Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 4’2009<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
этого альянса — создание базо<strong>в</strong>ых конструкций<br />
для осно<strong>в</strong>ных промышленных применений<br />
[23]. Пер<strong>в</strong>ым проектом стала разработка<br />
платформы конфигурации B6U + B6C1,<br />
то есть 3-фазный <strong>в</strong>ыпрямитель + ин<strong>в</strong>ертор.<br />
Платформа SEMIKUBE предназначалась для<br />
построения при<strong>в</strong>одо<strong>в</strong> мощностью 75–1000 кВт.<br />
Концепция SEMIKUBE поз<strong>в</strong>олила обеспечить<br />
широкий набор мощностей за счет<br />
небольшого набора стандартных базо<strong>в</strong>ых<br />
блоко<strong>в</strong>. Интересно, что <strong>в</strong> дейст<strong>в</strong>ительности<br />
единичный модуль предста<strong>в</strong>ляет собой куб<br />
с размером грани около 40 см. Блок состоит<br />
из сило<strong>в</strong>ого каскада со з<strong>в</strong>еном постоянного<br />
тока, платы драй<strong>в</strong>ера, осущест<strong>в</strong>ляющей<br />
функции упра<strong>в</strong>ления, защиты и мониторинга,<br />
а также набора датчико<strong>в</strong> для осущест<strong>в</strong>ления<br />
этих функций. SEMIKUBE применяется<br />
<strong>в</strong> при<strong>в</strong>одах асинхронных д<strong>в</strong>игателей, а также<br />
<strong>в</strong> системах <strong>в</strong>ыработки электроэнергии. Усло<strong>в</strong>ия<br />
эксплуатации модулей SEMIKUBE: напряжение<br />
питания переменного тока — 3400 В (50 Гц)<br />
или 3460 В (60 Гц); частота ШИМ — 3 кГц;<br />
cosϕ = 0,85; T окр = 40 °С. Выбор класса напряжения<br />
IGBT определяется типом питающей сети.<br />
Например, для сети стандарта 3380 В (50 Гц)<br />
предназначены модули с напряжением 1200 В,<br />
а для сетей 3690 В (60 Гц) — с напряжением<br />
1700 В. У<strong>в</strong>еличение <strong>в</strong>ыходного тока произ<strong>в</strong>одится<br />
с помощью параллельного соединения 2,<br />
4 или 8 модулей IGBT. В блоках SEMIKUBE устана<strong>в</strong>ли<strong>в</strong>аются<br />
IGBT-модули 128-й (технология<br />
SPT) или 176-й (технология Trench) серий:<br />
• SKM300GB128D или SKM400GB128D —<br />
на напряжение 1200 В;<br />
• SKM200GB176D или SKM400GB176D —<br />
на напряжение 1700 В.<br />
Серия миниатюрных модулей MiniSKiiP,<br />
разработанная фирмой Semikron для использо<strong>в</strong>ания<br />
<strong>в</strong> при<strong>в</strong>одах мощностью до 30 кВт, нашла<br />
с<strong>в</strong>ое широкое применение. На е<strong>в</strong>ропейском<br />
рынке доля этих компоненто<strong>в</strong> соста<strong>в</strong>ляет до 46%<br />
для указанного диапазона мощностей [6].<br />
Продолжая это напра<strong>в</strong>ление, компания<br />
Semikron к 2008 г. разработала но<strong>в</strong>ое поколение<br />
IPM с интегральным драй<strong>в</strong>ером на осно<strong>в</strong>е<br />
технологии SOI, полностью исключающей<br />
«защелки<strong>в</strong>ание» IGBT. МiniIPM имеют стандартную<br />
конфигурацию для электропри<strong>в</strong>ода:<br />
<strong>в</strong>ходной трехфазный мосто<strong>в</strong>ой <strong>в</strong>ыпрямитель,<br />
трехфазный IGBT-ин<strong>в</strong>ертор и тормозной чоппер.<br />
Семиканальный драй<strong>в</strong>ер <strong>в</strong> <strong>в</strong>иде <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтной<br />
интегральной схемы (HVIC) <strong>в</strong>ырабаты<strong>в</strong>ает<br />
упра<strong>в</strong>ляющие импульсы для <strong>в</strong>сех<br />
6 транзисторо<strong>в</strong> ин<strong>в</strong>ертора и еще для чоппера.<br />
Он также осущест<strong>в</strong>ляет защиту от токо<strong>в</strong>ых перегрузок.<br />
Входы упра<strong>в</strong>ления драй<strong>в</strong>ера со<strong>в</strong>местимы<br />
и с ТТЛ-3,3В и КМОП. Драй<strong>в</strong>ер может<br />
работать при напряжении питания 10–17 В.<br />
Время задержки сигнала порядка 300 нс.<br />
И кристаллы транзисторо<strong>в</strong>, и чип драй<strong>в</strong>ера,<br />
и резисторы зат<strong>в</strong>оро<strong>в</strong> устано<strong>в</strong>лены на одной<br />
плате. В таблице 3 предста<strong>в</strong>лены осно<strong>в</strong>ные<br />
характеристики этих Мini-IPM.<br />
Российская фирма ООО «Электрум АВ»<br />
разработала и <strong>в</strong>ыпускает интеллектуальные<br />
малогабаритные модули общепромышленного<br />
и оборонного назначения для упра<strong>в</strong>ления<br />
коллекторными, асинхронными, <strong>в</strong>ентильными<br />
и <strong>в</strong>ентильно-индукторными электрод<strong>в</strong>игателями<br />
мощностью до 10–15 кВт [16].<br />
В соста<strong>в</strong> модулей помимо кристалло<strong>в</strong> MOSFET<br />
или IGBT могут <strong>в</strong>ходить мощные низкоомные<br />
(1 мОм) безиндукти<strong>в</strong>ные токоизмерительные<br />
резисторы, аналого-цифро<strong>в</strong>ое устройст<strong>в</strong>о<br />
упра<strong>в</strong>ления, реализующее алгоритм упра<strong>в</strong>ления<br />
электрод<strong>в</strong>игателем. Такое устройст<strong>в</strong>о содержит:<br />
драй<strong>в</strong>еры транзисторо<strong>в</strong>, источник питания<br />
(DC/DC-преобразо<strong>в</strong>атель), схему ШИМупра<strong>в</strong>ления,<br />
логику упра<strong>в</strong>ления д<strong>в</strong>игателями<br />
и необходимые интерфейсные схемы. В частности,<br />
модули упра<strong>в</strong>ления коллекторными д<strong>в</strong>игателями<br />
переменного тока мощностью до 10 кВт<br />
с рабочими токами 1–20 А обеспечи<strong>в</strong>ают:<br />
• пла<strong>в</strong>ный пуск д<strong>в</strong>игателя;<br />
• стабилизацию скорости <strong>в</strong>ращения д<strong>в</strong>игателя<br />
под нагрузкой и на холостом ходу;<br />
• контроль тока электрод<strong>в</strong>игателя и защиту<br />
от КЗ;<br />
• контроль токо-<strong>в</strong>ременной характеристики<br />
работы д<strong>в</strong>игателя;<br />
• по<strong>в</strong>торный пуск д<strong>в</strong>игателя при преры<strong>в</strong>ании<br />
тока из сило<strong>в</strong>ой цепи;<br />
• защиту по цепи питания;<br />
• защиту от перегре<strong>в</strong>а и др.<br />
Таблица 3. Осно<strong>в</strong>ные характеристики мини-интегриро<strong>в</strong>анных IGBT-модулей (mini-IPM) фирмы Semikron<br />
Тип<br />
IGBT<br />
Выпрямитель<br />
Схема P, кВт U CES , В I C , А I C ном , А U CE (sat) , B R th (j–c) , K/Вт I FSM , A<br />
SKiiP25NAD1066V1 CIB 4,0 600 39 30 1,45 1,35 370<br />
SKiiP26NAD1066V1 CIB 5,5 600 59 50 1,45 0,95 370<br />
SKiiP37NAD1066V1 CIB 7,5 600 79 75 1,45 0,75 700<br />
SKiiP25AC1124V1 6-pack 15 1200 72 50 1,85 0,65 –<br />
Примечание. CIB (Convertor-Invertor-Brake) — трехфазный <strong>в</strong>ыпрямитель <strong>в</strong> комплексе с трехфазным ин<strong>в</strong>ертором, упра<strong>в</strong>ляемым драй<strong>в</strong>ером,<br />
и тормозным чоппером; 6-pack — трехфазный ин<strong>в</strong>ертор, упра<strong>в</strong>ляемый драй<strong>в</strong>ером, и терморезистор.<br />
Встраи<strong>в</strong>ание IPM<br />
непосредст<strong>в</strong>енно <strong>в</strong> электрод<strong>в</strong>игатели<br />
Поя<strong>в</strong>и<strong>в</strong>шаяся <strong>в</strong> 2003–2004 гг. информация о<br />
<strong>в</strong>страи<strong>в</strong>ании IPM и интегриро<strong>в</strong>анных сило<strong>в</strong>ых<br />
драй<strong>в</strong>еро<strong>в</strong> <strong>в</strong> маломощные электрод<strong>в</strong>игатели<br />
(шаго<strong>в</strong>ые д<strong>в</strong>игатели) сра<strong>в</strong>нительно быстро при<strong>в</strong>ела<br />
к практическим результатам, что я<strong>в</strong>ляется<br />
<strong>в</strong>ажным моментом <strong>в</strong> раз<strong>в</strong>итии со<strong>в</strong>ременного<br />
электропри<strong>в</strong>ода. Тогда фирма Animators (США)<br />
анонсиро<strong>в</strong>ала <strong>в</strong>ыпуск семейст<strong>в</strong>а <strong>в</strong>ысоко интегриро<strong>в</strong>анных<br />
шаго<strong>в</strong>ых д<strong>в</strong>игателей (ШД), получи<strong>в</strong>ших<br />
наз<strong>в</strong>ание Smart motor [25]. Фирма Animatics<br />
я<strong>в</strong>ляется пионером и признанным лидером<br />
<strong>в</strong> области интеллектуальных электропри<strong>в</strong>одо<strong>в</strong>.<br />
Семейст<strong>в</strong>о Smart motor серий ST230 и ST340 —<br />
это со<strong>в</strong>ершенные, компактные «интеллектуальные»<br />
ШД со <strong>в</strong>строенными <strong>в</strong> них сило<strong>в</strong>ыми<br />
драй<strong>в</strong>ерами, контроллерами с достаточно большим<br />
объемом памяти (энергонеза<strong>в</strong>исимая —<br />
28 и энергоза<strong>в</strong>исимая — 32 Мб) и с <strong>в</strong>озможностью<br />
<strong>в</strong>нешнего упра<strong>в</strong>ления по интерфейсу<br />
RS232/RS485. Кроме того, <strong>в</strong> них <strong>в</strong>строены инкрементные<br />
декодеры для считы<strong>в</strong>ания угла<br />
по<strong>в</strong>орота <strong>в</strong>ала д<strong>в</strong>игателя. Таким образом, для<br />
функциониро<strong>в</strong>ания таких Smart motor необходимы<br />
только <strong>в</strong>нешние источники питания<br />
(20–80 В) и канал с<strong>в</strong>язи с компьютером для задания<br />
законо<strong>в</strong> и режимо<strong>в</strong> работы. В России достаточно<br />
быстро стали про<strong>в</strong>одиться разработки<br />
аппаратуры с использо<strong>в</strong>анием этих интеллектуальных<br />
электрод<strong>в</strong>игателей для прецизионной<br />
аппаратуры, <strong>в</strong> которой требуется с <strong>в</strong>ысокой точностью<br />
измерять или <strong>в</strong>оспроиз<strong>в</strong>одить угло<strong>в</strong>ые<br />
перемещения.<br />
IPM для а<strong>в</strong>томобильной<br />
сило<strong>в</strong>ой электроники<br />
Важным напра<strong>в</strong>лением <strong>в</strong> раз<strong>в</strong>итии интеллектуальных<br />
сило<strong>в</strong>ых модулей я<strong>в</strong>ляется<br />
их использо<strong>в</strong>ание <strong>в</strong> так назы<strong>в</strong>аемых гибридных<br />
транспортных средст<strong>в</strong>ах — гибридомобилях.<br />
С<strong>в</strong>оим наз<strong>в</strong>анием они обязаны тому, что<br />
используют для д<strong>в</strong>ижения, например, а<strong>в</strong>томобиля<br />
комбинацию д<strong>в</strong>игателя <strong>в</strong>нутреннего сгорания<br />
с электрод<strong>в</strong>игателем. Одной из пер<strong>в</strong>ых<br />
такие модули начала разрабаты<strong>в</strong>ать и <strong>в</strong>ыпускать<br />
фирма Semikron [26]. Модули получили<br />
наз<strong>в</strong>ание SKAI (сначала Semikron Automotive<br />
Inverter, а потом — Semikron Advanced<br />
Integration). Но так как область применения<br />
таких модулей оказалась широкой (подъемники,<br />
транспортеры, погрузчики и другие),<br />
то окончательно за ними <strong>в</strong> некоторых <strong>в</strong>ариантах<br />
закрепилось наз<strong>в</strong>ание SKADS (Semikron<br />
Advanced Drive Systems). В настоящее <strong>в</strong>ремя<br />
прежде <strong>в</strong>сего на Западе (<strong>в</strong> с<strong>в</strong>язи с по<strong>в</strong>ышением<br />
требо<strong>в</strong>аний по топли<strong>в</strong>ной эффекти<strong>в</strong>ности<br />
(энергосбережению), безопасности и экологичности<br />
а<strong>в</strong>томобилей) заметно усилился интерес<br />
к гибридомобилям [27]. Гибридные а<strong>в</strong>томобили<br />
(Hybrid Electric Vehicles — HEV) работают<br />
и на бензине, и на электричест<strong>в</strong>е (электрический<br />
д<strong>в</strong>игатель). Несмотря на присутст<strong>в</strong>ие<br />
их на рынке <strong>в</strong> течение уже многих лет, по оценке<br />
Research&Market объем продаж «гибридо<strong>в</strong>»<br />
не пре<strong>в</strong>ышает 2%, <strong>в</strong> том числе <strong>в</strong> Е<strong>в</strong>ропе —<br />
не более 0,2%. Глобальный экономический<br />
кризис значительно стимулиро<strong>в</strong>ал работы над<br />
ними. Так, согласно отчету «Global Hybrid Car/<br />
MarketForecast to 2010», глобальные продажи<br />
гибридных а<strong>в</strong>томобилей будут у<strong>в</strong>еличи<strong>в</strong>аться<br />
с со<strong>в</strong>окупным среднегодо<strong>в</strong>ым темпом роста порядка<br />
12%; продажи таких а<strong>в</strong>томобилей <strong>в</strong> США<br />
<strong>в</strong> 2012 г. достигнут 1 млн. штук. Уже анонсиро<strong>в</strong>ано,<br />
что пер<strong>в</strong>ые компактные модели таких<br />
а<strong>в</strong>томобилей поя<strong>в</strong>ятся на рубеже 2009–2010 гг.<br />
Миро<strong>в</strong>ые а<strong>в</strong>тогиганты (Toyota, Honda, Nissan,<br />
Ford, General Motors, Daimler, BMW, Merсedes<br />
-Benz и другие) ускоренно разрабаты<strong>в</strong>ают подобные<br />
модели. Гла<strong>в</strong>ные проблемы — создание<br />
экономичных аккумуляторо<strong>в</strong> (литий-ионных)<br />
с <strong>в</strong>озможностью быстрого заряда, организация<br />
сети «электрозапра<strong>в</strong>ок» и постепенное снижение<br />
стоимости таких а<strong>в</strong>томобилей<br />
IPM для других<br />
перспекти<strong>в</strong>ных применений<br />
Глобальный экономический кризис ускорил<br />
темпы реализации и других перспекти<strong>в</strong>ных<br />
применений с использо<strong>в</strong>анием IPM. Так,<br />
<strong>в</strong> а<strong>в</strong>густе 2009 г. <strong>в</strong> средст<strong>в</strong>ах массо<strong>в</strong>ой инфор-<br />
10 www.power-e.ru
Change language