Реализация защиты преобразователя частоты на основе динамической тепловой модели IGBT-модуля
Реализация защиты преобразователя частоты на основе динамической тепловой модели IGBT-модуля.
к. т. н. Анатолий Виноградов, Андрей Сибирцев, Илья Колодин
В статье представлена методика расчета температуры кристаллов IGBT-модуля, работающего в составе преобразователя частоты. Методика основана на информации о мгновенных значениях выходных токов, входного напряжения и вектора управляющих воздействий инвертора. Рассмотрена тепловая модель IGBT-модуля, позволяющая в реальном времени вычислять мгновенные значения температуры кристаллов, и тепловая защита преобразователя частоты, построенная на ее основе. Приведены результаты моделирования, натурного эксперимента и промышленного внедрения.
Введение
Выбор силовых полупроводниковых приборов, работающих в устройствах с большими кратностями перегрузок по току, в частности в высокодинамичных электроприводах переменного тока с векторным управлением, определяется, как правило, не номинальными значениями нагрузок, а необходимой перегрузочной характеристикой. Эта характеристика определяет зависимость величины тока перегрузки от времени ее действия при заданном температурном режиме работы преобразователя частоты. Важнейшим условием, определяющим надежность преобразователя, является наличие защиты его силовых ключей от теплового разрушения при токовых перегрузках. Наиболее эффективная защита ключей реализуется на основе контроля температуры их кристаллов. Так как непосредственное измерение температуры кристалла произвести весьма проблематично, то защита преобразователя обычно создается на основе контроля температуры в других точках: на охладителе в непосредственной близости от силового модуля, либо с помощью встроенного в модуль датчика, измеряющего температуру корпуса (керамической подложки). Очевидно, что вследствие инерционности датчиков температуры и наличия переходных тепловых сопротивлений «охладитель — корпус» и «корпус — кристалл», контроль температуры в указанных точках может эффективно защищать модуль только при относительно длительных перегрузках с небольшими перегрузками по току. Реализация время-токовой защиты по широко известному критерию _I2dt в случае с кратковременными перегрузками IGBT также не способна защитить кристалл от теплового разрушения. В результате приходится ограничивать допустимую величину перегрузки по току на заведомо заниженном уровне, чтобы кратковременные пики тока, не отслеживаемые датчиком температуры, не приводили к тепловому разрушению кристалла, либо выбирать модули с неоправданно большим запасом. Существенно расширить диапазон допустимых токовых перегрузок (в некоторых режимах работы электропривода более чем на 50%) позволяет построение температурной защиты преобразователя частоты на основе динамической модели тепловых процессов модуля. Методология и алгоритмы расчета потерь в элементах модуля и температуры кристаллов достаточно хорошо изложены в публикациях ведущих производителей IGBT, таких как EUPEC, SEMIKRON, Mitsubishi, и в других работах [1–3]. В настоящее время ведущие фирмы распространяют на своих сайтах программы для автоматического теплового расчета и выбора IGBT-модулей — IPOSIM, SEMISEL, MelcoSim [4]. Эти программы и положенные в их основу алгоритмы расчетов специально разрабатывались для автоматизации анализа теплового состояния силовых ключей и процесса выбора модуля на этапе проектирования изделия по наиболее напряженному квазиустановившемуся тепловому режиму. Программы оснащены хорошими средствами визуализации входных данных и результатов расчета. Результаты тепловых расчетов представляются в виде набора функциональных зависимостей потерь, температур, предельных выходных токов IGBT-модуля от режима его работы. В качестве исходных данных задаются тип модуля и его корпуса, а также интегральные характеристики выбранного установившегося режима работы: действующее значение выходного тока; диапазон частот основной гармоники выходного напряжения; частота ШИМ; входное напряжение инвертора; коэффициент модуляции; cos(ϕ) нагрузки; температура корпуса. Если в тепловой расчет входит выбор системы охлаждения, как у фирмы SEMIKRON, то дополнительно задаются необходимые для этого параметры, а именно: температура окружающей среды; количество ключей и параллельно соединенных модулей на одном радиаторе; способ охлаждения; скорость воздуха или жидкости в системе принудительного охлаждения; тепловое сопротивление «теплосток — окружающая среда». Однако принятый в этих моделях алгоритм вычислений, основанный на задании интегральных параметров установившегося режима работы, и, тем более, форма представления результатов, получаемых в процессе расчетов, не удобны для построения температурной защиты IGBT-модуля по следующим причинам:
Эффективная тепловая защита должна в реальном масштабе времени учитывать изменения всех основных параметров, влияющих на мгновенное значение температуры кристалла, во всех возможных режимах работы привода — как в статических, так и в динамических.
В реальном частотно-регулируемом электроприводе частота основной гармоники, выходной ток, коэффициент модуляции, cos(ϕ) являются переменными величинами, изменяющимися в широких пределах.
Частота модуляции в современных приводах также является переменной. В системах с жестким законом формирования ШИМ [5] она доступна для изменения пользователю в широких пределах (от единиц до десятков килогерц). В системах с релейным способом формирования ШИМ, в частности, в системах прямого управления моментом и в системах с релейным контуром тока [6], понятие фиксированной частоты модуляции вообще отсутствует.
Тепловая защита должна учитывать особенности конкретного алгоритма формирования ШИМ и ограничения, связанные с «неидеальностями» динамических свойств силовых ключей [5] и системы управления.
