Типовые схемы модулей ключей

Для улучшения технико-экономических показателей силовых электронных устройств – преобразователей, регуляторов и других широко используется интеграция силовых ключей, соединенных, по типовым, наиболее распространенным схемам. Интегри­рованные отдельные приборы в одном, обычно пластмассовом корпусе с теплоотводящим основанием называются модулями. Металлическое основание для отвода тепла отделяется от токопроводящих элементов специальным электроизоляционным слоем. Этот слой, с одной сторо­ны, обеспечивает необходимую электрическую изоляцию интегриро­ванных элементов, с другой – хорошую теплопроводность между токопроводящими элементами и металлическим основанием.

Типовые схемы соединения элементов в модулях обычно соответ­ствуют типовым схемам преобразования параметров электрической энергии (например, однофазные и трехфазные мостовые схемы выпрямителей и инверторов, схемы двухтактных ключевых регуляторов и т.д.).

IGBT-модули

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком.

В настоящее время IGBT-транзисторы выпускаются, как правило, в виде модулей в прямоугольных корпусах с односторонним прижимом и охлаждением или в таблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением. Модули с односторонним охлаждением выполняются в прочном пластмассовом корпусе с паяными и винтовыми контактами и изолированным основанием (рис. 6.17.). Все электрические контакты находятся в верхней части корпуса. Отвод тепла осуществляется через основание.

Рис. 6.17. Внешний вид IGBT-модулей

IGBT-модуль по внутренней электрической схеме может представлять собой единичный IGBT, двойной модуль, где два IGBT соединены последовательно (полумост), прерыватель, в котором единичный IGBT последовательно соединён с диодом, однофазный или трёхфазный мост. Во всех случаях, кроме прерывателя, модуль содержит параллельно каждому IGBT встроенный обратный диод. Наиболее распространённые схемы соединений IGBT- модулей приведены на рис. 6.18.

Рис. 6.18. Схемы соединений IGBT-модулей

«Интеллектуальные» силовые интегральные схемы

Развитие высоких технологий в области силовой электроники привело в конце 80-х годов к созданию новой элементной базы, получившей название Smart Power Integrated Circuits – «интеллектуальные» силовые интегральные схемы (ИСИС).

Ток управления IGBT-модуля мал, поэтому цепь управления – драйвер, конструктивно компактна. В связи с этим в IGBT-модулях драйверы непосредственно включены в их структуру.

По существу ИСИС являются электронными модулями, объединяющими в одном кристалле (или корпусе) как силовые электронные компоненты, например силовые транзисторы, так и схемы их управления, защиты, диагностики состояния модуля, а также различные интерфейсы, позволяющие обеспечить функциони­рование модуля в системе с учетом обмена информацией и контроля более высокого уровня. ИСИС можно определить как устройство, функционально и конструктивно объединяющее элементы силовой и информационной электроники на основе высоких технологий их интеграции.

В «интеллектуальных» транзисторных модулях (ИТМ – альтернативное название ИСИС), в ряде случаев предусматривается система управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и микропроцессор. Во многих модулях имеется схема активного фильтра для коррекции коэффициента мощности сos и уменьшения содержания высших гармоник в питающей сети.

Модули ИСИС могут создаваться как в одном кристалле, так и посредством объединения элементов в одном корпусе по гибридной технологии. Монокристальные ИСИС более ком­пактны и надежны. В качестве силовых ключей в таких модулях получили распространение силовые МОП- и IGBT-транзисторы. Основными преимуществами ключей этого типа являются малая мощность управления и высокая рабочая частота.

На основе МОП-технологий, обеспечивающих высокую плотность интеграции элементов в кристалле, реализуются и логические схемы, и аналоговые схемы управления. В наиболее общем случае модуль ИСИС включается между источником питания и нагрузкой с харак­терными функциональными элементами, что отражено на рис. 6.19.

Рис. 6.19. Структурная схема ИСИС

Функциональные узлы управления, в частности, логические схе­мы, генераторы импульсов, компараторы и другие обычно имеют гальваническую развязку от цепей силовых ключей. Такая развязка необходима для нормального функционирования системы с ИСИС, так как их выходные цепи связаны с силовой частью объекта управления, например, асинхронным двигателем. В то же время цепи управления ИСИС являются низковольтными и маломощными схе­мами с разветвленной топологией, не допускающие воздействия существенных помех со стороны силовых цепей. Для гальванической развязки обычно используют трансформаторы или оптоэлектронные приборы.

Развязка посредством трансформатора является весьма эффектив­ной и малокритичной к напряжениям и мощности развязываемых цепей. Однако ее реализация связана с усложнением конструкции модуля ИСИС и может значительно повлиять на его технико-эконо­мические показатели.

Основным недостатком оптоэлектронной развязки является отри­цательное влияние «паразитной» емкости между элементами оптопары, что может оказаться существенным при воздействии высоко­частотных помех. Драйверы ИСИС обычно выполняются на основе МОП-транзисторов в соответствии с общепринятой схемотехникой для конкретных типов силовых ключей оконечного каскада модуля.

Большинство современных ИСИС имеют собственную защиту силовых ключей по току, напряжению и температуре. Основой такой защиты являются датчики, контролирующие эти параметры. При этом используются способы, основанные на измерении парамет­ров косвенным методом. Например, ток нагрузки определяется по падению напряжения на транзисторе. С этой целью в качестве датчиков используют маломощные измерительные транзисторы, включаемые таким образом, чтобы минимизировать потери мощности при измерении и обеспечить максимальное быстродействие защиты.

Сигналы различных датчиков сравниваются с допустимыми (эта­лонными) значениями. Результирующие сигналы этих измерений обычно суммируются и поступают в триггерный элемент, срабатыва­ние которого блокирует поступление импульсов управления на сило­вые транзисторы. Одновременно информация об аварии посту­пает через интерфейс во внешние управляющие устройства.

Часто внешние управляющие устройства содержат микропроцес­сорную систему, которая обрабатывает поступающую информацию и вы­даёт соответствующие команды в большое количество ИСИС с различными функциями. Однако в отдельных случаях возникает необходимость, чтобы ИСИС содержала собственный микропроцессор, обеспечивающий управление силовыми ключами по определенному закону и их диагно­стирование.

Микро­процессорные ИСИС находят применение в самых различных обла­стях техники и существенно повышают технико-экономические показатели систем. Такой, наиболее обширной, областью является автоматизированный электропривод.

Основными преимуществами применения ИСИС являются: улуч­шение массогабаритных показателей управляющих устройств; высокое быстродействие, надёжность, возможность самодиагностики; мини­мизация монтажных соединений; программное изменение функций и высокие технические характеристики.

Теплоотвод в силовых электронных приборах

Тепловые режимы работы силовых электронных ключей

При работе силовых полупроводниковых приборов – диодов, тран­зисторов, тиристоров и других в ключевых режимах, в их внутренних структурах происходит выделение активной мощности, которая на­зывается мощностью потерь в ключевом элементе. Общие потери в ключевом элементе при работе в периодическом импульсном режиме принято разделять на статические и динамические. Эти потери приводят к нагреву полупроводниковой структуры прибора. Превышение этой температуры сверх допустимого значения для данного прибора приводит к выходу его из строя. Поэтому надежная работа прибора определяется не только электрическими параметра­ми, но и температурой внутренней структуры. Для снижения этой температуры принимаются меры как для снижения мощности потерь, в частности динамических, так и используются различные способы отвода тепла от прибора, т. е. его охлаждения. Обычно для этой цели используются металлические теплоотводящие радиаторы различной формы с искусственным или естественным охлаждением.

Рассмотрим тепловые режимы работы прибора, используя анало­гию тепловых и электрических процессов на примере упрощенных схем замещения. В целях упрощения будем считать, что тепловые процессы в приборе аналогичны электрическим процессам, протекающим в ли­нейной цепи с сосредоточенными параметрами. Тогда в установив­шемся тепловом режиме, полагая потери мощности в приборе посто­янными и равными среднему значению, можно составить схему замещения, приведённую на рис. 6.20.

Рис. 6.20. Схема замещения теплопроводящей системы

«полупроводниковый кристалл – корпус прибора - охладитель»

Здесь мощность потерь Р_п соответствует току, а значения температуры в различных частях прибора T_i - потенциалам напряжения. По аналогии с законом Ома эти параметры связаны с сопротивлениями цепи R_i. В схеме замещения выбраны следующие тепловые сопротивления, как наиболее значимые:

• R_j-c – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристал­лом и корпусом прибора [°С/Вт];

• R_c-s – тепловое сопротивление между корпусом прибора и охлади­телем;

• R_s-a – тепловое сопротивление между охладителем и окружающей средой.

Соответственно, усредненная температура кристалла – T_j, корпуса прибора – Т_с, охладителя – Т _s и окружающей среды – Т_a. Следует отметить, что под окружающей средой понимается среда, в которой находится охладитель, а не аппарат.

Согласно схеме на рис. 6.20. температуру кристалла прибора можно определить по формуле

Т_j = Р_п (R_j-c + R_c-s + R_s-a) + Т_а .

Из этой формулы видны основные пути снижения усредненного значения температуры кристалла. Реально значения этой температуры будут различаться в структуре кристалла. Обычно наибольшие значения имеют области р-п переходов.

В импульсных режимах работы потери мощности в ключах также имеют импульсный характер. При высоких значениях скважности импульсов мощности температура кристалла тоже начинает колебаться, значительно отличаясь от среднего значения. Эти явления возникают из-за инерционности процессов теплопередачи. При определённых параметрах импульсов мгновенное значение температуры внутри прибора может превысить допустимое значение, что приведёт к необратимым изменениям в структуре полупроводникового кристалла. На рис. 6.21. представлены диаграммы импульсов потерь мощности прямоугольной формы и соответствующего изменения температуры в кристалле полупроводникового прибора.

Рис. 6.21. Диаграммы импульсов мощности и изменения температуры в импульсном режиме работы ключа

При частотах много выше, чем постоянная времени теплового процесса, пульсациями температуры внутри прибора можно пренебречь, так как они становятся незначительными.