1 引言
很多大功率系統(高達200kw)的設計者，特別是處于迅速發展中的行業的設計者，如風力發電、分布式電源發電，經常扮演的是系統集成者的角色，在一些情況下他們對功率電子電路的詳細知識不感興趣。硅片技術發展的速度使得它必須能夠與所有其它的接口元件相匹配，如散熱器、驅動電路、電容、緩沖電路以及母排。這些設計者需要可靠的系統組件以滿足他們的系統對功率部分的要求，他們也需要最好是通過模塊化方式提供多種多樣的解決方案。模塊化的功率系統還具有成本低、供貨周期短等優點。
2 semikubetm的特點
semikron采用模塊化技術開發的semikubetm是一個在強制風冷的條件下功率高達900kw的，用于逆變器/轉換器的組件。這種模塊化的方法減小了系統的設計時間，簡化了現場的安裝工作。它還降低了用于備件存儲所需的空間，因為只需要儲備少量的標準化部件就可以滿足不同配置的要求。這種新型的產品平臺可以提供電流從320a到1550a的大功率系統。在大功率系統的配置中，每個模塊都分配有一個系統風扇，這樣通過為系統中的每一個功率模塊提供一路環境溫度的風路從而消除了熱量的聚集。這種方法能夠達到的功率密度以前只有水冷系統才能實現。
一個semikubetm通常由一個、兩個或三個立方體型的功率模塊構成，而每個立方體型的功率模塊又包含二、三或四個組件。每個組件(見圖1)則由直接安裝在特殊設計的散熱良好的散熱器上的二極管、晶閘管或兩個半橋igbt模塊構成。立方體功率模塊集成有自己的電容組，這種等級的模塊采用單獨風冷以減小體積并提高可靠性。通過使用不同的組件就可以組成不同電流等級的系統。模塊的使用功率范圍見表1。
圖1 semikubetm系列
基于semikron公司的skypertm 32 pro驅動核的，優化的驅動電路被集成到了每一個立方體功率模塊中(見圖2)。該驅動電路保留了skypertm 32 pro所有的功能，如軟關斷，vce監測，外部故障輸入等。每個模塊的驅動電路單獨工作，但其用戶接口是通用的，通向semikubetm單元的外部。每個驅動電路受用戶控制器的控制并提供所有的必須的保護和監測功能包括電氣隔離、超低壓安全用戶接口、溫度監測、短路保護、電流和直流電壓標定以及電流均流。此外，為了維護方便，功率模塊單元上還有一組led燈來對驅動電路監測到的最后一次故障進行記錄。這對于診斷逆變器停機的原因是非常有幫助的。
圖2 集成在每個立方體模塊中的skypertm 32 pro驅動核
每個組件都集成了高速霍爾電流傳感器。模塊之間的均流監測就是通過對多個電流傳感器的信號進行檢測并比較而是實現的。任何過流或不均流情況都將導致驅動電路中斷門極驅動信號，從而為系統提供強大的保護功能。而這種設計也為系統針對過流提供以下三重保護(見圖3):
圖3 semikube 1，2，3的內視圖
通過檢測vcesat電壓而實現的快速的短路保護;
通過檢測電流而實現的較慢速的短路保護;
通過電流均流監測而實現的內部短路保護。
這樣高水平的保護可以確保系統安全可靠的工作。
組件是模塊間通過母排的連接而構成的系統。在不同的直流端子之間擰幾個螺釘就可以實現各個組件之間可靠的低感連接。semikubetm的功率連接系統(受專利保護)容易拆卸，并通過將直流母排進行合理的連接，可以減小雜散電感從而減小電流的振蕩。這便提高了電容的壽命。此外，通過彈簧連接可以減小熱膨脹的影響，確保連接的長期可靠性。這種配置便可進行快速、靈活的安裝，而且可以從任意一邊對子組件單元進行連接，因此在標準的功率范圍內可以滿足任意機械和電氣連接的要求(見圖4)。
圖4 semikubetm的水平排列情況
大功率semikubetm系統有時需多達8個半橋igbt模塊進行并聯，只有在不降低性能的條件下的并聯設計才是有效的，因此我們開發了特殊的直流和交流母排。交流母排使用電氣對稱的鍍錫的銅板。每個模塊的交流端子到負載之間的連接具有相同的阻抗和雜散電感。經過特殊設計的直流母排也具有很低的雜散電感，并且在不同的semikubetm之間可以進行互相連接。
額定電流在320a到390a的應用只需要一個含了整流和逆變部分的立方體功率模塊。如果需要增大功率等級，可以用不同的方式來連接兩個立方體功率模塊:一是只使用一個系統風扇，這樣可以節省空間，二是使用兩個系統風扇，這樣使得達到更大的輸出電流。這兩種方案的輸出電流從520a到770a。同樣地，三個方塊功率模塊可以采取類似的方式，使用一個或三個系統風扇，提供從830a到1550a的額定輸出電流。也可以采用下面這種方案:三個逆變功率模塊，外加第四個包含整流器和電容器組的模塊，這種配置使用兩個系統風扇，從系統體積和輸出功率來說都可以達到世界最先進的水平。事實上這種系統平臺允許任何數量的立方體功率模塊進行組合，因此，它具有很好的多功能性、可量測性以及可配置性。
semikubetm系統可以構成非常緊湊的逆變器、變換器以及其它拓撲結構。小立方體功率模塊自身很小，而且用于內部連接的靈巧設計的母排允許三個方塊功率模塊就近排列。無須定制的模塊以及產品平臺可以在很寬的功率范圍內得到應用。
semikubetm的設計理念和它的高度標準化的組件可以很容易的適應多種拓樸結構。甚至對于一些標準配置，在可能用到的空間排列上也是沒有限制的。四象限變頻器、單相變頻器、帶斬波器的整流器、聚丙烯電容或電解電容等，均可在這些組件中得到最優的解決方案。
標準的變換器/逆變器semikubetm模塊(見圖5)包括下面的器件:整流部分可以使用的拓樸結構有:不可控整流(b6u)、半控整流(b6hk)和全控整流(b6c)。所使用的半導體器件是最新的絕緣電壓為3kvac的1600v的semipacktm模塊，這種模塊堅固耐用并且采用了散熱非常好的銅基板技術的。除了觸發模塊外，rc吸收電路也是標準組件并且線路熔斷器是可選的。輸入電壓為:380~500vac(-15%～10%)，45~66hz。最高的直流母線電壓為707v。
圖5 semikubetm 1
作為標準配件的直流母線電容采用的是長壽命的電解電容，它具有可用螺釘進行連接的端子，在選擇電容時已經考慮到在不降低性能與壽命的情況下具有較高的性價比。電容的大小由逆變器的標稱電流決定及所期望的工作壽命(lop超過60khrs)所決定的。考慮到igbt關斷時在直流母線回路上會產生電壓過沖，直流電容的工作電壓都經過了仔細的計算。電容器組被放置在了一個非常結實的框架的上半部，以便操作，同時對它進行機械保護。包括電容器組的框架的上半部被固定到對應的semikubetm框架的有插槽固定點的下半部分。這樣在不改變任何機械設計的情況下通過提升框架的上半部分就可以為大體積的電容提供空間。semikubetm框架的下半部分被固定到了散熱器上。
semikubetm所使用的散熱器具有非常好的導熱性能，但是這樣會形成了比較高的氣壓差，因此需要使用高壓離心式風扇。風扇使用230v，50/60hz的電源，其噪音不超過72dba。風扇內有熱電偶溫度保護器，并且這種風扇具有免維護、長壽命等特性。離心式風扇也可以按電容器組框架的尺寸進行定制。
逆變器是三相的，并且采用了最新的1200v的軟穿通(spt)、高性價比的semitranstm半橋igbt模塊。軟穿通硅芯片器件在很寬的開關頻率范圍內(高達20khz)都有很高的運行效率，其典型的開關損耗約為21mj(@125℃/100a)。它的導通損耗也很低，飽和壓降的典型值約為2.0v @ 25℃。標準逆變模塊在開關頻率為3khz的工作情況下是非常好的，使得系統的效率達到了大約98%(包括導通損耗、開關損耗、風扇損耗)。驅動這些igbt所需要的門極電荷通常為1uc(vge:-8/+15v，100a)，這可由全新的skypertm 32門極驅動電路來完成。
通過使用通用的二極管、晶閘管、igbt模塊、電容器、散熱器、風扇、母排、電流傳感器，semikron可以保證較短的貨期，并且非常容易進行維護。用于semikubetm系統的所有元件都滿足溫度、濕度、電磁兼容性以及安全等方面的要求。semikubetm的設計還也是符rohs認證的。
3 結束語
使用semikubetm的客戶可獲得如下優點:無須定制、可擴展、全部經過測試。在諸如電機驅動、太陽能逆變器、風力發電、ups以及燃料電池等領域。這些新的功率組件為設計者提供了范圍最廣的、無須定制的功率單元。由于這些模塊可以滿足使用量非常大的中等功率、不同應用領域的需求，所以在價格上它也具有很大的競爭力。對用戶來說，不論功率大小，都只有一個單獨的用戶接口，唯一不同的就是不同功率等級的系統所需要的模塊數量不同。
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