Почему солнечной энергетике нужна высокая частота коммутации
Ветроэнергетика вплотную подошла к своему технологическому потолку, а вот солнечные энергетические установки (СЭУ) продолжают быстро развиваться: совершенствуются и сами фотогальванические элементы, и управляющая электроника. Концепция построения СЭУ малой и средней мощности — менее 250 кВА — была отработана на популярной европейской серии преобразователей String inverter.
Основной способ поднять КПД в этом классе устройств — увеличить рабочую частоту. Это снижает так называемые «потери в меди» и заметно упрощает конструкцию выходного фильтра. Дополнительный выигрыш даёт последовательное соединение фотогальванических элементов солнечных батарей: система работает эффективнее.
Плата за высокую частоту — рост динамических потерь IGBT и перегрев кристаллов. До недавнего времени считалось, что надёжная работа силовых ключей гарантирована при температуре чипа до 150 °C. Современные технологии раздвинули диапазон до 175 °C, но у новых кристаллов несколько выше тепловое сопротивление, так что простого выигрыша тут нет. Компромисс приходится искать на уровне схемотехники.
Принцип многоуровневой схемы и топология NPC
Один из путей решения — переход к 3-уровневым схемам (3 Level, 3L). Ещё недавно такие устройства собирали исключительно из стандартных полумостовых ключей и чопперов.
Идея любой многоуровневой схемы проста: модули или ячейки соединяются последовательно, и за счёт этого напряжение питания устройства может превышать рабочее напряжение отдельного ключа. Раньше такой подход применялся только в мощных преобразователях на высоковольтных IGBT 33 класса и выше, но он работает и со стандартными модулями. Результат — «многоступенчатый» выходной сигнал: уровень гармонических искажений резко падает, а от дорогих и громоздких выходных фильтров можно отказаться. Разумеется, все силовые ключи при этом должны управляться гальванически изолированными сигналами.
На рис. 1 показаны типовые схемы 2-уровневого и 3-уровневого инверторов. Оба устройства работают в режиме модуляции частоты и напряжения. В классическом варианте выходное напряжение принимает лишь два равных по амплитуде значения: -VDC или +VDC. Топология 3L формирует сигнал, каждая полуволна которого складывается из трёх уровней (0, VDC/2, VDC).
С точки зрения самого DC/AC-преобразования обе схемы делают одно и то же: питаются от шины постоянного тока и формируют переменное напряжение заданной частоты. Различие — в аппаратной реализации: в количестве IGBT, диодов и конденсаторов и в способе управления.
Стойка 3-уровневого преобразователя выполнена по «схеме со связанной нейтралью» — NPC (Neutral Clamping Point). В неё входят четыре последовательно соединённых IGBT/FWD и два фиксирующих диода, подключённых к искусственной средней точке (MP). В обычном инверторе ключи коммутируются между выводами DC-шины, здесь же мгновенное напряжение на закрытом IGBT равно половине VDC — соответственно, и конденсаторы звена постоянного тока рассчитываются на VDC/2.
Полная трёхфазная 3L-схема содержит 12 силовых ключей. Сигнал каждой фазы переключается между уровнями +VDC/2, 0 и -VDC/2, а напряжение на транзисторе ограничено величиной VDC/2, поскольку каждый IGBT связан со средней точкой через два фиксирующих диода.
Зачем понадобились специализированные модули
В 3-уровневой стойке существует несколько путей коммутации тока. Самый короткий идёт от фиксирующего диода к IGBT, подключённому к шине питания, самый длинный проходит через три последовательных транзистора и диод. Чтобы переходные перенапряжения и динамические потери были минимальны, ток по любому из этих путей должен идти кратчайшей дорогой, а сами цепи коммутации в разных направлениях желательно сделать симметричными. Выполнить эти требования можно только тогда, когда кристаллы внутри модуля соединены в соответствии с 3L-топологией.
Именно на это и рассчитаны специализированные компоненты: при их проектировании основное внимание уделялось оптимальному размещению чипов на изолирующей подложке и удобству подключения к внешним терминалам. Силовые ключи в конфигурации MLI рассчитаны на предельное напряжение 600 В при диапазоне рабочих токов 50-400 А, а в их состав входят быстродействующие фиксирующие диоды, без которых схему 3L не построить. Применение таких модулей упрощает конструкцию, улучшает динамические характеристики и снижает общую стоимость изделия.
Специализированные IGBT, вобравшие многолетний конструкторский опыт SEMIKRON, предназначены для компактных 3-уровневых инверторов. Топология внутренних соединений обеспечивает кратчайший путь коммутации тока, а значит — минимальные распределённые индуктивности силовых цепей и симметричную работу транзисторов.
Второе достоинство этих модулей — удачное расположение силовых терминалов. На рис. 3 показана силовая секция инвертора мощностью 150 кВт: она собрана всего на трёх специализированных IGBT, соединённых 3-слойной копланарной DC-шиной.
Номенклатура модулей выпускается в конструктивах SEMITOP и SEMITRANS. В сводной таблице для каждого прибора приводятся: IC — номинальный ток коллектора, VCE(sat) — напряжение насыщения, EON+EOFF — суммарная энергия потерь и Rth(j-s) — тепловое сопротивление «кристалл-теплосток».
Управление: ШИМ для многоуровневой схемы
Методы управления классическими инверторами переносятся на многоуровневые схемы почти без изменений. Чаще всего ШИМ-сигнал формируется сравнением с опорным напряжением треугольной формы — это минимизирует гармонические искажения. Общее правило: количество опорных сигналов несущей частоты равно L-1, где L — число уровней преобразователя. Значит, для управления одной фазой 3L-инвертора нужны два высокочастотных треугольных сигнала и один синусоидальный сигнал основной частоты.
Концепций формирования ШИМ три, и различаются они фазовыми соотношениями между опорными напряжениями:
- APOD (Alternative Phase Opposition Disposition) — соседние опорные треугольные сигналы сдвинуты по фазе на 180°.
- POD (Phase Opposition Disposition) — на 180° сдвинуты треугольные сигналы, лежащие в положительной и отрицательной области относительно нулевого потенциала.
- PD (Phase Disposition) — синфазные треугольные сигналы расположены в положительной и отрицательной области относительно нуля.
Первые два варианта дают минимальные пульсации тока нагрузки, но на практике чаще применяют самую простую концепцию PD: она обеспечивает низкие искажения формы линейного выходного напряжения. Эпюры несущих треугольных и основного синусоидального сигналов для этого случая, а также токи IGBT и диодов показаны на рис. 4.
Потери: 3L против классического полумоста
Сравнение проводилось между схемой на специализированных 600-вольтовых ключах и схемой на стандартных модулях 12 класса, причём для каждого случая значения резисторов затворов RGon/RGoff были оптимизированы. Сам по себе переход на чипы с меньшим рабочим напряжением уже выгоден: у них ниже потери проводимости и переключения и выше быстродействие.
Общий уровень рассеиваемой мощности одного плеча у схемы 3L оказывается заметно ниже. Если рассматривать процесс коммутации между Q2 и Q3, то потерями переключения транзисторов Q2 и Q3 можно пренебречь; невелики и потери проводимости диодов D1 и D4, поскольку ток Q1 замыкается через диод D5, а ток Q4 — через D6. По данным сравнительной таблицы, на частотах свыше 10 кГц 3-уровневый инвертор обеспечивает более высокую эффективность преобразования. Основные формулы для расчёта потерь проводимости и переключения для 2L- и 3L-схем сведены в отдельную таблицу.
Зависимость мощности, рассеиваемой в одном плече, от частоты переключений Fsw показана на рис. 5. В качестве референтной взята частота коммутации 20 кГц — она лежит выше порога слышимости. Графики показывают, что преимущество 3L-схемы по потерям растёт вместе с частотой.
Сильные и слабые стороны 3-уровневой концепции
Рост рабочей частоты позволяет упростить и удешевить выходной фильтр, а вместе с ним уменьшить габариты и стоимость всей системы. Более высокое напряжение DC-шины при соответствующем снижении выходного тока дополнительно сокращает суммарные потери мощности. Высоковольтная 3-уровневая схема сложнее в реализации, но по комплексным затратам 3L-инвертор на специализированных модулях выигрывает и технически, и экономически: сами 600-вольтовые ключи примерно на 25% дешевле стандартных полумостов 12 класса, а конфигурация MLI упрощает конструкцию соединительных шин и инвертора целиком.
Минусы тоже есть. Алгоритм управления IGBT сложнее, а каналов контроля требуется вдвое больше — 12 вместо 6. Для работы на высокой частоте драйвер затворов должен иметь малое время реакции, а «мёртвое время» приходится сокращать, иначе не получить линейного управления системой и не снять лишнюю нагрузку с контроллера. Мониторинг напряжения DC-шины тоже усложняется: звено постоянного тока состоит из двух частей.
Зато с защитными функциями проблем не возникает: ситуация прямого КЗ силового каскада в такой схеме исключена. Нужно лишь контролировать последовательность включения IGBT, чтобы полное напряжение питания не оказалось приложено к одному ключу.
Отдельно стоит отметить электромагнитную обстановку. В обычном полумостовом каскаде переключение напряжения 800 В происходит примерно за 100 нс, что соответствует скорости коммутации 8 кВ/мкс. У 3L-инвертора при том же VDC = 800 В на ключах присутствует лишь половина этого напряжения, переключение идёт вдвое быстрее и на разных временных интервалах — требования к фильтру EMI оказываются существенно ниже.
Где это применяется
Максимальная эффективность солнечных энергетических станций средней мощности (250 кВА) достигается на частотах свыше 20 кГц; те же режимы предпочтительны и для ИБП. Именно здесь 3-уровневые схемы наиболее целесообразны, и их уже применяют многие ведущие мировые производители, в первую очередь азиатские.
Главные достоинства 3-уровневой топологии — низкий уровень потерь и близкая к синусоидальной форма выходного сигнала. Меньшая рассеиваемая мощность означает более скромные требования к системе охлаждения и больший срок службы силовых ключей, а специализированные IGBT позволяют строить компактные устройства с хорошими техническими и экономическими показателями.
Литература
- Pluschke N., Grasshoff T. More efficiency for 3-level inverters. SEMIKRON International. 2009.
- Holmes G. Pulse width modulation for power converters: principle and practice.
- Tomta G., Nielsen R. Analytical Equations for Three Level NPC Converters / 9th European Conference on Power Electronics and Applications. EPE 2001.
Файлы к статье
