Моточные изделия в преобразователях высокой мощности

Одной из основных тенденций современной силовой электроники является повышение плотности тока и эффективности при одновременном снижении размеров преобразовательных устройств. Поскольку индуктивности относятся к элементам, запасающим энергию и рассеивающим мощность, их габариты вносят существенный вклад в общие показатели. Увеличение плотности тока конвертера невозможно без снижения массо-габаритных характеристик фильтров, что достигается путем оптимизации их конструкции, использования передовых материалов и технологий, перехода на более высокие частоты с соответствующим уменьшением индуктивности.

Уменьшить габариты фильтрующего модуля помогает встроенная система жидкостного охлаждения, когда проводящие каналы располагаются внутри сердечника, а не на его поверхности, как делается в большинстве случаев. Подобное решение позволяет получить максимальную эффективность охлаждения, благодаря чему фильтры Nidecon при аналогичной или даже большей величине мощности легче и меньше аналогов.

Моточные изделия Nidecon с воздушным охлаждением отличаются отсутствием зон локального перегрева и, соответственно, улучшенными мощностными характеристиками благодаря секционной конструкции сердечника и обмоток. Инновационная конструкция обмоток Nidecon позволяет не только улучшить отвод тепла, но и уменьшить высоту сердечника, а также существенно снизить вес изделия и его стоимость по сравнению со средними показателями.

Благодаря модульной конструкции фильтров с воздушным охлаждением поток воздуха может свободно проходить через секции обмоток и сердечника (рис. 1). При этом исключается возможность возникновения зон локального перегрева, что свойственно элементам традиционной конструкции, в которых повышение температуры ленточной обмотки может привести к повреждению изоляции. Наличие воздушных зазоров в сердечнике приводит к высокой локальной концентрации потерь, вызванных краевыми потоками. Они приводят к дальнейшему повышению температуры слоев и ухудшению изоляционных свойств. Все описанные эффекты полностью исключены в моточных изделиях Nidecon.

Рис. 1. Концепция воздушного охлаждения Nidecon, сравнение с традиционным решением

Встроенная система охлаждения имеет еще одно преимущество: генерируемое фильтром тепло отводится непосредственно в охлаждающую жидкость.

Как правило, основные усилия разработчиков направлены на снижение статических и динамических потерь силовых ключей преобразователя. Рассеяние мощности в LC- и LCL-цепях составляет в среднем, соответственно, 0,2–0,65% и 0,5–0,8% от общего значения. В основном это потери в сердечнике и обмотках, причем во втором случае они состоят из DC и высокочастотной составляющей, обусловленной скин-эффектом и эффектом близости. Их негативное действие может быть сведено к минимуму за счет применения новой концепции конструирования обмоток и тщательной проработки их топологии. Потери в материале сердечника имеют нагрузочную и частотную компоненту, их снижение достигается путем применения новейших материалов и, как и в предыдущем случае, оптимизацией конструкции.

Компактность сердечников в фильтрах Nidecon обусловлена упомянутой выше наборной конструкцией обмоток. Улучшение массо-габаритных показателей моточных изделий может достигаться за счет перехода на более высокие частоты коммутации, однако при этом пропорционально растут и потери в индуктивностях. Однако использование новой конструктивной концепции позволяет и в этих условиях существенно снизить мощность рассеяния.

В общем случае предельные частотные характеристики моточных изделий ограничены свойствами материала сердечника. Потери, возникающие в фильтрах при высоком значении проходной мощности, могут привести к перегреву конструктивных элементов. При проектировании фильтров Nidecon ставилась задача непосредственного отвода выделяемого тепла в охлаждающую жидкость. Основная проблема при этом состоит в том, что теплоноситель может поглотить не более 60% потерь, выделяемых на поверхности, а оставшиеся 40% идут на нагрев окружающей среды. Соответственно, необходимо предпринимать дополнительные меры по охлаждению внутреннего пространства преобразователя, поскольку его мощностные характеристики снижаются пропорционально температуре.

Применение интегрированной системы жидкостного охлаждения позволяет отвести 90–95% рассеиваемой фильтром мощности, в результате чего улучшаются тепловые режимы, повышается выходная мощность и надежность работы конвертера (рис. 2). Снижение рабочей температуры также способствует улучшению свойств изоляционных материалов и повышению их долговечности.

Рис. 2. Компактность фильтров Nidecon позволяет размещать их в общем шкафу с конвертером

Компактность фильтров Nidecon обеспечивает также их высокую коррозионную стойкость, обусловленную малой площадью подвергаемой коррозии поверхности. Этому способствует и модульная конструкция изделий, поскольку даже если поверхность одного из элементов начинает окисляться, процесс не распространяется на весь фильтр. Эта проблема хорошо известна пользователям моточных изделий с шихтованными сердечниками, коррозия в которых распространяется вдоль пластин между изолирующими слоями.

Проблемы интеграции

Как правило, для размещения LC/LCL-фильтра в шкафу с оборудованием требуется дополнительный отсек. Зачастую первая из L-компонент находится в одной части шкафа, а конденсаторы и вторая L-компонента по конструктивным соображениям устанавливаются в другой. В этом случае между секциями необходимо организовывать электрические соединения и протягивать каналы жидкостного охлаждения, что требует увеличения внутреннего объема шкафа.

Благодаря компактности и гибкой модульной конструкции моточных изделий Nidecon (LC, LCL, dU/dt) они могут размещаться в общем объеме с силовым преобразователем. При этом обеспечивается минимальная длина электрических соединений и появляется возможность организовать общую систему жидкостного охлаждения фильтра и конвертера, что является очевидным преимуществом. В зависимости от выделенного объема и требований заказчика фильтрующий модуль проектируется для вертикальной или горизонтальной установки.

Компания SEMIKRON выбрала базовые конструктивы моточных изделий Nidecon в качестве стандартных, проектирование силовых сборок SEMISTACK производится с учетом их размеров и вариантов размещения. Теперь при выдаче технического задания на преобразовательное устройство заказчик имеет возможность определить требования не только к силовой секции, но и к блоку фильтра.

Топология выводов компонентов Nidecon разрабатывается с учетом простоты и минимальной длины соединений с силовой секцией. При этом отпадает необходимость в применении тяжелых горизонтальных шин и сокращается количество цепей, облегчаются монтажные операции. Упрощается и вопрос изоляции шин, поскольку при минимальной длине и согласованном расположении выводов не нужны проходные/переходные связи. Еще одним преимуществом согласованной топологии соединений является высокая стойкость к вибрационным и ударным воздействиям, а также снижение механической нагрузки на терминалы силовых модулей.

Типовой проблемой, возникающей при использовании длинных шин, является большое тепловыделение и, соответственно, дополнительный нагрев внутреннего пространства шкафа. В ряде случаев для их охлаждения приходится устанавливать отдельные вентиляторы. Сокращение длины соединений дает возможность решить эту проблему, при этом также уменьшается площадь распространения гармонических токов, неизбежно образующихся в изделиях подобного класса. Наличие распределенных индуктивностей у длинных линий приводит к появлению EMI- шумов и коммутационных перенапряжений. Проблема минимизации паразитных элементов встает особенно остро с ростом плотности мощности.

Интеграция и повышение надежности

Электронный конвертер и фильтрующий блок работают в наиболее напряженных тепловых режимах, поэтому к ним предъявляются одинаково высокие требования по надежности. Компании SEMIKRON и Nidecon решают эту проблему за счет интеграции фильтра в состав силовой сборки, надежностные показатели изделия в этом случае улучшаются, поскольку оба элемента изначально проектируются для совместной работы. Для заказчика очень важно, что получаемое изделие полностью разрабатывается, производится и тестируется одним поставщиком, отвечающим за его характеристики. При этом задачей пользователя является только отработка алгоритмов управления, после чего система готова к эксплуатации.

Совместная разработка важна для лучшего понимания задачи и ее успешного решения техническими специалистами обоих компаний. Поиск наилучшего варианта конструкции, формирование технических требований к силовой секции и фильтру идет в интерактивном режиме, например при выборе IGBT всегда учитывается частота коммутации, определяющая мощность динамических потерь и температуру перегрева. Не менее важен этот параметр и для анализа тепловых режимов моточных изделий. Оптимизация характеристик в ходе совместного проектирования становится предельно корректной, поскольку она основана на оценке суммарной величины рассеиваемой мощности. Только в этом случае удается обеспечить минимальный перегрев изделия и, соответственно, его высокий ресурс в заданных условиях эксплуатации.

Заключение

В 2012 г. фирма SEMIKRON International, один из мировых лидеров рынка силовой электроники, приобрела финскую компанию Nidecon Technologies Oy, специализирующуюся на разработке и производстве высококачественных фильтров для мощных приводов и возобновляемых источников энергии.

Компания Nidecon владеет передовыми технологиями производства моточных изделий для силовой электроники. С момента основания в 2006 г. Nidecon занимается разработкой и изготовлением на заказ пассивных фильтров для мощных приводов, в том числе высокоскоростных, а также преобразователей возобновляемых источников энергии. Линейка продукции включает LC/LCL- и dU/dT-фильтры, уравнивающие ректоры и дроссели для пассивных корректоров коэффициента мощности (рис. 4), рассчитанные на диапазон токов 4–2000 А.

Рис. 4. Фильтры Nidecon — конструктивы

На выставке PCIM-2012 компанией SEMIKRON была представлена новая концепция конвертера со встроенным фильтром, предназначенного для применения в энергетических установках высокой мощности. Сборка SEMISTACK RE (рис. 3) представляет собой преобразователь на базе интеллектуальных модулей (IPM) SKiiP 3 или 4 поколения, содержащих силовой каскад, схему управления и защиты, датчики тока и температуры, а также радиатор. Широкий диапазон топологий схем, простота параллельного соединения позволяют применять эту сборку в приводах и конвертерах различных энергетических систем.

Рис. 3. Компактность фильтров Nidecon позволяет размещать их в общем шкафу с конвертером

Возможность интеграции фильтров в едином шкафу с силовым преобразователем позволяет создавать изделия, отличающиеся высоким уровнем надежности и функциональной насыщенности, а также хорошей электромагнитной совместимостью.

Литература

1. Salomaki J. More reliability by high integration // Bodo’s Power System. Aug, 2012.
2. Колпаков А. Моточные изделия Nidecon в силовых сборках SEMIKRON // Компоненты и технологии. 2012. № 7.
3. http://www.nidecon.com