Расчет параметров DC-шины

1.

Расчет параметров DC-шины
Содержание
1 Общие указания
2 Выбор типа конденсаторов
(Электролитические/Полипропиленовые)
3 Нормирование параметров DC-шины инвертора и
выпрямителя
4 Рекомендации по применению
Arendt Wintrich, Андрей Колпаков,
SEMIKRON
1

2.

Общие правила
Основное правило
0,06..08мФ на 1A of Iout (с учетом параллельного соединения C)
например: 1000A = 60…80мФ
70мФ 21 x 3.3мФ = 7 // конденсаторов на фазу, или
70мФ 15 x 4.7мФ = 5 // конденсаторов на фазу
Правило для параллельного соединения. Последовательное соединение
снижает Ctot в n раз (например, n=2 35мФ для VCC=800…900В; n=3
23мФ для VCC=1200…1350V
Однако:
правило справедливо только для эл-литов и не учитывает:
реальную нагрузочную способность конденсаторов;
рабочую температуру и срок службы
внедрение новых технологий конденсаторов
Для ПП конденсаторов удельная емкость на 1А примерно в 3 раза ниже
(без охлаждения), т.е. 0,02…0,03 мФ на 1А.
ESR примерно в 10 раз меньше, т.е. удельная емкость м.б. 0,006…0,008
на 1А с принудительным охлаждением.
2

3.

Нормы SEMIKRON для сборок SEMIKUBE
3

4. Критерии выбора

Напряжение
Номинальное напряжение (без перегрузки)
Пиковое напряжение
Способность к поглощению энергии в случае аварии (например, при выбеге
генератора или разряде индуктивности) вплоть до выключения
Величина “C”
Макс. допустимый ток (↔ Срок службы)
Стабильность DC напряжения (уровень пульсаций VDC)
Время разряда (условия безопасного сброса энергии)
Способность к поглощению энергии в случае аварии (например, при выбеге
генератора или разряде индуктивности) вплоть до выключения
Паразитные параметры
Экв. Сопротивление ESR → чем меньше ESR, тем ниже потери, выше
импульсные токи, выше рабочая температура
Экв. Индуктивность ESL → чем ниже ESL, тем ниже коммутационные
всплески напряжения
Срок службы
4

5. Выбор типа конденсатора

Электролиты:
Преимущества:
Выше удельная емкость
Выше ESR - демпфирование паразитных контуров
“Стандарт” для большинства низковольтных применений (< 800-900 Vdc)
При напряжении выше 400…500V → требуется последовательное соединение
Полипропилен:
Преимущества
Выше рабочее напряжение – не нужно последовательное соединение и
выравнивающие резисторы
Выше импульсные токи и надежность
Выше перегрузочная способность
Недостатки :
Ниже удельная емкость, при одинаковом объеме: Cpolyprop << Celectrolytic
Выше цена, вес и габариты (при одинаковой емкости), примерно
одинаковые показатели с учетом меньше удельной емкости
Выше EMI из-за меньшего ESR
5

6. Пример: Электролиты Hitachi

Dr. A. Wintrich; 24.12.2020
6

7. Параметр: Рабочее напряжение

Диапазон рабочих напряжений
Эл-литы: 350 …600В
Полипропилен: …2000В
Макс. напряжение DC-шины <= номинальное
напряжение конденсатора,
Перегрузка по напряжению существенно
сокращает срок службы
Для ПП конденсаторов нормируется уровень и
длительность перенапряжения
Пример: VCC(nom)= 1100В → 3 x 400В эл-лита
последовательно
Hitachi AIC, product
catalogue
7

8. Параметр: емкость “C”

Способность к поглощению энергии в аварийном режиме (разряд
индуктивности, выбег генератора, энергия не поступает в сеть)
Накопление энергии от генератора (ВЭУ) в DC шине до срабатывания
автомата защиты или аварийного байпаса
Пример: сброс 1МВт за 20 мс → E = 20.000 Вт с; Ctot= 23 мФ, VCC(t=0)
= 1100V
Какое будет напряжение VCC через 20 мс?
E
C
VCC ( t end )2 VCC ( t 0)2
2
→
VCC ( t end )
2 E
VCC ( t 0)2
C
VCC (t 20ms )
2 20kWs
1100V 2
23mF
VCC (t 20ms ) 1720V
Превышение макс. напряжения конденсаторов и Vces 1700В IGBT,
Возможные решения:
увеличение “C”,
Уменьшение времени реакции 5ms,
4 x C последовательно, SKiiP - off, мощность рассеивается через
аварийный байпасный ключ
8

9. Параметр: ток конденсатора (VSI)

Схема B6U + B6CI
Анализ режимов работы инвертора / выпрямителя
ICrms
Суперпозиция токов DC-шины инвертора и выпрямителя
Вариант: 4Q привод - 2 инвертора с общей DC-шиной
9

10. Расчет тока DC конденсаторов ШИМ-инвертора

Ток DC-шины (на частоте ШИМ) при Iout=100A в зависимости от cos(phi) и
DC-Link current
(PWM frequency)
for 100A output
коэффициента
модуляции
М current as
a function of cos(phi) and M
70
60
IC(rms) [A]
50
40
Cos(phi)=0,1
30
Cos(phi)=0,3
Cos(phi)=0,5
20
Cos(phi)=0,7
Cos(phi)=0,9
10
Cos(phi)=1
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Modulation Ratio M
IC(rms ) 3 M 2 cos( )
Iout(rms )
4
0.98 cos( )2 0.245
1
M cos( )2
При M=0.8 … 1, cos(f)=0.8 … 1 → IC(rms) = 55% Iout
Iout = 1000A → IC(rms) = 550A
10

11. Расчет срока службы для эл-лит. C

Срок службы 1 конденсатора = срок службы банка конденсаторов
Определяющий параметр надежности С: Ths - температура «горячей» точки
Оценка Irms 1 конденсатора в банке С
Производители определяют зависимость срока службы от тока RMS и Та
Пример: 400В “силовой” конденсатор Hitachi (12.000ч/105°C)
Source: Hitachi AIC, product catalogue
11

12. Пример расчета срока службы

40.000ч (4,5 года), полная нагрузка при Ta = 80°C
Source: Hitachi AIC, product catalogue
Ir/Ir(105°C) = Xi = 1,75
В режиме принудительного охлаждения допускается больший ток
12

13. Частотные характеристики ESR и IАС(rms)

ESR снижается с ростом частоты
Допустимый ток пульсаций Irms / fsw – растет (см. Datasheet):
Hitachi Xf(>1…10kHz)= 1.3 *Irms(120Hz)
Epcos Xf(> 3 kHz) = 2 *Irms(100Hz)
Source: Epcos, data sheet for Electrolytic capacitors with extremely high ripple current
Наивысшая амплитуда гармоник (100%-FFT) на частоте 2*Fsw
fout (основная частота) почти не влияет на ток DC-шины (< 5%)
13

14. Пример расчета DC емкости, эл-лит

Инвертор: Iout=1000A, 690VАС, Vcc=1100VDC
IC(rms)=0,55*Iout=550A
Частотный к-т Xf=1,3 (fsw>1kHz)
Токовый к-т Ir/Ir(105°C) = Xi = 1,75
Source: Hitachi AIC,
product catalogue
400
(450)
IC(nom)12,5A (@105°C,120Hz) на 1 конденсатор
ICop* = 12,5A * 1,3 * 1,75 =28,5A на 1 конденсатор (@ Ta=80°C, 3кГц)
n = 550A/28,5 = 19,3 // C → 7*C на фазу = 21*С
21*Сx 3.3мФ (7*С на фазу) = 70мФ (соответствует основному правилу!)
Vdc =1100B → 3 * C последовательно
3 x 21 = 63 конденсатора
Общая емкость = 3,3мФ * 21/3 = 23мФ
14

15. Пример расчета DC емкости, эл-лит

Инвертор: Iout=1000A, 690VАС, Vcc=1100VDC
IC(rms)=0,55*Iout=550A
400
(450)
Source: Hitachi AIC,
product catalogue
4,7мФ: ICop* = 18,3A * 1,3 * 1,75 =41,6A на 1 конденсатор = 13,2 // С parallel
n = 550A/41,6А = 13,2 // C → 5*C на фазу = 15*С
15*С (5*С на фазу) в параллель, 3*С последовательно
С = 4,7мФ*15/3=23мФ
120 x 24 x 13 cm³ = 37 л, 50 кг! (Без учета шин и крепежа)…
15

16. ПП конденсаторы, пример расчета 1

Source:
www.electronicon.com
C
IC(rms)
Lphase
Вес
Объем
T
Эл-лит
23мФ
550A
38nH
50 kg
37 л
40.000h
ПП
12x0.3мФ
=3.6мФ
ПП
16%
720A
13.3nH
12kg
13 л
Fit=250*10-9
131%
35%
24%
35%
1000%
Примечание
Уровень пульсаций напряжения?
Накопление энергии в аварийном
режиме?
При 80°C,1100V
16

17. ПП конденсаторы, пример сборки инвертора

•Сборка инвертора SKS B2 140 GD 69/12
Iout = 1400 Arms
Idc = 1800 A
Cdc = 8,1 мФ / 1250 В (0,006 мФ/А!), принуд. охлаждние
Срок службы LTE = 100.000 ч
Вес – 106 кг
Габариты – 203 х 513 х 1400
17

18. ПП конденсаторы, пример расчета 2

фазный банк конденсаторов
(4 fold SKiiP)
Source: Epcos,
product catalogue
C
Эл-лит
23мФ
ПП
3мФ
ПП
13%
Примечание
Уровень пульсаций напряжения?
Накопление энергии в аварийном
режиме?
IC(rms)
Lphase
Вес
Объем
T
550A
38nH
50 kg
37 l
40.000h
600A
15nH
13,5kg
11 l
80.000
110%
40%
37%
30%
200%
Ta=80°C
18

19. Ток конденсаторов 3-фазного выпрямителя

Ток DC-шины в зависимости от форм-фактора диода Fi
IC(rms )R
3
Iout( dc ) Fi 3
2
0.55
Fi
IDiode (rms )
IDiode ( av )
19

20. Форм-фактор Fi

Форм-фактор (sin форма сигнала) зависит от:
Емкости DC шины: меньше C → выше Fi
Индуктивности АС цепи (фильтры, трансформаторы): меньше L →
выше Fi
Индуктивности DС цепи (DC дроссели): меньше L → выше Fi
Схема выпрямителя (3-фазный, 1-фазный, неуправляемый,
управляемый)
Ток 1 диода, пример для IDC = 100A:
303.1
303.1
303.1
ID
D1.I ...
303.1
D1.I ...
D1.I ...
250.0
250.0
250.0
250.0
200.0
200.0
200.0
200.0
ID
ID
Fi=1.74
ID
Fi=1.88
150.0
150.0
100.0
100.0
100.0
50.0
50.0
50.0
150.0
0
10.00m
t
20.00m
150.0
030.00m
10.00m
40.00m
t
20.00m
Fi=2.6
100.0
50.0
-0.0
-0.0
-0.0
-0.0
Fi=2
030.00m
10.00m
40.00m
t
20.00m
0 30.00m
40.00m
10.00m
t
20.00m
30.00m
20

21. Общий ток конденсаторов DC-шины

Ток DC-шины выпрямителя рассчитывается с учетом частотного к-та, (например,
на 300Гц Xf(300Hz) = 1,1)
Наложение токов конденсаторов инвертора и выпрямителя, нормализованных
для номинальной частоты (100Гц или 120Гц в спецификации конденсатора)
2
ICrms
IInverter IRe ctifier
X
f (kHz ) Xf (300Hz )
2
Расчет с учетом срока службы С, как показано ранее
Общий ток ICrms определяет необходимое кол-во конденсаторов (кроме
других требований)
Если срок службы задан для определенной температуры корпуса
конденсатора Tc:
Расчет ICrms
Расчет потерь PC = ICrms2 * ESR
Расчет температуры TC = Rth * PC + Ta
21

22. Зависимость параметров от срока службы

Потеря емкости в процессе эксплуатации
-15% до окончания срока службы → 17% (=1/0.85) начальное значение
емкости д.б. выше расчетной C(t=0) = 1.17 * Crequired
1 год ?!
Source: Hitachi AIC, product catalogue
22

23. Основные рекомендации

Обеспечение надежности
Лучше использовать общий банк DC-конденсаторов для 3-фазного инвертора, в
противном случае (3 раздельных блока) возникают большие уравнивающие токи между
отдельными блоками конденсаторов (нужны копланарные соединения)
Параллельное соединение инверторов лучше, чем параллельное соединение IGBT в
фазе
DC предохранители между банками DC-конденсаторов параллельных инверторов
По возможности: 1 конденсатор (или последовательное соединение) на 1 полумостовой
модуль (или элемент – SKiiP, SKiM)
Требования по монтажу
Хороший отвод тепла: конденсаторы не должны быть близко друг к другу
Длинные корпуса с малым Ø лучше охлаждаются, чем короткие с большим Ø
Желательно использовать конденсаторы с дополнительным креплением в верхней
части
Исключение динамических нагрузок: динамометрические ключи, жесткие допуска на
отверстия, отсутствие тянущих усилий на терминалах
В документации иногда указывается предпочтительная ориентация в пространстве
Транспортировка / хранение / монтаж
В одном блоке лучше использовать конденсаторы из одной партии (распределение
токов)
Хранение в сухих, теплых помещениях не более года
Ежегодный реформинг (эл-литы)
23

24. Низкоиндуктивная DC-шина

Желательно - один конденсатор (или последовательное соединение) на
полумостовой модуль или элемент (SKiiP, SKiM) – см. следующий слайд
Прямые токовые пути, без углов и изгибов…
Копланарная DC-шина
Избегайте токовых петель (см. рисунок):
2 конденсатора последовательно
2 конденсатора параллельно
Неправильная конструкция
Правильная конструкция
2 // IGBT
Токовая
+ петля
+
+
--
--
+ +
+
2 // IGBT
-
++ -
+ -
-
-
-
+
+
-
+
+
-
Параллельные
токовые пути
24

25. DC-шина - внешняя паразитная индуктивность LS

37
+
31 +
-
+ 31
Capacitor
DC-Link
1 2 3 4
1
Modul
1 2 3 4
2
LS с учетом DCшины
↑↑
↑
↓
↓
Перенапряжение
↑↑
↑
↓
↓
Общая оценка
●

26. Снабберные конденсаторы

LDC+
DC+
LC
LESR
LSnubber
TOP
RESR
AC
CSnubber
C DC-Link
BOT
LDCDC-
Load
IGBT
Driver
LE
IGBT модуль
DC+, DC-, AC терминалы IGBT
L C, L E
паразитные L модуля
LDC+, LDC
паразитные L DC-шины
CSnubber
Емкость снаббера
LSnubber
Индуктивность снаббера
CDC-link
Емкость DC-шины
LESR, RESR
Паразитные L, R DC-шины
26

27. Типовые кривые VCE со снаббером и без него

Черный: без снаббера
Коричневый: со снаббером
DV1
DV2
Vcc
DV1 SL* di c / dt
DV2 (L C L E L Snubber )* di c / dt
DV3 LDC Link *i c
CSnubber
DV3
f
T/2
VCE = 200V/div
400ns/div
1
T 2* p
2
1
LDC Link *C Snubber
SL L C L E L DC L DC L ESR
LDC Link LDC LDC LESR
Dr. A. Wintrich; 24.12.2020
27

28. Емкость DC шины ячейки MLI

Входной источник питания может быть 3-фазным или
однофазным.
Рассматривается случай однофазной ячейки c 3-фазным
выпрямителем и 1-фазным выпрямителем с ККМ (частота
выходного напряжения Fout от 70 Гц до 1 Гц).
→
→
→
Номинальный ток ячейки Iout = 300А
Емкость DC (ПП) шины Cdc = 10 мФ 0,03 мФ/А
Согласуется с основным правилом для ПП конденсаторов

29. Напряжение и пульсаций емкости DC-шины

Выходной ток ячейки 300A_peak (Fout = 48Гц, номинальная
мощность), Fsw = 1кГц
Vdc
±2%
Iac
Cdc= 10мФ

30. Напряжение и пульсаций емкости DC-шины

Выходной ток ячейки 300Apeak при Fout = 2Гц
(10% номинальной мощности)
Vdc
±5%
Iac
Cdc= 10мФ

31. Емкость DC шины однофазной ячейки MLI

Требования по напряжению пульсаций определяют емкость
DC-шины, выходной ток ячейки также является важным
фактором при нормировании Cdc
Для однофазной ячейки MLI инвертора требуется такая же
емкость DC-шины, как для 3-фазной 2L инвертора
При использовании ККМ выпрямитель может быть 1-фазным
при такой же величине Cdc
→
→
→

32. Спасибо за внимание! Вопросы?

32