Выпрямитель для зарядного устройства на IGBT

Заметки по сборке IGBT-выпрямителей для промышленных зарядных систем — почему готовые решения часто не выдерживают пиковых нагрузок и как избежать перегрева силовых ключей.

Основные ошибки при проектировании IGBT-выпрямителей

До сих пор встречаю мнение, что IGBT можно ставить без серьёзного расчёта теплового режима. В прошлом году разбирал зарядное устройство от конкурентов — там выпрямитель на IRGP4072D сработал как предохранитель при первом же броске тока. Оказалось, радиатор подобран по усреднённым данным, без учёта пусковых токов аккумуляторных батарей.

Ещё одна проблема — нестабильность на высоких частотах. IGBT не MOSFET, и при частотах выше 20 кГц начинаются сложности с обратным восстановлением. Приходится либо занижать частоту, либо ставить дополнительные снабберы, что удорожает схему.

Кстати, у ООО Хэбэй Тонгке по производству электрооборудования в новых моделях зарядных станций это учтено — в документации к выпрямительным модулям сразу указаны предельные частоты для разных режимов работы. На их сайте tongke.ru есть технические заметки по этому поводу, но живого опыта это не заменяет.

Практические решения для теплоотвода

В наших серийных зарядниках используем гибридную систему охлаждения — принудительный обдув + керамические прокладки с теплопроводящей пастой. Да, дороже, но после трёх возвратов по гарантии из-за отвалившихся IGBT пришлось пересмотреть подход.

Интересный момент — расположение радиаторов. Если ставить вертикально, конвекция работает на 15-20% эффективнее. Мелочь, а на ресурсе сказывается. Особенно для зарядного устройства непрерывного цикла, как в складской технике.

Пробовали алюминиевые радиаторы с анодированием — не лучший вариант для мощных IGBT. Сейчас перешли на медные основания с никелевым покрытием. Дороже, но тепловое сопротивление стабильнее.

Особенности драйверов для IGBT

Сначала ставили стандартные драйверы от Infineon, но столкнулись с ложными срабатываниями защиты по току. При детальном разборе оказалось — проблема в длине проводников от драйвера к затворам. Пришлось переразводить плату, сокращать пути до 3-4 см.

Сейчас экспериментируем с драйверами с плавающим каналом — для мостовых схем IGBT это даёт более стабильное запирание. Но нужно тщательнее следить за развязкой цепей питания.

Кстати, в ассортименте ООО Хэбэй Тонгке есть готовые драйверные модули именно для силовых IGBT — пробовали в тестовом образце, работают устойчиво. Хотя для массового производства дороговаты.

Реальные кейсы с промышленными зарядными системами

В прошлом квартале адаптировали выпрямительный блок для зарядки тяговых батарей погрузчиков. Заказчик жаловался на провалы напряжения при одновременной работе нескольких устройств. После диагностики выяснилось — сказывается нелинейная характеристика IGBT при частичной нагрузке.

Пришлось дорабатывать систему управления — добавить коррекцию коэффициента мощности на стороне переменного тока. Стандартные решения не подошли, собирали схему на дискретных компонентах.

Интересно, что на tongke.ru в разделе промышленных источников постоянного тока есть похожие кейсы — видно, что инженеры сталкивались с аналогичными проблемами. Хотя конкретных решений в открытом доступе нет, только общие рекомендации.

Перспективы и альтернативы

Сейчас тестируем гибридные схемы — IGBT + SiC-диоды. Получается компромисс между ценой и эффективностью. Особенно для выпрямитель для зарядного устройства высокой мощности (от 30 кВт).

SiC-транзисторы пока дороги для массового применения, хотя для специальных задач уже используем. Например, в зарядных системах с рекуперацией энергии.

Из интересного — китайские коллеги начали предлагать IGBT-модули с интегрированными датчиками температуры. Пробная партия показала хорошую точность мониторинга, но пока неясно с надёжностью в условиях вибрации.

В целом, IGBT остаются рабочим решением для большинства промышленных зарядных устройств. Главное — не экономить на системе управления и охлаждении. Как показывает практика, именно эти узлы становятся причиной 80% отказов.