Разработка, изготовление и испытания макета универсального интеллектуального силового модуля для построения устройств силовой электроники в сетях с напряжением до 0,4кВ

В современных системах электроснабжения в странах Европы и США наблюдается устойчивый сдвиг в сторону распределённых систем генерации и распределения электроэнергии с двунаправленным обменом энергией между сетями и потребителями. Постоянно растёт доля энергии, получаемой от возобновляемых источников. Наблюдается устойчивый переход к использованию электротранспорта и массовое строительство зарядных станций. Для решения этих задач разрабатываются и внедряются новые устройства преобразования и хранения электроэнергии. Таким образом, существует современный постоянно растущий рынок большого объема, в котором устройства преобразования электроэнергии играют важную роль. За последние 5 лет достигли зрелости две важных для силовой электроники технологии: - высоковольтные (1200В, 1700 В) карбид-кремниевые (SiC) силовые транзисторы; - вычислительно мощные и относительно недорогие микроконтроллеры. Высоковольтные SiC транзисторы по сравнению с IGBT транзисторами позволяют в 5-10 раз увеличить частоту коммутации и, как следствие, в несколько раз улучшить массогабаритные показатели устройства, увеличить КПД преобразования, снизить требования к системе охлаждения, при этом сохраняя соизмеримые характеристики по удельной стоимости всего устройства в пересчёте на один ватт мощности. Внедрение SiC транзисторов имеет особенности, которые необходимо учитывать при разработке новых устройств. SiC транзисторы в несколько раз, в некоторых случаях на порядок, уступают IGBT транзисторам по максимально допустимым токам на один транзистор. Таким образом, построение мощной системы на SiC транзисторах, конкурирующей с аналогичной системой на IGBT транзисторах, возможно только с применением модульного принципа построения. Высокий КПД преобразования энергии при использовании SiC транзисторов достигается при очень коротких фронтах коммутации (<20-40 нс), из-за чего существенно усложняется задача обеспечения электромагнитной совместимости устройства. По этой причине крайне желательно, чтобы устройство на SiC транзисторах имело встроенный фильтр высокочастотных составляющих напряжения. Высокая частота коммутации и наличие малогабаритного LC фильтра с относительно низкими индуктивностями и ёмкостями требует использования быстродействующей широкополосной системы управления с обратными связями. Развитие современных микроконтроллеров по вычислительной мощности при сохранении приемлемой стоимости позволяет реализовать полностью цифровое управление и диагностику и организовать параллельную работу нескольких однотипных модулей для увеличения общей мощности системы. Применение полностью цифрового управления с обратными связями на микроконтроллере позволяет изменять функциональность устройства путем изменения встроенного программного обеспечения. Таким образом, достигается гибкость и универсальность силового модуля, и появляется возможность использования изделия одного типа в различных задачах. С учётом описанных современных тенденций естественным образом возникает задача создания универсального интеллектуального силового модуля (УИСМ) на SiC транзисторах с полностью цифровым управлением с возможностью параллельной работы однотипных модулей. Благодаря применению однотипных модулей относительно невысокой мощности, работающих параллельно, решается задача повышения надёжности и отказоустойчивости системы в целом. Достигается технологичность и ранний выход на массовое производство с закупкой комплектующих изделий по более выгодным ценам. Существенно сокращаются сроки разработки новых устройств.