Ingenio integrado. Nuevos algoritmos de simulación para el diseño. para electrónica de potencia altamente integrados y fiables

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1 mm C mm Igeio itegrado Nuevos algoritmos de simulació para el diseño retable de covertidores de frecuecia para electróica de potecia altamete itegrados y fiables DIDIER COTTET, BRUNO AGOSTINI, STANISLAV SKIBIN, GERNOT RIEDEL, PAWEL WOCIK Muchos lectores puede pesar que la igeiería de la electróica de potecia trata pricipalmete sobre topologías de circuitos y algoritmos. Si bie esos aspectos cotiúa siedo vitales, los proyectistas está efretádose cada vez más co dificultades e otras áreas. La importacia creciete de la itegració ha elevado el perfil de domiios tales como refrigeració, itercoexió y aislamieto de tesioes y está provocado mejoras e la desidad de potecia, la compatibilidad electromagética () y la fiabilidad. Co la creciete complejidad de estas tecologías, ya o es posible obteer diseños óptimos si acudir a las simulacioes más avazadas. Igeio itegrado 65

2 Los dispositivos semicoductores recietes permite ua comutació más rápida co meores pérdidas y trabaja a mayores temperaturas, pero platea uevas dificultades de itegració. 1 Pricipio del termosifó de dos fases Tc colector bajate líquido codesador evaporador vapor elevador colector Q Image del título Resultado de la simulació de la distribució de temperaturas e ua placa base COTHEX La electróica de potecia es ua de las tecologías que permite cosas como la geeració de eergías reovables, la utilizació eficiete de la electricidad e la automatizació idustrial, el cotrol de la circulació de la electricidad por redes iteligetes y el trasporte y la distribució de la electricidad co pocas pérdidas empleado tecologías de CC. Las medicioes relevates del comportamieto de los covertidores e estas aplicacioes so la eficiecia de la coversió, la diámica del cotrol, la fiabilidad (o dispoibilidad), la desidad de potecia y el coste. Aspectos difereciadores para el diseño de covertidores se ecuetra e la elecció de tecologías de itegració, por ejemplo, los materiales para las carcasas, los métodos de refrigeració, las itercoexioes y el aislamieto eléctrico. Las dificultades de diseño e la itegració so: Pérdidas térmicas Coducció de altas itesidades Aislamieto de altas tesioes Ruido electromagético Esfuerzos electro-termo-mecáicos Las simulacioes so ahora u compoete avazado de los procesos de desarrollo e estos domiios. El aálisis de elemetos fiitos (FEA) tridimesioal (3-D) de los semicoductores de potecia ayuda a optimizar los procesos de fabricació y las características de comutació. A ivel de sistema, se simula los esquemas de cotrol de itesidades y los algoritmos de cotrol de procesos utilizado simuladores de circuitos, combiados frecuetemete co métodos de optimizació multiobjetivo. Los últimos años ha visto avaces importates e el domiio de la bada prohibida acha (WBG), los semicoductores de potecia, que ha icorporado al mercado dispositivos de carburo de silicio (SiC) iicialmete y de itruro de galio (GaN) después. Estos uevos dispositivos permite ua comutació más rápida co meores pérdidas y u fucioamieto a mayores temperaturas. Esto tiee muchas vetajas e térmios de eficiecia eergética, desidad de potecia y uevas aplicacioes, pero tambié platea uevas dificultades de itegració. Este artículo examia tres áreas de itegració dode se tiee que desarrollar uevas metodologías de simulació: Refrigeració e dos fases para ua alta desidad de potecia y ua gra fiabilidad Diseño co compatibilidad electromagética () Simulacioes electrotérmicas para fiabilidad y predicció a lo largo de la vida útil 66 ABB review 3 13

3 2 Pricipio de la tecología COTHEX Vapor Carga de calor Flujo de aire Líquido 3 Familia COTHEX (base-aire y aire-aire) Los diseños compactos adoptados para coseguir altas desidades de potecia aumeta asimismo el acoplamieto electromagético etre las distitas piezas del equipo m Refrigeració E la electróica se suele utilizar para la refrigeració el aire y el agua, y se dispoe de precisas herramietas de simulació para ambos elemetos (por ejemplo, ICEPAK, QFIN). Los termosifoes de refrigeració de dos fases so ua alterativa especialmete iteresate a los métodos de refrigeració activos [1]. E u termosifó, el fluido circula por gravedad debido a la diferecia de desidad etre el líquido y el vapor 1. De esa forma, el empleo de Los termosifoes de refrigeració de dos fases so ua alterativa especialmete iteresate a los métodos de refrigeració activos. fluidos dieléctricos y el fucioamieto si bombas co altos coeficietes de trasferecia de calor e ebullició es ua combiació atractiva para la refrigeració de aparatos co desidades de pote cia mayores. El método preseta mayor fiabilidad que el agua bombeada (o hay compoetes móviles i problemas de aislamieto). ABB ha desarrollado u itercambiador de calor compacto por termosifó basado e la tecología de automoció. Utiliza umerosos tubos multipuerto obteidos por extrusió co caales capilares dispuestos e paralelo y soldados a ua placa base caliete para coseguir la compacidad deseada 2 3. La tecología requiere uevos métodos de modelizació que puede o estar cubiertos adecuadamete por las actuales herramietas comerciales. Las simulacioes de termosifoes de dos fases debe predecir la resistecia térmica desde la fuete de calor al sumidero (por ejemplo, el aire ambiete), pero tambié parámetros críticos tales como el secado (para asegurar la uiformidad de temperatura), el flujo de calor crítico (para evitar que se dispare la temperatura), las pérdidas de presió o el lleado óptimo de fluido. El modelo de termosifó de dos fases de ABB se basa e la resolució de las ecuacioes de coservació de la masa, el impulso y la eergía para dos fases. Para calcular la caída de presió, la fracció de vacío y el coeficiete de trasferecia de calor e las sucesivas seccioes del termosifó se utiliza las correla Igeio itegrado 67

4 4 Accioamieto de baja tesió co u COTHEX base-aire y uo aire-aire istalados Base-aire Aire-aire Para muchos c ompoetes hay que desarrollar métodos precisos específicos de modelizació de alta frecuecia. cioes y modelos adecuados existetes e la literatura o e colaboracioes co la uiversidad. Se evalúa posteriormete los valores residuales de estas ecuacio es de coservació y se miimiza co u algoritmo de miimizació adecuado (SIMPLEX). Este modelo de flujo de dos fases se acopla co u solucioador de ecuacioes difereciales e derivadas parciales (PDE) para determiar la difu sió del calor por la placa base image del titulo. Puesto que o hay igua bomba que impulse el fluido detro del termosifó, el caudal de fluido y por lo tato las prestacioes de refrigeració so muy sesibles a muchos parámetros, como la logitud y el diámetro de los tubos, la distribució del flujo de calor, la presió del fluido y la aturaleza y la ca tidad de fluido. Estas simulacioes permi te etoces establecer el diseño del pro ducto óptimo mietras que se evita ua cosiderable catidad de trabajo e la creació de prototipos ABB review 3 13 Los moderos covertidores de electrói ca de potecia so dispositivos comple jos e los que coexiste itesidades y tesioes elevadas co el cotrol de la sesibilidad a las perturbacioes y las señales de comuicació. Los diseños compactos adoptados para coseguir altas desidades de potecia aumeta asimismo el acoplamieto electromagé tico (EM) etre las distitas piezas del equipo. Para lograr u fucioamieto fia ble y seguro de los covertidores, hay que asegurar la compatibilidad electro magética () del dispositivo. Hay que teer e cueta tres aspectos de la : La capacidad del dispositivo para trabajar e u determiado ambiete EM (imuidad) El ruido EM emitido hacia el etoro (emisió) debe mateerse por debajo de ciertos límites La iterferecia EM etre distitas partes del mismo dispositivo (EMI) Los dos primeros putos so objeto de reglametos e forma de ormas cocre tas de emisió e imuidad. El tercer puto defie la solidez itera y la fiabili dad de u dispositivo. La tedecia hacia diseños compactos, alta desidad de potecia y semicoduc tores de potecia de comutació rápida está haciedo que el diseño para de los equipos de electróica de potecia sea cada vez más exigete. Muy a meudo, el método de prueba y error es el pricipal cuado hay que tratar co la e aparatos de electróica de otecia. E tales escearios, las medi p cioes se realiza sobre prototipos termi ados e los que la cofiguració y los compoetes está ya fijados. Es difícil hacer modificacioes e este mometo y es ormal que se produzca retrasos. Por el cotrario, u método iteligete de diseño de se iicia co simulacioes EM a ivel del sistema. Las vetajas de este método so: Se puede teer e cueta los efectos EM e el covertidor y sus compoe tes e ua fase tempraa del diseño. Las simulacioes de HF del coverti dor completo puede ayudar a compreder y preveir posibles perturbacioes EM. Basádose e las simulacioes EM, se puede coseguir diseños óptimos de filtros y cofiguració empleado algoritmos de optimizació umérica. Las vetajas del método de simulació puede parecer obvias, pero la prepara ció de modelos adecuados de coverti dor es u procedimieto complejo. Para coseguir resultados útiles de la simula ció, se debe modelizar precisamete tato compoetes discretos (por ejem plo, codesadores y semicoductores) como estructuras mecáicas y de iter coexió (por ejemplo, sumideros de ca lor, PCB, cables). El úmero total de com poetes del modelo de circuito a ivel de sistema puede superar fácilmete los 1..

5 5 Metodología de modelizació y simulació Modelo de multirresoacia Modelo de moorresoacia Modelo de itercoexió simple Modelo de itercoexió total R C1 R C2 R C R D1 R D2 R D 1 L C1 C C1 L C2 C C2 L C C C L D1 C D1 L D2 C D2 L D C D 2 k C k C k C k D k D k D R C1 R C2 R C R D1 R D2 R D 1 L C1 C C1 L C2 C C2 L C C C L D1 C D1 L D2 C D2 L D C D 2 Covecioal Itercoexioes Covecioal U Rectificador Reactacias de filtro Módulo de potecia Motor V W Cable M Método de modelizació co semicoductores Covecioal V ( 1+u5ki /U ), q56= u5ki 2V + tu5ki 1- Covecioal 4 U for u 5ki >, for u5 < ki Modelizació basada e la física V ( 1+u5ki /U ), for u5ki> q56= u5ki 2V + tu5ki 1-, for u5ki< 4U Dispositivos de comutació ideal Modelo de cable simplificado Aproximació racioal de las características medidas N R Y = P ( ω) + D ω a = 1 j N R Y = P ( ω) + D ω a = 1 j Los covertidores de potecia que trabaja e zoas distates o de difícil acceso tiee que fucioar durate décadas. Los distitos tipos de compoetes e iter coexioes existetes e u covertidor requiere métodos y herramietas de modelizació diferetes 5. Para alguos de los compoetes (PCB, sumideros de calor, codesadores) existe herramietas comerciales. Si embargo, para muchos otros compoetes (por ejemplo, cables de alimetació trifásicos largos, reactacias de modo comú) hay que elaborar específicamete métodos de modelizació de alta frecuecia [2, 3]. Por ello, las simulacioes de para aplicacioes de electróica de potecia está trasformádose e ua estructura de simulació más compleja. Esto icluye el desarrollo y la icorporació de uevas técicas y herramietas de modelizació de compoetes (e colabora ció co STC 7), y del kow-how alrede dor de la selecció y la combiació de modelos de compoetes e u modelo a ivel de sistema, así como el postproceso y el aálisis de las catidades simuladas. Fiabilidad Los covertidores de potecia que trabaja e zoas distates o de difícil acceso (tales como las istalacioes eólicas mar adetro) tiee que fucioar si iterrupció durate décadas. Las dificultades de mateimieto y las itervecioes de servicio características del emplazamieto aumeta la importacia de la fiabilidad. E geeral, se puede decir que la fiabilidad de u sistema es el producto de la fiabilidad de sus compoetes. Cada compoete puede fallar a causa del desgaste o por esfuerzos excesivos, y al hacerlo puede dar lugar a que el sistema fucioe mal. Cuato mayor es el esfuerzo al que está sometidos los compoetes idividuales, mayor será la probabilidad de u fallo. Los esfuerzos puede icluir (auque o esté limitados a ello) campos eléctricos, humedad y temperatura. El corazó de todo sistema electróico de potecia es su matriz de iterruptores semicoductores. Usualmete se agru pa e módulos de potecia que proporcioa aislamieto, distribució itera de corrietes y protecció. Estos módulos está compuestos de materiales distitos, cada uo de ellos co su propio coeficiete de dilatació térmica (CTE) 6. Cuado se somete a cambios de temperatura (por ejemplo, debido a cambios e las cargas) estas diferecias de los valores de CTE produce esfuerzos mecáicos (y e defiitiva desgaste) e las superficies de separació, lo que puede causar a la larga su rotura. Por ejemplo, ua causa de fallo e los módulos IGBT (trasistor bipolar de puerta aislada) es la rotura de la coexió etre el chip de silicio y los hilos de uió de alumiio adjutos. Como el modo de fallo se cooce bie, los fabricates proporcioa gráficos de la capacidad de ciclado de sus módulos IGBT. Se puede utilizar como base para las simulacioes de la vida útil siguiedo las etapas siguietes. Defiició de u posible perfil de carga (misió): E qué tipo de esfuerzos y de etoros se ecotrará los compoetes a lo largo de sus vidas? Cálculo de pérdidas: las pérdidas e los iterruptores de semicoductores se calcula a partir del perfil de carga. Igeio itegrado 69

6 6 Metodología de modelizació y simulació a lo largo de la vida útil Material CTE ppm/k Cambio de logitud Δl Cable de uió (Al) 23 Chip (IGBT) Si 3.5 Soldadura chip (SPb) 29 AlN DCB 1 Soldadura substrato (SAC) 17 Placa base (Cu) 17 Cables de uió Substrato (DCB) Chip Placa base Soldadura AISIC Chip Soldadura Cu AIN Cu Soldadura Secció trasversal del módulo IGBT. Derecha: simulació de EF mostrado la deformació producida por el ciclo térmico (1 x saturado). Fuete: Samuel Hartma Etrada de carga (perfil de misió) (%) Cálculo de pérdidas y modelizació de red térmica Perfil de temperatura (ºC) N cycles Aálisis de temperatura (por ej. Raiflow 2D) Daños (%) Estimació de daños N f Vida útil Número de ciclos hasta el fallo Gráfico de la capacidad de soportar ciclos 1.. T m = 6 C T m = 8 C 1.. T m = 1 C Marge de temperatura de la uió (ºC) Cálculo del perfil de temperaturas: juto co los modelos de redes térmicas, se calcula los perfiles de temperaturas trasitorias para cada iterruptor semicoductor. Aálisis de perfiles de temperaturas: el perfil de temperaturas se aaliza de acuerdo co los parámetros pricipales de esfuerzos, es decir, las oscilacioes de la temperatura, ΔT y la mediaa de las temperaturas T m. Estimació de daños: para cada ΔT y la T m correspodiete, se calcula el daño esperado a partir de las curvas de capacidad de ciclado. Estimació de la vida útil: la vida útil del semicoductor viee dada por el tiempo ecesario para acumular u daño crítico. Se aplica u procedimieto similar para todos los otros modos de fallo que pueda producirse. Por ejemplo, e los módulos de potecia, las jutas de soldadura sufre por los ciclos termomecáicos. E cotraste co los hilos de uió de alumiio, los materiales de la soldadura sufre ua importate deformació por fatiga. Por lo tato, se aplica modelizació de elemetos fiitos u otra simulació umérica para calcular el daño iducido por el perfil de carga aplicado, lo que fialmete determia la vida útil esperada Cuato mayor es el esfuerzo al que está sometidos los compoetes idividuales, mayor será la probabilidad de u fallo. Los esfuerzos puede icluir (auque o esté limitados a ello) campos eléctricos, humedad y temperatura. [4]. De todos los modos de fallo calculados, se toma la vida útil más corta como vida del compoete (e este caso, el módulo IGBT) y, e cosecuecia, del sistema e que se utiliza. Perspectivas futuras Las cotiuas mejoras e las tecologías de cálculo permite que siga aume tado el tamaño y la complejidad de las simulacioes. Al mismo tiempo, las herramietas avazadas de soft ware para iter faces y scriptig permitirá el acoplamieto de uevas simulacioes e distitos campos. Estos desarrollos, al tiempo que aporta muchas vetajas para el diseño de productos y la predicció del comportamieto, lleva asimismo a ua mayor complejidad e lo que respecta a la utilizació de u úmero cada vez mayor de 7 ABB review 3 13

7 7 Cetro de Herramietas de Simulació El grupo del cetro de herramietas de simula ció (STC) de ABB se ha establecido e Cracovia, Poloia. Proporcioa software profesioal de simulació de electróica de potecia para ABB. Los servicios del STC icluye: Desarrollo de iterfaces de usuario gráficas (GUI) dedicadas y fáciles de usar para herramietas y algoritmos preparados e el marco de proyectos de ivestigació de los diversos cetros de ivestigació del grupo ABB. Programació de iterfaces de datos etre diversos softwares de simulació propios o comerciales que permita simulacioes de acoplamieto etre ambos. Mateimieto a largo plazo de las herramietas creadas iteramete. Apoyo al usuario, icluyedo formació co las herramietas, aprediedo ormalmete co los cietíficos que ha desarrollado las herramietas de resolució. Las herramietas desarrolladas puede, por ejemplo, apoyar algoritmos de diseño para tecologías de itegració de electróica de potecia de uevo desarrollo (por ej. uevos dispositivos de refrigeració). La dispoibilidad de esas herramietas acelera cosiderablemete la trasferecia de uevas tecologías desde la ivestigació al producto. Otras herramietas proporcioa uevas metodologías y solucioadores que o está dispoibles comercialmete. Por lo tato cubre importates vacíos e el terreo de la simulació, como por ejemplo e el campo de la compatibilidad electromagética (). U aspecto importate de las simulacioes acopladas es que los resultados de ua simulació (o medició) se puede trasladar para etradas de modelos de otras herramietas. U ejemplo de ello es el software herramieta de barra bus (BBT), ua herramieta especializada e el diseño electromagético de itercoexioes eléctricas (barras bus). BBT o sólo proporcioa las impedacias, desidades de corriete y cofiguracioes de campos relevates, sio que tambié lleva a cabo el procesamieto posterior de las fuerzas mecáicas y exporta macromodelos de barras bus para posteriores simulacioes a ivel de circuito (por ej. e SPICE o e MATLAB de Simulik). Otro ejemplo es el geerador de modelos de circuitos (CMG) que crea modelos de circuitos equivaletes de alta frecuecia de iductores, reactacias de modo comú y máquias iductivas que utiliza impedacias medidas o simuladas. Se aplica modelizació de elemetos fiitos u otra simulació umérica para calcular el daño iducido por el perfil de carga aplicado que fialmete determia la vida útil esperada. herramietas, modelos y resultados, y ormalmete hará tambié participar a diseñadores que se ecuetre e lugares distitos. Por lo tato, es de la mayor importacia cetrarse e la ifraestructura ecesaria y aportar u mateimieto a largo plazo de los diversos modelos y herramietas comerciales y de propia creació. E ABB, esta tarea la lleva a cabo por el Cetro de Herramietas de Simulació (STC) de electróica de potecia de la empresa 7. Como cosecuecia de la utilizació selec tiva de simulacioes de vaguardia, las tecologías de itegració se matedrá al día co las cada vez mayores prestacioes de los dispositivos de semicoductores y sus problemas. El futuro de las aplicacioes de la electróica de potecia se caracterizará por tato por u cotiuo aumeto de la desidad de potecia, ua mejora de la fiabilidad del producto y ua reducció del coste por potecia. Didier Cottet Bruo Agostii Staislav Skibi Gerot Riedel ABB Corporate Research Bade-Dättwil, Suiza didier.cottet@ch.abb.com bruo.agostii@ch.abb.com staislav.skibi@ch.abb.com gerot.riedel@ch.abb.com Pawek Wojcik ABB Corporate Research Cracovia, Poloia pawel.wojcik@pl.abb.com Referecias [1] B. Agostii, M. Habert, Measuremet, observatio ad modelig of the performaces of a trasparet gravity drive two-phase loop, i 11 th Iteratioal Coferece o Advaced Computatioal Methods ad Experimetal Measuremets i Heat Trasfer, Talli, Estoia, 21. [2] I. Stevaovic, et al., Multicoductor cable modelig for EMI simulatios i power electroics, i Proc. 38th Aual Coferece of the IEEE Idustrial Electroics Society, Motreal, Caadá, October 25 28, 212. [3] I. Stevaovic, et al., Behavioral modelig of chokes for EMI simulatios i power electroics, IEEE Trasactios o Power electroics, vol. 28, o. 2, February 213, pp [4] G.. Riedel, et al., Reliability of Large Area Solder oits withi IGBT Modules: Numerical Modelig ad Experimetal Results, CIPS 212, pp.1,6, 6 8 March 212. Igeio itegrado 71

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