5.1. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Одним из весьма эффективных направлений энергосбере­гающих технологий является широкое применение устройств силовой электроники. Достигнутый за последние 20 лет уро­вень развития этой наукоемкой и быстроразвивающейся об­ласти техники выдвинул ее на передовые рубежи высоких технологий.

Промышленное освоение полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов, характеризующихся высокими значениями коммутируемой мощности, КПД, массогабарит­ных показателей и надежности, позволило осуществлять эко­номичное преобразование электроэнергии и открыло широ­кие возможности для создания современных преобразова­тельных устройств.

В нефтегазовой промышленности устройства силовой электроники находят все большее применение в коммутаци­онных аппаратах, устройствах плавного пуска и регулирова­ния скорости электроприводов технологических установок, агрегатов бесперебойного питания и др.

Силовая электроника — область техники, связанная с управлением потоками электроэнергии посредством мощных электронных приборов, которые, как правило, работают в ключевых режимах, пропуская или блокируя поток электро­энергии, что позволяет изменением алгоритмов их переклю­чения управлять усредненными значениями мгновенной мощности по требуемым законам. Это интенсивно разви­вающаяся область науки и техники, охватывающая по суще­ству все сферы деятельности человека — промышленность, добывающие отрасли, транспорт и др.

Основными элементами силовой электроники служат по­лупроводниковые приборы, обладающие характеристикой
ключевого элемента, которые коммутируют (включают и от­ключают) участки электрической цепи.

Действие ключевого элемента основано на том, что во включенном состоянии он обладает очень малым, а в выклю­ченном — весьма большим сопротивлением.

Обозначение ключевого элемента показано на рис. 5.1, а.

Основными параметрами ключевого элемента являются сопротивление во включенном и выключенном состояниях, остаточное напряжение и быстродействие, определяемое временем переключения.

Вольт-амперная характеристика «идеализированного» клю­чевого элемента показана на рис. 5.1, б.

Элементы с такими вольт-амперными характеристиками имеют два устойчивых состояния: включенное, соответст­вующее jRbka = 0 (участок 1 вольт-амперной характеристики); выключенное, соответствующее Двьжл = 00 (участок 2). При этом должно обеспечиваться мгновенное переключение из одного состояния в другое и, наоборот, по соответствующему логическому сигналу управления нулевой мощности.

Реальные ключевые элементы, у которых jRbka * О И Двыкл * ф оо, могут лишь приближаться по своим параметрам к «идеа­лизированным». При этом разные параметры накладывают и различные ограничения на возможность эффективного ис­пользования ключей. Так, например, вольт-амперная характе­ристика реального элемента, имеющего падение напряжения при прямом токе AUS и обратный ток Ai's (см. рис. 5.1, в), определяет потери мощности в ключе в проводящем и не­проводящем состояниях.

•JP <

А и*

и*

Потери мощности в ключе сказываются на КПД силового электронного устройства, поэтому их снижение является од­ной из основных задач разработчиков приборов.

Динамические потери в ключевом элементе, возникающие в процессе его коммутации, накладывают ограничение на по­вышение рабочих частот силовых электронных устройств.

В то же время повышение рабочих частот силовых элек­тронных устройств является доминирующей тенденцией в силовой электронике за последние годы. Это дает возмож­ность улучшить технико-экономические показатели преобра­зовательных устройств и повысить их быстродействие.

В настоящее время функции ключевых элементов выпол­няют полупроводниковые приборы различных типов. К эле­ментам силовой электроники относят приборы, рассчитанные на предельные значения среднего или действующего значе­ния тока более 10 А.

Классификацию ключевых элементов проводят по степени их управляемости. При этом под признаком управляемости подразумевают возможность переводить прибор из проводя­щего состояния в непроводящее и обратно посредством воз­действия на него маломощным управляющим сигналом.

Управляемые полупроводниковые приборы по степени управляемости подразделяются на следующие группы:

1. Не полностью управляемые приборы, которые можно посредством управляющего сигнала переводить только в про­водящее состояние, но не наоборот (традиционные тиристо­ры, симмисторы).

2. Полностью управляемые (запираемые) приборы, кото­рые можно переводить в проводящее состояние и обратно посредством управляющего сигнала (транзисторы, запирае­мые тиристоры).

Силовая электроника начиная с 80-х годов переживает вторую революцию. Ее интенсивное развитие обусловлено освоением производства за последние 15 — 20 лет новых пол­ностью управляемых приборов силовой электроники, из ко­торых в настоящее время наибольшее распространение полу­чили следующие типы:

1. Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor);

2. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (TGBT-Insulated Gate Bipolar Transistor);

3. Запираемые тиристоры (GTO-Gate-Tum-Off);

4. Запираемые тиристоры с интегрированным управлени­ем (IGCT-Integrated Gate-Commutated Thyristor).

5. Запираемые тиристоры, коммутируемые по управляе­мому электроду (GCT-Gate-Commutated Thyristor),

6. Запираемые тиристоры с полевым управлением (MCT-Cortrol Thyristor), содержащие в системе управления два полевых транзистора, один из которых обеспечивает про­цесс включения, подавая импульс тока на управляющий электрод, а другой аналогично — процесс выключения ти­ристора.

Низкий уровень потерь энергии и малая мощность управ­ления современных приборов силовой электроники позволя­ет реализовать силовые интегральные схемы, в которых на одном кристалле технологическими приемами изготавливают­ся силовые ключевые элементы, устройства их управления, защиты и диагностики. Такие устройства получили название интеллектуальных силовых (Smart Intelligent) схем. Их можно определить как устройства функционально и конструктивно объединяющие элементы силовой и информационной элек­троники на основе высоких технологий и интеграции.

Области применения приборов силовой электроники сле­дующие.

Традиционные тиристоры (SCR) — преобразователи с ес­тественной (сетевой) коммутацией большой (свыше 1 МВ'А) мощности, применяемые для электроприводов постоянного тока, высоковольтных регулируемых электроприводов пере­менного тока, мощных статических компенсаторов реактив­ной мощности, технологических целей (электролиз, гальвани­ка, плавка).

Запираемые тиристоры (GTO) — преобразователи мощно­стью в сотни киловольт-ампер (а в будущем свыше 3 MB А) для привода вентиляторов, компрессоров, насосов (в том числе высоковольтных), мощных агрегатов бесперебойного питания (АБП), статических компенсаторов реактивной мощности.

GCT превосходит GTO по быстродействию и стойкости к скоростям изменения тока и напряжения. Последние разра­ботки GCT способны блокировать напряжение до 6 кВ и управлять током до 6 кА.

Тиристоры МСТ имеют ряд принципиальных преимуществ перед тиристорами типа GTO и GCT в отношении быстро­действия и в более простой реализации управления.

Область применения GCT и МСТ аналогична GTO.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — преобразователи мощностью до единиц мегавольт - ампер для электроприводов переменного тока, АБП, статиче­ских компенсаторов реактивной мощности и активных фильтров, ключевых источников питания.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) — высокочастотные преобразователи (сотни кило­герц) и низковольтные преобразователи для приводов вен­тильных двигателей, компактных АБП, ключевых источников питания.

Симмисторы (Triac) — преобразователи для пуска и управления двигателями переменного тока, ключи и реле.

В настоящее время перечисленные полностью управляе­мые приборы силовой электроники вытесняют практически из всех областей применявшиеся ранее традиционные тири­сторы (SCR-Silicon Controlled Rectifier) и биполярные силовые транзисторы (BPT-Bipolar Power Transistor), так как при тех же коммутируемых токах и напряжениях они имеют значи­тельно меньшие мощности управления и время коммутации, более высокую стойкость к перегрузкам по току и напряже­нию, а также более широкую область безопасной работы. Высокие частоты коммутации (до 50 кГц), простота и малая мощность систем управления обеспечили значительное улуч­шение технико-экономических показателей (снижение габа­ритов и массы, повышение надежности и КПД) преобразова­тельного оборудования на базе IGBT по сравнению с обору­дованием с использованием тиристоров (SCR).

IGBT является продуктом развития технологии силовых транзисторов и сочетает в себе два транзистора в одной по­лупроводниковой структуре: биполярный (образующий сило­вой канал) и полевой (образующий канал управления). При­бор введен в силовую цепь выводами биполярного транзи­стора Е (эмиттер) и С (коллектор), а цепь управления — вы­водом G (затвор).

Таким образом, IGBT имеет три внешних выхода: эмиттер, коллектор, затвор. Сочетание двух приборов в одной струк­туре позволило объединить достоинства полевых и биполяр­ных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном состоянии.

Коммерческое использование IGBT началось с 1980-х годов и уже прошло четыре стадии своего развития. Параметры IGBT существенно улучшались, утраиваясь каждые два года.

I поколение (1985 г,): предельные коммутируемые напря­жения 1000 В и токи 200 А, прямое падение напряжения в открытом состоянии 3,0 —3,5 В, частоты коммутации до 5 кГц ( время включения/выключения около 1 мкс).

II поколение (1991 г.): коммутируемые напряжения до 1600 В, токи до 500 А, прямое падение напряжения 2,5 —3,0 В, частота коммутации до 20 кГц (время включения/выключения около 0,5 мкс).

III поколение (1994 г.): коммутируемые напряжения до 3500 В, токи до 1200 А, прямое падение напряжения 1,5 — 2,2 В, частота коммутации до 50 кГц (время включе­ния/выключения около 200 не).

IV поколение (1998 г.): коммутируемые напряжения до 4500 В, токи до 1800 А, прямое падение напряжения 1,0 — 1,5 В, частота коммутации до 50 кГц (время включе­ния/выключения около 200 не).

IGBT в устройствах силовой электроники будет занимать доминирующее положение как минимум и следующее деся­тилетие.

По прогнозам в ближайшие годы IGBT полностью заменят традиционные биполярные транзисторы и GTO в преобразо­вательном оборудовании мощностью до единиц мегавольт - ампер. В области малых мощностей и низковольтных преоб­разователей будут доминировать MOSFET, а в области боль­ших мощностей (выше 3 МВ-А) — GTO.

За последние годы рядом фирм (ABB, «Mitsubishi») освоено производство нового класса приборов силовой электроники IGCT-тиристоров, управляемых по затвору. По сравнению с GTO у IGCT значительно снижены падение напряжения при прямом токе и мощность управления (снижена примерно в 5 раз), уменьшены статические и динамические потери, значи­тельно увеличено быстродействие. На базе IGCT изготовлен и с 1996 года проходит опытную эксплуатацию преобразова­тель мощностью 100 MB-А (г. Бремен).

Число квалификационных испытаний и опыт эксплуатации преобразователей на базе IGCT показали, что для 3 MB'А трехфазного инвертора можно получить наработку на отказ не менее 45 лет и интенсивность потока отказов не более 2300 FIT (FIT соответствует одному отказу на миллиард часов).

Ожидается, что приборы IGCT будут основными элемен­тами для применения в области средних и больших напряже­ний мощностью от 0,5 до 100 MB-А. Это достигается последо­вательным соединением мощных приборов. Высокая надеж­ность IGCT и возможность последовательного соединения достаточного числа приборов открывает широкие перспек­тивы их применения в области очень высоких мощностей и в специальном силовом оборудовании.

Сравнительные характеристики современных приборов силовой электроники с двухсторонним теплоотводом Тип прибора Преимущества Недостатки Относительная стоимость Традиционный тиристор (SCR) Самые низкие потери во включенном состоя­нии. Самая высокая пере­грузочная способность. Высокая надежность. Возможность парал­лельного и последова­тельного соединения Не способен к принудительному запиранию по управляющему электроду. Низкая рабочая частота 1 Запираемый тиристор (GTO) Способность к управ­ляемому запиранию. Сравнительно высокая перегрузочная способ­ность. Возможность последо­вательного соединения. Рабочие частоты до 250 Гц при напряже­нии до 4 кВ Высокие потери во включенном состоянии. Очень большие потери в системе управления. Сложные систе­мы управления. Большие потери при переключе­нии 2 Запираемый тиристор с интегрирован­ным управле­нием (IGCT) Способность к управ­ляемому запиранию. Перегрузочная способ­ность такая же, что у СТО. Низкие потери во включенном состоянии на переключение. Рабочая частоты до единиц кГц. Встроенный блок управления. Возможность последо­вательного соединения Не выявлены из - за недостаточно­го опыта экс­плуатации 3 Пиполярный транзистор с изолирован­ным затвором (IGBT) Способность к управ­ляемому запиранию. Высокая рабочая час­тота (десятки кГц). Простая неэнергоемкая система управления. Встроенный драйвер Большие потери во включенном состоянии 4

С учетом дополнительных требований по низкой СТОИМО­СТИ, малого числа элементов в преобразователе и высокой ■эффективности в сравнении с другими приборами силовой электроники 1GCT не имеют реальных конкурентов в этом диапазоне мощностей.

В табл. 5.1 приведены сравнительные характеристики со-

Таблица 5.2 Параметры приборов силовой электроники Тип прибора Фирма- изготовитель Марка Ток, А Напряжение, В Традиционный тиристор «АВВ Semiconduc­tors» 5STP 34N5200 3500 4400 GTO «АВВ Semiconduc­tors» 5SGT 30J6004 3000 6000 IGCT «АВВ Semiconduc­tors» 5SHY 35L4502 4000 6000 IGBT «Toshiba Semiconductor Group» ST1200FXF21 1200 3300 Примечания: 1. Ток для традиционного тиристора — номинальный средний ток, для остальных (полностью управляемых) приборов — макси­мальный повторяющийся запираемый ток. 2. Напряжение для IGBT — мак­симальное напряжение коллектор-эмиттер, для остальных приборов — по­вторяющийся импульс напряжения в закрытом состоянии.

временных приборов силовой электроники, а в табл. 5.2 — параметры некоторых из них (производство фирм АВВ и «To­shiba»).

Приборы силовой электроники выпускают следующие за­рубежные фирмы: АВВ (Швейцария), «International Rectifier» (США), «Semikron» (ФРГ), «Siemens» (ФРГ), «Mitsubishi» (Япо­ния), «Toshiba» (Япония) и др.

Для улучшения технико-экономических показателей уст­ройств силовой электроники широко используется интегра­ция силовых ключей, соединенных, как правило, по типовым наиболее распространенным схемам.

Интегрированные отдельные приборы в одном, обычно пластмассовом, корпусе с теплоотводящим основанием назы­вают модулем.

При этом металлическое основание для отвода теплоты от­деляется от токоведущих элементов специальным электро­изоляционным слоем. Этот слой, с одной стороны, обеспечи­вает необходимую электрическую изоляцию интегрирован­ных элементов, а с другой — хорошую теплопроводность ме­жду токопроводящими элементами и металлическим основа­нием.

Следует отметить, что более половины всех современных силовых полупроводниковых приборов выпускаются и будут выпускаться в модульном исполнении. В простейшем случае модуль представляет собой один или совокупность несколь­ких силовых ключевых элементов, а в более сложном — пре­образователь параметров электрической энергии. Одно-, двух-, четырех - и шестиключевые модули позволяют созда­вать компактные и надежные преобразовательные устройст­ва. Выпускаются такие функционально законченные модули, например, преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока. На рис. 5.2 приведены схемы модулей IGBT, выпускаемых фирмой «Mitsubishi».

Обычно модули выпускаются с обратным и быстро вос­станавливающимися диодами (FRD) или без них.

По быстродействию IGBT уступают MOSFET, но значи­тельно превосходят биполярные.

Ток управления IGBT мал, поэтому цепь управления — драйвер конструктивно компактна. В модулях IGBT драйверы могут быть непосредственно включены в их структуру.

Главные направления в области разработки перспектив­ных типов IGBT в ближайшие годы состоят в расширении диапазона рабочих токов до 2000 А и рабочего напряжения до 3500 В, частоты переключения до 70 кГц при улучшении формы импульсов и упрощении схем управления.

Интеллектуальные силовые модули (IPM-Intelligent Power Modules) имеют высокий КПД и являются новым этапом раз-

б в

Рис. 5.2. Схемы модулей IGBT: а — одноключевого; б — двухключевого (полумостового); в — трехфазного мостового; г — преобразователя частоты по схеме выпрямитель-инвертор

вития силовых ключей на базе IGBT модулей. Они представ­ляют собой функционально законченное изделие, исполнен­ное в компактном изолированном корпусе. Кроме силовой части схемы преобразователя (мостового одно - или трехфаз­ного выпрямителя, мостового инвертора), могут содержать в одном корпусе также датчики, драйверы, устройства защит и диагностики, источники питания и др.

В настоящее время IPM в основном представляют собой преобразователи частоты электроприводов переменного тока (исключая контроллер переменного тока). В последующих поколениях IPM планируется контроллер на базе однокри­стальной ЭВМ включить в состав модуля. Максимально дос­тигнутый уровень мощности IPM равен 200 А/1200 В (каждо­го ключа мостового трехфазного инвертора напряжения).

Конструктивно IGBT-модули можно условно разбить на 2 типа: паянной с изолированным основанием (предельные параметры 2,4 кА и 3,3 кВ) и прижимной (таблеточной) кон­струкции (предельные параметры 1,2 кА и 3,3 кВ). Последние, помимо высокой надежности, термоциклоустойчивости, луч­шего охлаждения, имеют еще по сравнению с IGBT-модулями с изолированным основанием меньшую паразитную индук­тивность выводов (единицы наногенри). При этом снижаются перенапряжения на выводах приборов и повышается надеж­ность модулей.

Как правило модули паянной конструкции применяются в промышленных электроприводах, прижимной конструк­ции — в линиях электропередачи постоянного тока и элек­трифицированном транспорте.

Разработки подобных модулей паянной и прижимной кон­струкции, а также с повышенными требованиями к механи­ческим и климатическим воздействиям ведутся в России. НПП «ИНЭЛС» завершило разработку серии силовых MOSFET и IGBT-модулей с изолированным основанием на токи 400 А и напряжением 1200 В. Промышленное производ­ство таких модулей освоено на ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) и ОАО «Контур» (г. Челябинск).

Серию силовых IGBT-модулей на токи 1200 А и напряже­ния 1700, 2500 и 3300 В в пластмассовых корпусах осваивает ОАО «Электровыпрямитель».

Серии IGBT-модулей в стандартных и оригинальных кор­пусах разрабатывают также ОАО «Искра» (г. Ульяновск) и ОАО «Протон» (г. Орел).

Ведутся работы по созданию серии IGBT-модулей по при­жимной технологии в герметичных корпусах таблеточной конструкции диаметром 75 мм (1000 А/2500 В) и диаметром Н5 мм (1200 А/3300 В).

На ряде предприятий электронной промышленности ос - ноено промышленное производство силовых полевых транзи­сторов с изолированным затвором (MOSFET). Воронежский іавод полупроводниковых приборов производит более десяти типов таких приборов.

Характеристики модулей силовой электроники, выпускае­мых отечественной промышленностью, приведены в табл. 5.3. Условные обозначения модулей, приведенных в табл. 5.3, сле­дующие:

М — модуль бес потенциальный (основание модуля изоли­ровано);

2 — число ключей;

ТКП — полевой МОП-транзистор с изолированным затво­ром;

ДТКИ-диод — биполярный транзистор с изолированным затвором;

ТКИД — биполярный транзистор с изолированным затво­ром - диод;

25; 35; 50; 75; 80; 100; 150 — максимально допустимый ток, А;

0,6; 1; 2; 5; 6; 10; 12 — максимально допустимое напряже­ние (х 100 В) — класс прибора.

Климатическое исполнение приборов — УХЛ, Т; категория размещения — 2; 3.

Схемы модулей MOSFET и IGBT, указанных в табл. 5.3, приведены на рис. 5.3, а общий вид модуля — на рис. 5.4.

Применение модулей позволяет значительно снизить мас­су, габариты и стоимость преобразовательных устройств. Их применение оказывает существенное влияние не только на технико-экономические показатели оборудования, но и изме­няет технологию проектирования устройств силовой элек­троники, сводя ее к выбору элементов высокой заводской готовности на требуемые входные и выходные параметры.

За последние годы значительно возросли параметры (ток, напряжение, быстродействие) традиционных приборов сило­вой электроники: диодов, транзисторов, оптотиристоров и тиристоров. Кроме диодов одиночного исполнения выпуска­ются силовые модули, включающие в себя последовательно­параллельные сборки и схемы мостовых конфигураций. Отечественной электронной промышленностью освоен вы­пуск в модульном исполнении на напряжение до 400 В одно­фазных выпрямителей на токи 16, 20 и 25 А, а также трех-

Таблица 5.3 Характеристики модулей силовой электроники на базе MOSFET и IGBT Двухключевые (полумостовые) моду­ли на базе МОП-транзисторов Двухключевые (полумостовые) модули на биполярных транзисторах с изолиро­ванным затвором Диод-транзисторные и транзистор- диодные модули (чопперы) Тип CQ ё Id, А Тип и,„ В 1с. А Тип и„. В /с, А М2ТКП-25-6 600 2x25 М2ТКИ-25-12 1200 2x25 МДТКИ-25-12 1200 2x25 М2ТКП-35-5 500 2x35 М2ТКИ-50-12 1200 2x50 МДТКИ-50-12 1200 2x50 М2ТКП-45-4 400 2x45 М2ТКИ-75-12 1200 2x75 МДТКИ-75-12 1200 2x75 М2ТКП-80-2 200 2x80 М2ТКИ-100-12 1200 2x100 МДТКИ-100-12 1200 2x100 М2ТКП-125-1 100 2x125 М2ТКИ-150-12 1200 2x150 МДТКИ-150-12 1200 2x150 М2ТКП-200-0.6 60 2x200 МТКИД-25-12 1200 2x25 МТКИД-50-12 1200 2x50 МТКИД-75-12 1200 2x75 МТКИД-100-12 1200 2x100 МТКИД-150-12 1200 2x150 Примечание: Uds — максимальное напряжение сток — исток; Id — максимальный ток стока; U„ — максималь- ное напряжение коллектор - эмиттер; 1с — максимальный ток коллектора.

194

Рис. 5.3. Схемы силовых модулей: а — двухключевого (полумостового) на базе MOSFET; б — полумостового на базе IGBT; в — диод-транзисторного; г — транзистор-диодного; 1 — 3 — сило­вые выводы; 4 — 7 — выводы цепей управления

фазных выпрямителей на ток 65 А. На рис. 5.5 показаны схе­мы диодных модулей, выпускаемых фирмой «Mitsubishi».

Основной тенденцией развития современных полупровод­никовых устройств является переход от использования дис­кретных компонентов к силовым электронным системам, объединяющим в едином конструктивном элементе функции силовой электроники (преобразователь на базе ключевых

элементов, драйверы, устройства защиты), и информацион­ной электроники (контроллер), датчики тока и напряжения, электрические аппараты и др.