IGCT effektbrytare i megawattklasse för mellasäigstillämigar Att kostruera utrustig för att bryta effekter i storleksordige megawatt å mellasäigsivå är e svår ugift. De ieboede egeskaera hos de två kiselbaserade metoder som fis tillgägliga idag, ämlige släckbara tyristorer (GTO) och biolära trasistorer med isolerat styre (IGBT) tvigar fram kostruktiosmässiga komromisser som ökar såväl kostad som komlexitet. GTO-tyristorer kräver ite bara komlicerad krigutrustig för att garatera tillförlitlig drift uta har dessutom låg koligsfrekves. Kostruktörer av IGBT-baserade system för mellasäig måste i stället käma med höga förluster, och de måste balasera det stora komoetatalet mot krave å tillgäglighet. ABBs ya IGCT (Itegrated Gate Commutated Thyristor) elimierar ackdelara med såväl GTO-tyristor som IGBT-trasistor och ikluderar i sig själv alla de krigkretsar som fodras för att göra kraftkomoete tillförlitlig och lätt itegrerbar i mellasäigstillämigar. A BB tillverkar GTO-tyristorer och IGBT för höga effekter, avsedda för tillämigar där tillförlitlighete är det allt överskuggade itresset. Blad kraftsystemtillämigar ka ämas idustriella drivsystem, framdrivigssystem för tåg och fartyg samt trasmissioslijer 1, 2. Måga av dessa tillämigar ligger å mellasäigsivåera 2,3, 3,3, 4,16 och 6,9 kv. Utvecklig av kiselbaserade effektbrytare ABB har kotiuerligt ivesterat i utvecklig och roduktio av GTO- och IGBT-komoeter, och restada hos båda dessa komoettyer har förbättrats med tide 3. Uder de allra seaste åre har e serie iovatioer skaat e lattform för kostruktio och roduktio av e kiselbaserad effektbrytare som erbjuder lågt mer ä IGBT- och GTO-tekike tillsammas. De ya tekike kallas IGCT (Itegrated Gate Commutated Thyristor). De har högre koligsfrekves och lägre förluster ä såväl GTO som IGBT. Och vad viktigare är, tekike tillåter kostruktörer av elkraftsystem att miska storleke och därmed kostade för sia mellasäigssystem, samtidigt som effektivitete och tillförlitlighete ökar. Harold M. Stillma ABB Cororate Techology E bättre effektbrytare Uder de 30 år som gått seda kiselbaserade effektbrytare itroducerades å markade har dessa komoeters komlexitet och restatiosförmåga stadigt ökat. De första kiselstyrda likriktara kude bryta edast i sambad med växelströmmes ollgeomgågar. GTO-tyristor medförde ett stort framsteg, ämlige möjlighete att bryta vid e godtycklig ukt i cykel. Itroduktioe av IGBT-tekike iebar sabbare kolig, me för ärvarade karakteriseras IGBT-tekike av så höga koligsförluster att de är accetabel edast å låga säigsivåer. Tedese uder åres lo har varit att kocetrera utveckligsarbetet å själva koligsrocesse, meda relativt lite umärksamhet har ägats åt de komlexa roblem som ställs av raktiska tillämigar. GTO-tyristorer består av tusetals idividuella koligselemet å e och samma kiselbricka. Förluster ustår i alla fyra driftlägea (blocktillståd, ledtillståd, tillslag, fråslag). Tädigsförlustera för e GTO å mellasäigsivå är mycket låga, meda släckigsförlustera är moderata. Eftersom kolige ite är homoge krävs emellertid extera dämigskretsar. Dessa dämigskretsar tar u mer ä hälfte av volyme i de slutliga utrustige och står för e stor del av kostruktioes komlexitet, kostader och förluster. IGBT, å adra sida, uvisar jämförelsevis höga ledigsförluster, me kolige är homoge och därför krävs iga dämigskretsar. Dessa komoeter är dock äu ite tillgägliga för direkt drift å alla mellasäigsivåer. För att komma till rätta med detta hadika måste kostruktörera seriekola IGBT-komoeter för att å högre säigar, e lösig som dramatiskt ökar komlexitete, förlustera och systemtillförlitlighete. E frekvesomriktare som är kostruerad för drift vid 4,16 kv tex kräver fyra seriekolade IGBT å vardera 1,8 kv för varje fas. Ekoomiskt ka GTO-tyristorer tillverkas för drift å de flesta mellasäigsivåer. Det är saolikt att IGBT för 3,3 kv och 4,5 kv kommer att bli tillgägliga iom e sar framtid, ågot som kommer att uderlätta 12 ABB Tidig 3/1997
kostruktioe av kraftkretsar för mellasäigstillämigar. Vi vet emellertid reda idag att dessa komoeter kommer att räglas av höga förluster. För att komesera för förlustera och de resulterade värmegeererige måste sådaa IGBT ha större kiselyta, ågot som i si tur ökar kostadera. De ideala effektbrytare kolar som e IGBT och leder som e GTO, samtidigt som de har de låga tillverkigskostadera och det höga utbytet som karakteriserar GTO-tyristor. Det är just detta som har uåtts med IGCT-tekike (tabell 1). Hemlighete med IGCT-tekike Iom IGCT-tekike tillåter e kombiatio av kostruktiosmässiga iovatioer de tusetals idividuella koligselemete å e modifierad GTO-kiselbricka att kola sabbt och simultat. Vad mera är, de låga förlustera i såväl ledade som särrade tillståd som är karakteristiska för tyristorkostruktioer har kuat behållas. De första av de båda yckeliovatioera i sammahaget är kostruktioe Med IGCT ka kostruktöre bygga komaktare och midre kostadskrävade styrsystem, tex statiska VAR-komesatorer för kraftbolag. med ett buffertskikt som iebär att ledigsförlustera och koligsförlustera reduceras med e faktor 2 till 2,5 och som gör de otimala doigsrofile för e GTO och för e diod i rici idetiska. Tidigare kostruktioer där e diod itegrerats med e GTO har medfört kraftig försämrig av diodes restada. Äve om take å ett buffertskikt är ästa lika gammal som GTO-tyristor själv har metode aldrig tidigare utyttjats. Varför? För att reducera koligsförlustera vid släckig 1 Tabell 1: IGCT-tekike kombierar de viktigaste fördelara med GTO-tyristorer och IGBT. GTO-tyristor IGBT Fördelar med IGCT Switchtekik Tillgägliga för de flesta Hög koligsfrekves Hög koligsfrekves mellasäigsivåer Låga koligsförluster Låga koligsförluster och Låga ledigsförluster Kräver iga dämigskretsar ledigsförluster Itegrerade styrkretsar Kräver iga dämigskretsar Tillgägliga för de flesta mellasäigsivåer Effektkretsar Säkra oberoede av felty Litet komoetatal vid Säkra uder alla låga säigar felförhållade Lämliga för arallell- och seriekolig vid låga säigar Berövad tillförlitlighet Itegrerad diod- och styrehet för miimerat komoetatal Lämliga för arallell- och seriekolig Utrustigskostruktio Berövad tillförlitlighet Modulär kostruktio Tillåter komakt modulär Komakt kostruktio utrustigskostruktio Miskad kabeldragig och ibördes sammakolig Tillämigsklara moduler ABB Tidig 3/1997 13
IGCT-tillämig i drivutrustig för matarumar till aor 2 måste laddige som lagras i komoete i ledade tillståd avlägsas mycket hållströmmar. För att lösa detta roblem leder emellertid till extremt höga trigg- och sabbt. I e kovetioellt kostruerad har aodkortslutigara uteslutits. Istället GTO realiseras detta med aod-kortslutigar, vilka erbjuder e kaal geom vilke omslälig ur elektroeras syukt. Re- har aode gjorts trasaret, dvs ge- elektroera ka flöda ut. Kombiatioe sultatet är att triggströmmara miskas av aod-kortslutigar och ett buffertskikt med ästa e storleksordig i jämförelse Jämförelse i restada mella GTO-tyristor och IGBT 3 P Koligseffekt 10 8 VA med e kovetioell GTO uta buffertskikt. De adra kostruktiosmässiga iovatioe har att göra med styrets kretsar. GTO-komoeter och kovetioella tyristorer är komoeter med fyra skikt (). Som sådaa har de edast två stabila tillståd i si karakteristik till och frå. Varje tillståd däremella är istabilt och resulterar i glödström. De ieboede istabilitete förvärras av imerfektioer i tillverkigsrocesse. Detta har lett till de allmät omfattade me icke desto midre felaktiga åsikte att e GTO ite ka avädas uta e dämigskrets. I rici gäller att e GTO måste reduceras till e stabil -komoet (dvs e trasistor) uder de få kritiska mikrosekudera i sambad med släckig. För att förhidra att katode () deltar i rocesse måste bias-säige för katodövergåge - reverseras ia säige börjar byggas u vid huvudövergåge. Detta kräver kommuterig av hela lastströmme frå katode () till styret () iom loet av ugefär 1 mikrosekud. Tack vare de ya lågiduktiva kasligskostruktioe ka 4000 A/µs uås med e billig komoet med 20 V-styrsäig. Glödströmme udertrycks totalt, och släckigsvågformera och det säkra driftområdet blir idetiska med dem för e trasistor (tex e IGBT). Vidare ka e GTO u kola mometat, uta det jitter som tidigare har varit så besvärade för kostruktörer av seriekolade kretsar. P 10 7 10 6 GTO 1985 1990 1995 IGBT Fusio av erfarehetera frå effekthalvledarkostruktio och kretskostruktio IGCT-tekike är resultatet av itesivt samarbete mella komoetkostruktörer vid ABB Semicoductors och likriktarkostruktörer vid ABB Idustrial Systems. Faktum är att det var de gemesamma utvecklige av kiselkomoeter, kasligar och krigkretsar för att göra effektbrytare lämlig för idustriella tillämigar, som 14 ABB Tidig 3/1997
över huvudtaget gjorde det möjligt att få fram de uika kombiatioe av egeska- er som käeteckar de ya IGCT-kretse. IGCT-tekike kombierar effektstyr- kretsar (GCT) och komoetstyrkretsar (frihjulsdiod och styrdrivkrets) i e gemesam kaslig 4. Geom att erbjuda fyra variater av komoetkaslig och i- + tegratio 5, 6b, tillåter komoete samtidig förbättrig iom fyra itimt sammakolade område: låga koligsoch ledigsförluster vid mellasäig, föreklade kretsar för styrig av krafthalvledare, miskade kraftsystemkostader + + + + a och förbättrad tillförlitlighet och tillgäglighet. Geom att erbjuda förkostruerade koligsmoduler möjliggör IGCT-tekike för kostruktörer av mellasäigs- utrustigar att utveckla ya rodukter sabbare. + Fördelar med IGCT-tekike å mellasäigsivå Låga koligsförluster E fördel med de låga koligsförlustera är att utrustigskostruktörera ka välja de koligsfrekves som är bäst lämad för de slutliga tillämiges krav. Tidigare kraftkomoeter begräsade koligsfrekvese till 250 Hz vid full märkström. IGCT-tekike år fyra gåger högre frekves. I motordrivsystem exemelvis ka e kostruktör välja sabbare kolig för att öka systemets effektivitet. Alterativt ka effektivitete i frekvesomriktarsystem förbättras och förlustera miskas geom att e lägre koligsfrekves väljs för e IGCT. Jämförelse mella å ea sida GCT med effektbrytare och frihjulsdiod itegrerad å samma kiselbricka, och å adra sida IGBT. GCT är betydligt midre komlex ä IGBT. a Tvärsitt geom e GTO-tyristor (väster), e diod (mitte) och e GCT (höger). Här ser vi hur de trasareta emitter- och buffertskikte å GCT-komoete tillåter ett tuare -basskikt. Därmed möjliggörs itegratio av frihjulsdiode i samma struktur och dessutom drift uta dämigskrets i kombiatio med lågiduktiv kaslig och lågiduktiva kretsar krig styret. b Tvärsitt geom e estaka cell i e IGBT (väster) och e diod (höger). E komlett IGBT-kiselbricka består av måga sådaa moolitiska celler som är arallellkolade. MOS-tekike begräsar storleke för e IGBT-bricka till cirka 1 till 2 cm 2, varför måga brickor måste arallellkolas i samma kaslig. Eftersom IGBT äu ite har ått samma särrsäigsivå som GCT, måste förstämda seriekolas för att å erforderlig blocksäig för e give tillämig. b 4 Färre krigkretsar De uika egeskaera å komoetivå för GCT tillåter drift uta dämigskretsar, ågot som iebär viktiga fördelar för kostruktörera. 6 illustrerar detta tydligt: frekvesomriktarkostruktioer med dämigskretsar är stora och komlexa, meda frekvesomriktare uta dämigskretsar ite bara uvisar lägre förluster uta dessutom är komakta och har färre komoeter. Detta ökar tillförlitlighete. Utrustigskostruktioer baserade å IGCT-tekike föreklas äve geom att frihjulsdiodera itegreras i IGCT-strukture. Detta är möjligt därför att de miskade tjockleke för GCT-kiselbricka (samma miskig som tillåter de låga koligsförlustera) äve tillåter att e effektiv diod tillverkas å samma bricka. ABB Tidig 3/1997 15
IGCT-tekike erbjuder fyra ivåer av komoetkaslig och itegratio (a, b och c, lus fig 6b). Utrustigskostruktöre ka välja de ivå ha öskar som utgågsukt för tillämige i fråga. Med de tillämigsklara IGCT-stacke (fig 4b) ka mycket av det tidsödade arbetet med kostruktio av effektkrets och mekaiskt system udvikas. 5 a b c a GCT (Gate Commutated Thyristor) GCT och diod itegrerad å samma bricka. Aodkostruktioe tillåter laddig att flyta i i och ut ur ehete mycket sabbt. Miskad kiseltjocklek miskar de lagrade laddige och gör det möjligt att tillverka diod och brytare å samma kiselbricka. Tuare kiselskikt iebär lägre ledigsförluster. Alla elemet kolar samtidigt, varför dämigskretse ka uteslutas. b Kaslad GCT Lågiduktiv kaslig tillåter laddigsströmmar och styrströmmar att sabbt flyta i i och ut ur GCT-komoete. De ressade kaslige ger god rörelsefrihet och elimierar riske för utmattigsfel efter deceier av termisk cyklig. De ressade kaslige står emot termiska åkäigar och bidrar till de höga tillförlitlighete. c Itegrerad styrkrets (ite skaleligt) Lågiduktiva styrkretsar tillåter styrströmmara att sabbt flyta i i och ut ur GCT-komoete. Väl lokaliserade och högitegrerade styrkretsar miskar ströiduktase. Komakt utförade föreklar utrustigskostruktioe. Lägre kostader för kraftelektroiska system Kostadera för kraftelektroik ka miskas med 30% eller mera tack vare IGCTtekike. Flera faktorer ligger bakom detta. GCT-komoeter ka tillverkas med berövade GTO-roduktiosrocesser. Eftersom dea utrustig och dessa rocesser är väl uttestade och tillgägliga, hamar tillverkigskostadera för GCTkomoeter i samma storleksordig som för GTO-tyristorer. I jämförelse med IGBT är GCT-komoeter midre käsliga för rocessvariatioer sett till hur dessa variatioer åverkar släckigsrestada. Följaktlige blir utbytet högre och kostadera lägre. Dessutom är det eklare att simulera GCT-kostruktioer, ågot som miskar kostadera och gör utveckligsarbetet sabbare. GCT-tekike föreklar effektkretsara till e såda grad att atalet komoeter ka miskas med u till 50%. Detta beror å att diodera ka itegreras i GCT-komoete och att mägde kabeldragig och förbidelseledigar ka reduceras betydligt som resultat av de högre itegratiosivå. Vidare miskas kostadera av de högre driftfrekvese som gör det möjligt att förmiska vissa komoeter. Slutlige ka styret drivas med lägre effekt, ågot som tillåter avädig av billigare komoeter. IGCT-baserad utrustig ka kostrueras för högre effektivitet ä aa tekik tilllåter. Förluster i effektkretsara och krigkretsara är lägre, ågot som möjliggör komaktare kylutrustig och därav ytterligare säkta kostader. Tillförlitlighet och tillgäglighet I ett vidare ersektiv är kostadera för kraftstyrutrustig låga i jämförelse med kostadera för stilleståd i de rocess där utrustige igår. Utrustiges tillgäglighet är följaktlige de viktigaste faktor i sammahaget. IGCT-tekike har tagits fram secifikt för avädig å mellasäigsivå och garaterar otimal tillförlitlighet i utrustige geom: Homoge kolig Robust och tyristorlikade kasligstekik (iga bodade ledare) Föreklade kretsar krig styret Miskat komoetatal Vidare, i det osaolika fallet av att ett fel skulle ustå, gör de modulära IGCT-tekike utbyte av kraftkomoeter sabb och ekel. Detta miskar kostadera för reservdelshållig och riske för roduktiosavbrott. Tillämigar för IGCT-tekike De stora restadamässiga fördele med e IGCT är komoetes förmåga att leda 16 ABB Tidig 3/1997
a b Jämförelse mella e vattekyld GTO-baserad tyristoromriktare och e luftkyld IGCT-omriktare för samma effekt- och säigsivåer. IGCT-tekike tillåter e dramatisk föreklig som i si tur iebär lägre kostader och högre tillförlitlighet. 6 a GTO-baserad tyristoromriktare b Luftkyld IGCT-omriktare med följade fuktioer: (luftkylara är illustrativa) IGCT-komoetera är ekla att motera i komakt kofiguratio. Kostruktioe tillåter sabbt utbyte av IGCT-moduler i det osaolika fallet av ett fel. som e tyristor me släcka iom loet av 2 mikrosekuder. IGCT-tekike tillåter därför ekla frekvesomriktarkostruktioer med hälfte så stora förluster som med alterativ tekik. Tack vare IGCT-tekike går det idag att realisera kretstoologier för effekter u till 100 MW. Sådaa effekter krävde tidigare seriekolig av måga komoeter. Mellasäigsutrustig baserad å dea tekik uvisar mycket hög tillförlitlighet. För första gåge har kiselbaserad kraftelektroik aassats till de särskilda behove för högeffekttillämigar å mellasäigsivå. Detta tillåter utrustigskostruktörer som arbetar med IGCT att bygga billigare, tillförlitligare och komaktare styrsystem, ikluderade: Omformare för järvägsät Läkar mella kraftverk Statiska komesatorer för reaktiv effekt 1 Effektflödesstyrig för kraftverk Mellasäigsdrivsystem med matigssäigar u till 6,9 kv rms Pum- och fläktdrivsystem för de kemiska, de etrokemiska och kraftidustri 2 Drivsystem för fartyg Trasformatorlösa järvägsmatigssystem Drivsystem för järvägsfordo Resoasfrekvesomriktare för iduktiv värmig Statiska bromsar IGCT-tekike är tillgäglig idag ABB är e ledade leveratör av koligsutrustig för höga effekter, såväl till företag iom ABB-kocere som till extera kuder. Dea ledade ställig exemlifieras av de iovatioer som har lett fram till IGCT-tekike. IGCT-baserad utrustig drar fördel av lägre kostader och högre tillförlitlighet äve vid mycket höga effektivåer. Kostruktörer av mellasäigsutrustig ka idag välja mella tre olika tekiker för kiselbaserade effektbrytare: GTO-tyristorer, IGBT och IGCT. IGCT-tekike kommer att bli det främsta valet för alla tillämigar där komakthet, hög effektivitet, sabb utvecklig och högsta tillförlitlighet rioriteras. Författares adress Harold M. Stillma ABB Cororate Techology ABB Asea Brow Boveri AG Postfach 8131 CH-8050 Zürich Fax: +41 (0) 1 317 79 68 E-mail: hal.stillma@abbzh.mail.abb.com ABB Tidig 3/1997 17