How to design an inverter Information 上 海

How to design an inverter
Information
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
‰ How to design the input rectifier
‹ Choke
‹ harmonics
‰ How to choose the right DC Bus capacity
‹ How many capacitors
‰ How to charge the DC bus capacity
‹ B6H
‹ Thyristor driver board
‹ Fuse in the DC bus
‰ Inverter basics
‰ Choose the right IGBT technology
‹ Trench – SPT
‹ Low output frequency
‰ Mechanical design of an inverter
Content
上
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匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
‰
‰
‰
‰
‰
Choose the right IGBT driver
Difficulties in the development
Long output cable
Thermal paste for IGBT
New ideas
‹ New applications
‰ Power on reset check
Content
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
‰ Line voltage drop
‹ Charge the DC bus capacitor
z High inrush current
‰ Monitoring of the line voltage and DC bus voltage
‹ Charge the DC bus capacitor with a controlled DC current
‰ Line over voltage
‹ Use varistors between the phases
‹ Use one varistor between +/- DC bus
‰ Recommend input choke
The input rectifier
上
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匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
2
1,5
1
0,5
0
1
1
0,5
0,5
0
0
-0,5
0,5
-1
-1
0
120
Bridge rectifier
240
360
0
120
240
0
120
240
上
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匹
易
电
子
科
360
技
有
限
公
司
360
上
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易
电
子
科
技
有
限
公
司
Input circuits
w capacitor
With
Without capacitor
The amplitude depends on the line impedance
Influence of the charging current
上
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子
科
技
有
限
公
司
上
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电
子
科
技
有
限
公
司
How to charge the capacitor?
上
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易
电
子
科
技
有
限
公
司
A half controlled rectifier will reduce the cost
Input - +15V ok
Input – DC bus voltage above limit
上
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匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Oscillator 20 kHz
10 us
Thyristor – driver - circuit
40 us
• 4) Three phase, current pulse (capacitive load)
ID
Id
I
ID
Id
T
FI =
Irms _ D
Iav _ D
= 2...2,5
3 phase input rectifier
t
Iav _ D = 31 ⋅ Id
Irms _ D = 0,65...0,8 ⋅ Id
上
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匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
上
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匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
1 phase inverter on 220V line
上
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匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
3 phase inverter on 400V line
上
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匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
better
Why and where – choke?
Line Reactor Calculation
L Line reactor =
V p er c e n t ag e x V p h / g r o u n d
2 x 3.14 x ƒLine x Iinput phase
Calculation of line reactor
上
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匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
DC – bus – capacitor - calculation
5.1 x I
DC
Cp ?
V
ripple
x 2 x 3.14 x ƒ
DC ripple
General rule - 20 -40 uF per Ampere
Calculation of DC Bus capacitor
上
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匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
‹low inductive sandwich bus bar
‹current path during commutation from plus to minus should go always in parallel
‹each IGBT module should have it’s own capacitor if possible
‹a lot of small capacitors have a lower inductance than one big capacitor
Low inductive solution
Typical solution
IGBT Moduls
+ -
+ +
+
--
Capacitor
--
++
++
IGBT Moduls
-
++ -
+ -
-
-
-
+
+
-
Capacitor
Low inductance DC-link design
+
+
-
上
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易
电
子
科
技
有
限
公
司
上
Design of DC-bus-capacitor
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
Dc-bus-capacitors
公
In series and +/- parallel
司
low stray inductance
current distribution is
very well on the output
Symmetry of Dc-bus
Capacitors to the
IGBT-half-bridge
low stray inductance
上
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易
电
子
科
技
有
限
公
司
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Flat fuse for low stray inductance design
上
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匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Current measurement with Rogowski coil
Power
1
1
0,5
0,5
0
0
-0,5
-0,5
-1
0
120
Inverter Basics I
240
360
上
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匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
-1
0
120
240
360
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
S
L
R
L
R
Selbstinduktion
Strom [wilk. Einheiten]
rel. Spannung U/Umax
PWM (Pulsweiten-Modulation)
1,2
0,9
0,6
0,3
0
S on
S off
1
0
-0,3
0
30
60
90
120
150
Winkel in Grad
Inverter principle / PWM
180
0
5
Zeit [wilk. Einheiten]
10
Switched on
Three phase Inverter
Switched off
+
DC capacitor
The DC capacitor
supports the DC supply.
The current in the load is
approximately sinusoidal
but still contains some
ripple cocked by the IGBT
switching frequency. The
higher the clock frequency
the lower the ripple. The
voltage at the output
jumps from + to -.
Current is
flowing via
the IGBT´s
_
+
Current flows
via 1 IGBT
and 1
freewheeling
diode
_
How the IGBTs are working
Load)
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Diode
Diode Halfbridge
Diode Bridge -2 phases
Diode Bridge – 3 phases
Inverter Components
IGBT
Driver
IGBT with FWD
IGBT-Halfbridge
IGBT - Sixpack
Inverter
上
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匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
GB
GAL
GAR
GA
IGBT for Inverter in different housing and chip
technology
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
‰ SEMITRANS is in accordance world wide standard
‹ SEMITRANS 2
(“34 mm”)
‹ SEMITRANS 3
(“62 mm”)
‹ SEMITRANS 4
Housing Sizes
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Eupec
ABB
SEMIKRON
Infineon*
IGBT
SPT
Diodes
IGBT
Trench
Providing a variety of IGBT chips
1 IGBT-chipsource only
“in-house”
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
‰ SEMIKRON is independent from chip suppliers
Î We offer the best solution for the specific application
¾1200 V CAL-HD Diode, CAL Diode
¾ 600 V CAL-HD Diode, CAL Diode
¾1700 V CAL Diode
¾600 V Super fast best VCE(sat) / E(switch)
¾1200 V Ultra fast lowest Eswitch
¾600 V Trench
lowest VCE(sat)
¾1200 V Trench
lowest VCE(sat)
¾1700 V Trench
lowest VCE(sat)
¾1200 V SPT
best VCE(sat) / E(switch)
Chip technologies for IGBTs
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Gate
NPT- IGBT
Trench- IGBT
Emitter
Gate
n
n+
p
p
n-
Emitter
Gate
SPT- IGBT
n
p
n-
200 µm
n-
135 µm
135 µm
n+
p+
p+
Emitter
Collector
n+
p+
Collector
Collector
‹ Infineon
‹ (2nd generation)
‹ “125” “123”
‹ Positive TC
‹ “Ultra Fast” :”Standard”
‹ Infineon
‹ (3rd generation)
‹ “126”
‹ Positive TC
‹ “Field Stop”
1200 V IGBT Technologies
‹ ABB
‹ (1st generation)
‹ “128”
‹ Positive TC
‹ “Soft Punch Through”
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Ultrafast
125 series,
KS4
3.3
Features
Trench IGBT³
126 series,
KE3
1.7
Trench IGBT³
super thin wafer,
KT3
1.7
28
15
25
100
100
YES
Standard
Parameter
123 series,
DN2
V CEsat @ 25°C
2.5
E ON +E OFF per
100A
Relative chip
size at rated
current
pos. temp.
coeff. of V CEsat
QG* [nC] /
100A
QG* [nC] / 100
mm²
SPT 128
series,
Unit
1.9
V
23
21
mJ
70
70
100
%
YES
YES
YES
YES
-
850
1000
700
700
1000
nC
530
620
700
700
620
nC
* measured @ VGE from -8V to 15V
Main Parameters
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
‰ Available Topologies
‰ Recommended Switching Frequencies
125 Ultrafast
126 Trench
128 SPT
fsw [kHz]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
SEMITRANS 1200 V Modules
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Break chopper
The break chopper is no AC/AC converter, but is used together with them.
上
If the speed of a motor is reduced, the motor works as generator and generates current. This 海
current charges the DC link to higher voltages. The rectifier blocks the current flow to the
匹
grid. The break chopper allows that the energy is transferred to heat via the break resistor.
易
电
子
科
技
有
限
公
司
R
Break chopper
Brake chopper Function
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
How is the current in IGBT and Diode?
Rated current
overload current
overload and 2 Hz output
Chip temperature in low output frequency application
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Trench 200A
Heatsink
Case
IGBT
Diode
rectifier
102.255
121.236
165.937
173.541
93.667
Trench 300A
Trench 400A
96.995
114.182
152.485
150.156
89.175
100.932
118.680
142.165
151.967
92.911
SPT 150A
83.568
97.273
135.656
129.483
77.455
Please consider the chip size for low output frequency application like
Servo drives, elevator drives, tool machine drives
Minimal output frequency – 0.0001 Hz
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
‰ IGBT driver should have
‹ Vce monitoring
‹ Under voltage monitoring
‹ It depends on the output power
z Soft turn off
z Vge monitoring
‹ MOSFET booster
‹ Isolation
z High power – transformer
z Low power – optical coupler
IGBT driver
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
primary side
secondary side
µC compatible interface
TOP
BOTTOM
Block diagram half bridge gate driver
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Our solution
„ SKYPER
„ Driver board
„ SEMIX 3 IGBT
half bridge
with spring
contacts
With standard devices to build up an IPM
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Modules:
3 SKKD
1 SKM GAL
3 SKM GB
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
~
~
~
~
~
~
~
grid
Break chopper
Complete converter - inverter
load
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Inverter with SEMiX
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Inverter with SEMiX
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Inverter with SEMiX
SEMiX bridge
SEMiX IGBT
and
SKYPER
SEMIX Technology for 19 inch systems
SEMiX bridge
SEMiX IGBT
and
SKYPER
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
‰ What must you consider
‹ Over voltage on the IGBT
z Right snubber
z Low stray inductance DC bus design
‹ Over temperature between the IGBTs
z Consider the NTC behavior of the diode
‹ Turn off time of the IGBT
z Min 3 us because of diode
‹ Dead time between top and bottom IGBT
z Symmetrical turn on and turn off delay (3 us)
‹ Reverse recovery time of the freewheeling diode
z Too small turn on gate resistor will generate a high peak current
‹ Thermal paste (copper base plate 100um, no copper base plate
50um)
‹ Over voltage on the isolation of the motor windings
Important issues
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
‰ The measurement of the paste layer thickness can be done
by a „measurement comb“ (German: „Sechseck-Kamm 5 - 150 µm“) :
20
25
30 µm
Heat sink
Edges
Measurement tines
Measurement of paste layer thickness
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
‰ Handling
‹ Keep the comb vertical
‹ Place it with two of the six
edges onto the surface of the
heat sink.
‹ Then scrape the comb slowly
over the surface through the
thermal paste layer.
Measurement comb
Scrape direction
Thermal paste
90°
Heat sink
Measurement of paste layer thickness
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
‰ Evaluation
‹ After the comb has been pulled over the surface and through the thermal
paste two or three of the measurement tines were coated by the paste. If
not, the next scale size of the comb must be used.
‹ The value of the paste layer thickness lies approximately between the
covered and not covered tine:
20
25
30 µm
25 µm < thickness of paste < 30 µm
Measurement of paste layer thickness
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Block diagram of a drive with difficulties – long cable
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Possible voltage curves in motor wiring
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Output filter to avoid isolation problems
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Output filter to avoid isolation problems
NEW Ideas for Inverter Application
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Power
1
1
0,5
0,5
0
0
-0,5
-0,5
-1
0
120
240
Inverter – 4-Q-drive
360
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
-1
0
120
240
360
+
Line reactor
AC
Line
Line
Voltage
DC
Link
DC Link
Voltage
Slow charge
control
SKiiP signals
Power Interface
Control Board + LCD display + keypad
User Interface
Block diagram of an converter
Switch mode
Power
Supply
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
250 kW – 4-Q-drive
‰
‰
‰
‰
‰
‰
‰
‰
Regenerative Unit for all existing inverter
Elevator
Sugar-centrifuge
Hoists
Plastic-molding-machine
Dynamometer
Handling and warehousing systems
Solar inverter
Application
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
energie counter
further
consumers
frequency
inverter with
brake chopper
energy counter,
it will count only
backflowing
energy
regenerative
converter
with SkiiPtechnology
Save Energy in elevator application
Brake resistor
elevator
motor
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Power on reset for the driver
Failure possibility
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
IGBT turned on
Power on reset problem
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
Inrush Current of the SMPS
After “power on” is the IGBT-driver
in a critical status
Controller is starting to modulate
with this IGBT
Standard inverter
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
T1
T2
T3
Connect to the output of
the inverter
X
Connect to the middle point of the capacitors
Test circuit to analyze the status of the IGBTs
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司
‰ Ring modulator with 5us pulse to prevent a wrong
status of the IGBT driver
Ring modulator
上
海
匹
易
电
子
科
技
有
限
公
司