Moduli Igbt three-level

Dopo aver giocato un ruolo di nicchia per oltre 30 anni, la tecnologia three-level è stata seriamente ripresa in considerazione dai progettisti da circa un lustro. Invece di avere in uscita una tensione positiva o negativa pari al valore della tensione Dc-bus, con il circuito a tre livelli si introduce in più anche il valore sia positivo che negativo della metà del valore del Dc-bus. Viene pertanto generata una forma d’onda che approssima maggiormente quella sinusoidale ed il grande beneficio che ne scaturisce è una minore distorsione, con conseguente riduzione delle parti magnetiche associate. In alternativa si otterrebbe la stessa distorsione del due livelli con solo la metà della frequenza di clock. La crescita più lenta della tensione nei vari passaggi ha un effetto positivo dal punto di vista delle emissioni sonore.

Due diverse topologie

Negli ultimi anni si sono affermate due differenti topologie three-level. La prima è quella denominata Npc (Neutral point clamped) , realizzata con quattro Igbt connessi in serie (da T1 a T4), relativi diodi in antiparallelo (da D1 a D4) e due ulteriori diodi (D5 e D6), il cui compito è quello di limitare la tensione ai capi degli Igbt. L’aspetto importante in questa tecnologia è che ogni switch può avere una tensione di breackdown inferiore alla tensione del Dc-bus applicata dall’utilizzatore. Questo consente o di utilizzare semiconduttori con perdite inferiori rispetto a un circuito a due livelli o di applicare una maggiore tensione di DC-bus.Oltre al circuito Npc, si è rivelato molto popolare quello denominato Tnpc (T-type neutral point clamped). Possiamo dire che negli ultimi due anni i nuovi progetti nei settori fotovoltaico e Ups sono stati per lo più 2 realizzati nella configurazione Tnpc. Si presenta proprio come una T rovesciata sul suo fianco ed è realizzata con quattro Igbt e quattro diodi, due Igbt in serie tra il positivo ed il negativo del Dc-bus, e due Igbt tra l'uscita Ac e il punto centrale del DC-bus (N). Con un totale di otto semiconduttori di potenza è possibile ottenere una forma d'onda di uscita identica a quella ottenuta con la topologia Npc. La struttura del circuito Tnpc è più come quella del singolo ramo del due livelli, integrata con due Igbt in anti-serie tra N e Ac. Questo spiega come anche qui si applichino le stesse limitazioni in tensione del circuito a due livelli. Il prezzo del multilivello è chiaro: invece dei quattro semiconduttori di potenza presenti nel due livelli per il singolo ramo d’inverter, sono necessari almeno otto (Tnpc) o addirittura dieci (Npc) semiconduttori. Gli ulteriori Igbt richiedono aggiuntivi stadi per il driver ed altre uscite per il controller. Se la modifica del software per pilotare gli interruttori aggiunti è di scarso peso, maggiore impegno è invece richiesto dalla gestione dei guasti. A differenza della convenzionale tecnologia a due livelli, non è consentito spegnere semplicemente tutti gli Igbt per portare il sistema ad uno stato sicuro in caso di guasto. Al contrario, nel tre livelli Npc è obbligatoria una sequenza di accensione e di arresto e questo per evitare che singoli semiconduttori possano essere esposti ad una tensione più elevata (vale a dire alla piena tensione del DC-bus) di quella che possono sopportare al massimo (reverse breakdown voltage). All’accensione, uno degli Igbt interni (T2 o T3) deve essere innescato. Solo allora può essere acceso l’Igbt esterno associato. Allo spegnimento questa procedura è semplicemente invertita: T2 o T3 non devono essere spenti fintanto che T1 o T4 non siano completamente spenti. In breve, si accende dall’interno verso l’esterno e si spegne dall’esterno verso l’interno. Questa sequenza è sempre corretta, anche nel normale funzionamento, non solo per consentire il funzionamento del tre livelli ma anche per evitare condizioni di pericolo. Con il tre livelli Tnpc la sequenza è comunque necessaria per ottenere la forma d’onda della tensione di uscita. Tuttavia nel caso di un guasto è possibile semplicemente spegnere tutti gli Igbt allo stesso tempo, senza danneggiare i componenti.

Scelte e requisiti applicativi

La scelta della più appropriata topologia three-level dipende dalla particolare applicazione. Anche se la topologia Tnpc permette un controllo relativamente semplice, con l’uso di semiconduttori da 1700 V il limite del Dc-bus risulta essere di circa 1100 V. Invece con la Npc usando semiconduttori da 1200 V si ha come valore massimo 1500 V. Questi valori rappresentano anche i limiti della direttiva 3 Bassa Tensione. All’interno di questa è presente un insieme di norme e regolamentazioni giuridicamente vincolanti e può essere portato avanti un semplice processo di certificazione in Europa dei dispositivi di nuova concezione. Una più alta tensione a corrente costante significa maggiore potenza e, in alternativa, una maggiore tensione a parità di potenza si traduce in corrente minore e quindi, ad esempio, la sezione dei cavi può essere ridotta. Un approccio molto affascinante in tempi di aumento dei prezzi delle materie prime. La possibilità di aumentare la tensione del Dc-bus con componenti altamente efficienti rende la topologia Npc molto interessante per gli inverter fotovoltaici. Nei grandi impianti fotovoltaici non devono essere sottovalutati i requisiti del cablaggio per collegare i singoli moduli. Molti chilometri di cavi di rame vengono infatti qui impiegati. Se più celle vengono connesse in serie piuttosto che in parallelo, la tensione aumenta e la corrente diminuisce e pertanto il costo del cablaggio può essere ridotto. Anche nelle applicazioni eoliche un aumento della tensione può contribuire ad un incremento dell’efficienza. Le perdite, nel percorso che va dal generatore all’interno della navicella al punto di aggancio sul fondo, possono avere un valore percentuale inferiore alla singola cifra. Oltre alle tensioni potenzialmente molto alte, la topologia Npc offre il vantaggio che, rispetto allo stesso range di tensione del due livelli, possono essere utilizzati componenti con più bassa tensione di breackdown. Al di là del risparmio di costose materie prime, entrambe le topologie di three-level sono di particolare vantaggio principalmente quando la potenza viene immessa in rete e deve rispettarne i requisisti oppure l’Ups deve fornire alimentazione a dispositivi sensibili. I ridotti requisiti del filtro rispetto alla tecnologia del due livelli generano vantaggi in termini di efficienza. In definitiva, la scelta della tecnologia appropriata non dipende da un solo fattore ma dall’intera serie di requisiti dell’applicazione. Per soddisfare tutte le esigenze applicative, Semikron mette a disposizione una vasta gamma di moduli di potenza per entrambe le topologie a tre livelli. Nei moduli disponibili la corrente parte dai 20 A (Npc) o 40 A (Tnpc) per arrivare ai 600 A per entrambi i modelli, dove però un singolo ramo d’inverter completo è all’interno di un singolo modulo. Se venisse richiesta una soluzione con moduli Semitrans, potrebbero essere usati due moduli, uno nella configurazione GB (singolo ramo usato nel due livelli) e uno in quella GM (due Igbt con gli emettitori connessi tra loro) per realizzare un ramo completo Tnpc a bassa induttanza. I moduli GM sono tutti da 1200 V con corrente nominale da 150 a 400 A. Semikron offre moduli per il tre livelli in due versioni base: con connessioni tramite Pcb e con connessioni tramite busbar. I moduli da Pcb comprendono i 4 Semitop (contatti a saldare o press-fit) e i MiniSKiiP (contatti a molla). Per questi moduli i terminali vengono a contatto diretto con il Pcb. Questo offre il vantaggio di eliminare una fase in produzione poiché il montaggio tra modulo e scheda avviene in un unico step. Entrambe le topologie sono disponibili fino ad una corrente nominale di 200 A. I moduli SKiM, SEMiX e Semitrans hanno invece i terminali di potenza per connessioni a barra. Mentre la soluzione con Semitrans per il Tnpc richiede due moduli separati (si arriva al massimo a 400A), in ciascuno degli altri due tipi di housing viene invece installato un ramo completo di entrambe le topologie. I terminali di potenza devono essere collegati a barre di rame, il che comporta un addizionale tempo in fase di produzione ma, allo stesso tempo, si rendono possibili correnti più elevate. Tra i due tipi di connessione, il SEMiX fa una parte da mediatore: a seguito della tendenza di portare sempre maggior corrente sul Pcb vi è la possibilità per la particolare caratteristica di questo modulo di collegare i terminali di potenza direttamente al circuito stampato. Tutte le famiglie dei citati moduli sono disponibili nelle due topologie Npc e Tnpc. Un importante criterio di scelta del modulo è la classe di tensione. I singoli semiconduttori di un circuito Npc hanno tutti la tessa tensione inversa, 600/650 V oppure 1200 V. Con il circuito Tnpc si differenzia il ramo orizzontale dal ramo verticale. Quest’ultimo è connesso direttamente al positivo e al negativo del Dc-bus e perciò deve essere caratterizzato da una tensione inversa superiore rispetto al percorso orizzontale. Questo porta quindi solo alle combinazioni 1200/650 V oppure 1700/1200 V e solo queste sono disponibili oltre ad una variante con tutti gli elementi a 1200 V. Questa gamma, come già accennato, permette non solo di coprire tutte le classi di tensione, come con i moduli standard a due livelli, ma consente anche di arrivare a tensioni di Dc-bus fino a 1500 V nel caso di circuito Npc. La potenzialità di una tensione più elevata si associa a una maggiore complessità del circuito e del suo funzionamento. Per supportare i progettisti all’approccio con la tecnologia a tre livelli e per dimostrare quanto sia sicura, comoda e priva di grossi problemi, Semikron ha sviluppato un inverter di valutazione a tre livelli, che viene reso disponibile per i effettuare dei test. L’inverter utilizza i moduli MiniSKiiP con contatti a molla e senza baseplate SKiiP28MLI07E3V1, quindi la versione Npc da 150 A, 650 V. L’inverter è dotato di tutti i componenti necessari per il suo immediato funzionamento. Un punto forte è il monitoraggio dello stato di commutazione dei segnali di switching forniti dall’interfaccia cliente. Nel caso di guasto rilevato, la fase interessata viene spenta. Inoltre l’inverter è dotato del sistema “active clamping”, così in nessun caso i moduli possano essere danneggiati. Il dispositivo è quasi a prova di guasto 5 ed offre la base ideale per sperimentare la topologia Npc ed anche lo specifico modulo utilizzato. Oltre ai test di funzionalità di base sul circuito three-level Npc, Semikron ha lavorato sui limiti di tensione verso l'alto. Questo ha portato allo sviluppo di un compatto inverter da 1 MVA all'interno di un progetto con il Ministero Federale Tedesco dell'Istruzione e della Ricerca, in cui due moduli SKiM300MLI12E4 funzionano in parallelo. I moduli SKiM utilizzati sono dotati di semiconduttori da 1200 V. Così è stato possibile dimostrare l’aumento della tensione del bus Dc fino a 1500 V e la tensione Ac fino a 1000 V.

Nuove sfide per la tecnologia three-level

Che cosa c’è in serbo per il futuro? Dopo che Semikron si è presentata con un modulo così potente come lo SKiM4 MLI per la tensione inversa e la corrente nominale, lo sguardo pare al momento rivolto verso maggiori tensioni Ac. Il portafoglio dei moduli Npc a tre livelli tenderà quindi ad aumentare. Vi saranno sempre più differenti tipi di housing con semiconduttori da 1200 V e per innalzare ulteriormente la tensione il prossimo step sarà quello di utilizzare chip da 1700 V e lo si potrà fare con un miglioramento della capacità di isolamento dell’housing del modulo. La selezione three-level sopra descritta rappresenta l’attuale portafoglio standard. Ognuno di questi moduli è già disponibile e sono anche numerosi i tipi speciali realizzati dietro specifica del cliente. Inoltre gli sviluppatori della Semikron non si stancano mai di fornire soluzioni che rispondono alle più crescenti richieste di componenti dalla potenza sempre maggiore. Una fase ormai avanzata è la realizzazione parziale o totale di moduli a tre livelli con semiconduttori in carburo di silicio. Grazie alle perdite di commutazione molto basse di questi componenti la frequenza di switching può essere aumentata ed è possibile ridurre la distorsione ed aumentare la qualità della forma d’onda di uscita. Tutto ciò fa terminare definitivamente alla tecnologia three-level il suo stato di nicchia.

Pubblica i tuoi commenti