Inverter 3-livelli per Ups più affidabili

MOSFET E IGBT –

Efficienza, stress termico ridotto e ridotte dimensioni pongono la configurazione tre-livelli al top nelle applicazioni Ups. Questa nuova configurazione 3L è supportata da Semitop, una piattaforma affidabile e di facile uso.

Oggi un numero sempre crescente di applicazioni deve continuare a lavorare anche nel caso in cui la rete di alimentazione esibisca una bassa qualità a causa di abbassamenti di tensione, corto-circuiti o interruzioni temporanee. Ad esempio, installazioni elettroniche, data center, sistemi di sicurezza e di controllo, hanno bisogno di essere alimentati continuamente per evitare perdita di produttività e interruzioni. Un’interruzione, ad esempio, incide sulla continuità dei dati d’azienda con una possibile perdita di informazioni sensibili impattando sulle attività aziendali e sul profitto. Il giusto modo per proteggere queste applicazioni è l’utilizzo dei sistemi Ups (Uninterruptible Power Supply); la sfida di oggi è quella di assicurare la protezioni totale verso il carico (e questo si può realizzare solo utilizzando sistemi a doppia conversione) e minimizzare il costo totale di possesso alla massima efficienza di conversione.

I requisiti degli Ups
I sistemi Ups lavorano normalmente nelle condizioni operative più diverse. I requisiti standard richiedono, per esempio, una variazione della temperatura ambiente tra 0 e 40 °C, con umidità relativa fino al 95% senza condensazione, e una temperatura di stoccaggio tra -20 °C e +70°C. Tali condizioni dovrebbero essere soddisfatte, così come gli obiettivi di riduzione dei consumi e ottimizzazione delle prestazioni. Gli Ups standard hanno di solito uno stadio di conversione Dc/Ac che normalmente è un inverter trifase a Igbt (più tardi indicato anche come 2L) o una configurazione tre-livelli a Igbt (più tardi indicato anche come 3L). La configurazione tre-livelli si sta particolarmente affermando nel mercato Ups e molti clienti richiedono questa configurazione, poiché è ormai riconosciuto da tutti il vantaggio che essa offre nel ridurre i consumi energetici . La piattaforma Semitop è in grado di soddisfare i requisiti menzionati: è una soluzione compatta senza baseplate e con una sola vite di montaggio al dissipatore. L’affidabilità nel lungo periodo è dovuta alla tecnologia di contattazione a pressione SKiiP. Il principio di base è piuttosto semplice: una sistema di pressione meccanica pressa il Dcb (Direct copper bonding, che contiene i chip saldati e bondati) sul dissipatore senza necessità di saldatura. Questo sistema assicura una distribuzione di pressione ottimale nella connessione termica tra modulo e dissipatore; è possibile una riduzione della resistenza termica (Rth,j-s) fino al 30% rispetto ai moduli standard. La struttura finale caratterizzata da pochi strati in contatto tra loro (solo ceramica e silicio) con coefficienti di espansione termica (CTE) molto vicini tra loro assicura ridotti stress meccanici tra le parti stesse durante i cicli termici, garantendo in tal modo una lunga affidabilità. Questa affidabilità garantisce un bassissimo tasso di fallimento nei sistemi Ups, che a sua volta si traduce in ridotti costi di manutenzione. La piattaforma Semitop è adatta per integrare le soluzioni tre-livelli nelle applicazioni Ups nel range di potenza 5-40kVA. Le piattaforme Semitop3 e Semitop4 possono integrare un ramo di inverter tre-livelli in un solo modulo. In questo modo, sono necessari solo tre moduli per realizzare una soluzione trifase basata su inverter tre-livelli.
Le due piattaforme integrano Igbt 600 V da 20A a 150°.
Il gruppo Socomec Ups lavora da più di 40 anni nella progettazione di sistemi Ups. L’obiettivo aziendale è quello di progettare applicazioni che evitino l’interruzione dell’alimentazione di sistemi critici come sistemi IT, processi industriali, luci di sicurezza e sistemi di sicurezza. Il cliente utilizza il Semitop4 per realizzare le ultime configurazioni di Ups, in particolare l’SK75MLI066T e l’SK150MLI066T che funzionano ormai da 4 anni nelle loro soluzioni nel range di potenza 10-40 kVA e con un fattore di potenza pari a 0.9
Sicon ha condotto una serie di test molto positivi su questi moduli confermando i benefici di tale configurazione; i report tecnici, la caratterizzazione termica e i test di efficienza hanno confermato le ottime prestazioni del prodotto. Tali benefici si possono raggruppare in quattro categorie: prestazione del modulo, vincoli dimensionali e perdite, complessità di realizzazione del driver ed efficienza.

Le prestazioni del modulo
Un inverter 3L richiede un elevato numero di switch: 4 Igbt e 6 diodi. Le induttanze parassite tra i diversi chip devono essere minimizzate per evitare pericolose sovratensioni che possano limitare l’uso dell’applicazione o richiedere l’uso di reti snubber. I sistemi Ups gestiscono sia potenza attiva che reattiva; la corrente è sia in fase con la tensione (positiva) che in opposizione di fase (negativa).
Le aree in verde sono quelle da minimizzare per evitare le sovratensioni. Nel range di potenza 10-40kVA si richiede un valore di induttanza parassita di circa 10nH. Il Semitop4 è un modulo compatto (60 x 55 mm) con una altezza di soli 12 mm; sono necessari solo tre moduli per realizzare una configurazione 3L trifase. È possibile in tal modo ridurre le induttanze parassite, in particolare le induttanze disperse, dei percorsi di commutazione; perciò le reti snubber che aumenterebbero la complessità circuitale e ridurrebbero l’efficienza complessiva non sono necessarie.

Vincoli dimensionali e perdite
Gli Ups hanno un pacco batterie che è progettato per fornire al carico l’energia immagazzinata per un determinato periodo di tempo. Le dimensioni del pacco batterie dipendono dalla potenza di uscita dell’Ups; per la medesima potenza di uscita è chiaro che le dimensioni finali di un Ups integrante un inverter standard e quello integrante una soluzione tre-livelli sono le stesse. I benefici più grandi derivano dalla tecnologia del chip e dalla configurazione circuitale. Grazie al principio di connessione elettrica della configurazione 3L e per lo stesso valore del Dc-bus, la configurazione 3L richiede chip da 600 V anziché da 1200 V come accade per un inverter trifase standard. Lo stress di tensione sull’Igbt è quindi ridotto, assicurando in tal modo l’affidabilità dell’applicazione. La potenza dissipata (più bassa che in una configurazione 2L) è divisa tra 4 Igbt e 6 diodi piuttosto che tra 2 Igbt e 2 diodi come nel caso dell’inverter 2L. Questo comporta una variazione della temperatura ridotta e una distribuzione uniforme della stessa, con conseguente riduzione dello stress termico per il chip. In condizioni operative, il cliente ha misurato una variazione della temperatura di giunzione dell’Igbt più bassa. Il silicio è pertanto soggetto a minore stress migliorando le prestazioni del power cycling. Di conseguenza i chip esibiscono un tempo vita maggiore rispetto a una soluzione trifase standard. Tutto ciò porta ovviamente a una migliore efficienza globale del silicio dal punto di vista termico. La complessità di realizzazione della dissipazione del calore è ridotta: il dissipatore misura giusto 400 x 160 mm ed è perciò più compatto della precedente soluzione trifase. Anche il sistema di raffreddamento è migliorato, utilizzando ventole più piccole e riducendo di conseguenza il consumo di energia e il rumore delle ventole stesse. La configurazione tre-livelli produce una riduzione dello stress del banco di condensatori, aumentando il tempo vita degli stessi. Questo è un chiaro beneficio dettato proprio dalla configurazione tre-livelli poiché i diodi esterni sono connessi al punto centrale del banco stesso. Durante il funzionamento, il filtro di uscita ed il carico sono connessi al punto centrale. Se tale punto non fosse connesso al neutro, la corrente Dc sarebbe richiamata attraverso il Dc link, producendo cicli di carica e scarica dei condensatori. Questo è di fatto il principio operativo di un inverter standard. L’inverter tre-livelli ha un punto centrale per la connessione del neutro; tutta l’energia immagazzinata dal condensatore è totalmente trasferita al carico, evitando in tal modo i cicli di carica e di scarica. La corrente e la tensione di uscita sono caratterizzati di distorsione armonica. Le applicazioni Ups richiedono un THD(I) e THD(V) <2% per la connessione alla rete elettrica. Il THD si riduce con l’uso di filtri appropriati. Sicon è stata in grado di ridurre la dimensione del filtro fino al 50% rispetto a una soluzione trifase standard per la medesima potenza di uscita. La riduzione delle dimensioni del filtro significa riduzione di peso; le perdite nel ferro sono più basse grazie al ridotto v·∂t (= L·∂i) applicato all’induttanza di filtro. Questo comporta una riduzione totale del peso e un aumento dell’efficienza dello stadio di conversione.

Complessità di realizzazione del driver
La configurazione 3L è senza dubbio più complicata di una soluzione trifase standard. Bisogna pilotare fino a 12 Igbt nella soluzione trifase e le strategie Pwm di un inverter trifase standard non si possono facilmente implementare. Ci sono differenti strategie Pwm implementabili in base alla letteratura tecnica disponibile, ma ogni cliente cerca di progettare il proprio algoritmo di pilotaggio. Sicon pilota gli Igbt del SK150MLI066T e del SK75MLI066T utilizzando un algoritmo proprio. Ad ogni modo, il cliente conferma la maggiore complessità circuitale e quindi costi del driver maggiori. Tali costi sono compensati dal costo totale della macchina che è più basso rispetto a quello basato su un inverter trifase standard. Sicon, in base all’esperienza maturata nel campo degli Ups, concorda con le considerazioni di Semikron relativamente all’utilizzo del modulo, al filtro di uscita, al pilotaggio e alla complessità del raffreddamento. Per un sistema Ups e per lo stesso livello della potenza di uscita, una soluzione 3L presenta dei vantaggi che la rendono competitiva rispetto alla soluzione 2L;

Efficienza costante
Secondo l’esperienza di Sicon nel campo degli Ups, gli utilizzatori finali sovradimensionano le macchine rispetto alla potenza di uscita. Questo significa che gli Ups normalmente non lavorano alla potenza nominale di uscita (100%) ma in condizioni di carico parziale. I test condotti da Sicon confermano che l’efficienza di una soluzione 3L basata su SK150MLI066T è praticamente costante su intervallo ampio della potenza di uscita. Anche sotto condizioni parziali di carico, l’efficienza è ottimizzata e costante nella regione prossima al massimo valore. La tecnologia 3L è quindi un passo importante verso l’efficienza, superando in tal modo la precedente generazione 2L. La nuova generazione di Ups della linea Green Power porta tutti questi vantaggi all’utilizzatore finale ed è stata ufficialmente certificata dal TÜV SUD.

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