
IGBT4 IGBT1
D1
Потери проводимости IGBT4
D4
Потери переключения
Pon
Psw
1 2
VCEo
rCE 2 i i 4
f sw Esw
2
m cos
I1 I ref
Vcc Vref
VCEo 8
r i CE 3
2
i
Kv
18
2L – 3L: Потери на 1 фазу
Сравнение при одинаковых режимах работы:
S cos(φ)
20 кВА 0,85
fsw
20 кГц
m
1
Vll,rms
400В
Iout,rms
29A
Ts
80°C 19
2L – 3L: Потери на 1 фазу – сравнение 3-L инвертор
2-L инвертор
SK 30 MLI 066
SK 60 GB 128
Потери проводимости IGBT Q1/Q4
19,5 Вт
Потери проводимости IGBT Q1/Q2
20,5 Вт
Потери проводимости IGBT Q2/Q3
27,5 Вт
Потери переключения IGBT Q1/Q2
67,6 Вт
Потери переключения IGBT Q1/Q4
10,3 Вт
Потери переключения IGBT Q2/Q3
Незначительные
Общие потери IGBT Q1/Q4
29,8 Вт
Общие потери IGBT Q1/Q2
88,1 Вт
Общие потери IGBT Q2/Q3
29,0 Вт
IGBT: общие потери на фазу
117,6 W
IGBT: общие потери на фазу
176,1 Вт
Tj=133°C Фиксирующие диоды (D5/D6)
APD диоды (D1/D2)
Потери проводимости
11,4 Вт
Потери проводимости
1,9 Вт
Потери переключения
2,9 Вт
Потери переключения
24,3 Вт
Общие потери на диод
14,3 Вт
Общие потери на диод
26,2 Вт
Общие потери фикс. диодов
28,60 Вт
Общие потери диодов
53 Вт
146Вт
Общие потери на фазу 229Вт
Tj=113°C Общие потери на фазу
3L : ~ 60% снижение потерь! 20
2L – 3L: Потери на 1 фазу – сравнение
21
2L – 3L: Стоимость модулей – сравнение
25% снижение стоимости
www.semitop.com.ua 22
2L - 3L: аппаратная реализация
Драйвер
3-level
2-level
Нет
+
Стандартного драйвера
Формирование ШИМ
Нет Стандартного
+
ШИМ
DC шина
o
o
Выходной фильтр
++
-
THD
++
-
Пульсации тока
++
-
600V
1200V
++
--
IGBT рабочее напряжение Потери (проводимости/переключения)
23
Специализированные модули для реализации 3L схемы SEMIKRON предлагает: 1 фаза 3L инвертора – 1 модуль MLI 5
20
60
80
[kВA]
SEMITOP 3
SEMITOP 4
Условия моделирования: Cos phi = 1 m =1 Ts = 70°C Fsw = 20кГц
…до 150A! 24
SEMITOP® - специализированный модуль 3L инвертора 3-фазный 3L инвертор 3 модуля MLI
…до 150A! 25
SEMITOP ® 3-уровневый инвертор 10 – 30кВА
MLI – простая топология соединений
26
SEMITOP®4 3-уровневый инвертор 40 – 80кВА MLI – простая топология соединений
27
SEMITOP®3 для 3-уровневого инвертора Модули SEMITOP ® для 3L схемы : SK 20 MLI 066 SK 30 MLI 066 SK 50 MLI 066
Информация доступна в интернете Инженерные образцы доступны
28
SEMITOP®4 для 3-уровневого инвертора SEMITOP4® семейство: SK 75 MLI 066 T SK 100 MLI 066 T SK 150 MLI 066 T
Информация доступна в интернете Инженерные образцы доступны
29
Почему стоит выбирать 3L схему? 3 уровня выходного напряжения (+/ - / 0)
Форма выходного напряжения близка к синусоидальной Проще выходной фильтр (уменьшение стоимости и размеров устройства) Снижение уровня гармоник Снижение уровня статических и динамических потерь
Максимальный уровень эффективности www.semitop.com.ua 30
Отличная альтернатива дискретным Корпусам ТО
Контакты:
www.semitop.com.ua 31