ملاحظات طراحی و انتخاب کلید ماژول IGBT (بخش دوم)

0
231
ملاحظات طراحی و انتخاب کلید ماژول IGBT (بخش دوم)
ملاحظات طراحی و انتخاب کلید ماژول IGBT (بخش دوم)
درنظر گرفتن ملاحظات دمایی در انتخاب کلید IGBT

همه IGBT ها بر اساس اضافه دما باید مشخص شوند. در دیتا شیت ها معمولاً ماکزیمم جریان عبور مداوم کلکتور در ۸۰ درجه سانتیگراد ارائه می شود. برای نقطه شروع این خوب است که ماکزیمم مقدار موثر جریان فاز ماشین برای انتخاب ماژول لحاظ کنیم. البته این جواب کلی نیست چرا که تلفات کلید زنی و فرکانس کلید زنی در نظر نگرفته شده است ولی نقطه شروع انتخاب خوبیست.

ولتاژ لینک DC

طراحی ولتاژ لینک DC بسیار حائز اهمیت است. این ولتاژ اغلب خروجی یک یکسو سازیست که به خروجی یک ماشین دوار (ژنراتور) متصل است تامین می شود . این ولتاژ با تغییر سرعت شفت ، تغییر می کند. با توجه به چشم انداز در حال تغییر سیستم های قدرت می بایستی از درایو های پر بازده ای که لینک dc ان از خروجی از پیش تنظیم شده یک تصحیح کننده ضریب توان PFC تامین می شود استفاده کرد. در یک مدار نوع boost ورودی بالاتر از خروجی می شود سیستم کنترل مبدل را دستور خاموشی می دهد. ولتاژ لینک DC ناشی از بایاس مستقیم دیود ها افزایش پیدا کرده و لینک DC دچار اضافه ولتاژ بر روی خود می شود. برای مثال اگر ولتاژ لینک DC از یک APU یا توربین نشئت می گیرد ، شرایط اضافه سرعت یک ماشین آهنربای دائم مستقیماً مرتبط با ولتاژ لینک DC است. اگر سرعت شفت توربین ۲ برابر شود با شرط اینکه ولتاژ استاتور به اشباع نرود ، متناسب با آن ولتاژ لینک DC نیز ۲ برابر می شود. در اصل، حداکثر ولتاژ مجاز ماژول باید بیش از حداکثر ولتاژ مورد انتظار از لینک DC با در نظر گرفتن حاشیه اطمینان باشد.

ولتاژ لینک DC

رنج فرکانس کلید زنی و فرکانس خروجی

بیشتر درایو ها در ورودی PWM خود از فرکانس کلید زنی بسیار بالاتر نسبت  به فرکانس پایه خروجی استفاده می کنند. فرکانس کریر یا کلید زنی به PWM اجازه می دهد که دیوتی سایکل را مجوله کرده و شکل موج سینوسی جریان تمیزی را ایجاد می کند. اما باید این را در نظر بگیریم که فرکانس کلید زنی بالاتر ، موجب تلفات کلید زنی بالاتر نیز می شود. استثناهایی وجود دارد. بعضی از ماشین ها و درایوها که دارای کوموتاسیون خودی  هستند،  کلید زنی در فرکانس کوموتاسیون الکتریکی ماشین اتفاق می افتد. تلفات کلید زنی در این ماشین ها بسیار کمک بوده اگر چه شکل موج خیلی سینوسی جریان ندارند. که از معایب آن ریپل گشتاور زیاد است.

عملکرد در ناحیه خطی

ممکن است یک جریان کلکتور بسیار بزرگ موجب عملکرد کلید در ناحی خطی باشد این ناحیه خیلی پراکنده است. قطعه ای که ولتاز Vce بزرگ و جریان کلکتور بزرگی دارد برای مدت طولانی می تواند برای قطعه فاجعه بار باشد. اصطلاحاً به این شرایط desaturation گفته می شود. بیشتر مدار های درایور گیت غالباً حفاظت desat دارند و معمولاً این حفاظت با دیود های کلید زنی و یک خازن شناور که از ولتاژ Vce در حالت روشن بودن نمونه گیری کرده و در حالت خاموشی از بالا رفتن ولتاژ جلوگیری می کند.

طراحی باس DC و انتخاب خازن

باس DC غالباً پایین ترین اندوکتانس ممکن در بین بانک خازنی و ماژول  برای حفاظت قطعه از گذراها دارد. به اضافه این که ریپل جریان اصلی از یک خازن با مقاومت ESR کم و ESL کم که در ترمینال های IGBT جای گرفته ، نشئت گرفته است. در بیشتر درایو ها ، اگر توان ورودی در یک نیم سیکل (۱۰ میلی ثانیه در EU و ۸٫۳ میلی ثانیه در US) قطع شده باشد ، درایو به کار خود ادامه می دهد ، که منجر می شود از بانک های خازنی بسیار عظیم استفاده شود. علاوه بر ذخیره انرژی کافی برای نگه داشتن درایو در شرایط عملکرد بار کامل  در شرایط یک وقفه کوتاه مدت توان ، بانک خازنی باید جریان قطب های (+ و -) اینورتر را تامین کند. با این وجود بانک خازنی  باید انرژی کافی را ذخیره کند و و ESR و ESL به اندازه کافی پایین باشد تا پیک جریان بدون خسارت بی اندازه به بار آورد. برای به حداقل رساندن نویز حاصل از اندوکتانس های پارازیتی ، قویاً توصیه می شود که خازن باس DC در سمت راست ترمینال های IGBT قرار بگیرد. خازن های بزرگتر می توانند در فواصل دورتر نسبت به باس DC قرار بگیرند ولی ریپل جریانی را در خروجی اینورتر تولید می کند . انتخاب خازن بزرگ می تواند تفاوت هایی را ایجاد کند.

محاسبه تلفات هدایتی و سوئیچینگ

در طراحی اینورتر ، شبیه بیشتر قطعات الکتریکی باید مشخصه ماکزیمم دمای پیوند IGBT در نظر گرفته شود. این IGBT ها در دیتاشیت خود مشخصه ماکزیمم دمای پیوند خود را ارائه داده است. برای ماندن در این مشخصه های دمایی ، باید ماکزیمم دمای محیط ، ماکزیمم دمای پیوند ، امپدانس حرارتی و تلفات قطعه ، بدانیم. محاسبات زیر بر اساس کار Graovac  و  Purshel  به صورت زیر است :

محاسبه تلفات هدایتی و سوئیچینگ

محاسبه تلفات هدایتی و سوئیچینگ

اگر m شاخص مدولاسیون باشد . برای نقطه شروع Eon ، Eoff ، Err و Vce sat در دیتاشیت با توجه به دمای کاری مورد استفاده در محاسبه تلفات باشد.  جریان فاز برای بدترین شرایط بار در نظر می گیریم .

طراحی حرارتی

با دانستن تلفات هدایتی و کلید زنی آماده طراحی حرارتی می شویم . طراحی حرارتی هدف ساده ایست . هیت سینک یا گرماگیر باید دمای قطعه را به اندازه زیر ماکزیمم دمای پیوند نگه داشته شوند. در یک ماژول تمام شده ، ما نمی توانیم دمای پیوند را اندازه بگیریم . دیتا شیت مقاومت پیوند R_thjc برای هر IGBT تنها رامی دهد. با توجه به ماژول تست شده در بالا ، اگر فرکانس کلید زنی ۴ کیلو هرتز ، جریان تحویل داده شده موثر هر فاز ۲۰۰ آمپر و شاخص مدولاسیون ۰٫۸۵ و ضریب توان نیز ۰٫۸ باشد :

طراحی حرارتی

 

 

 

منبع:گروه الکترونیک قدرت دانشگاه تهران

مطلب قبلیملاحظات طراحی و انتخاب کلید ماژول IGBT (بخش اول)
مطلب بعدیملاحظات طراحی و انتخاب کلید ماژول IGBT (بخش سوم)

پاسخ دهید

لطفا نظر خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید