4. Изделия силовой электроники в структуре современных средств автоматизации и устройств коммутации тока

Как известно, к концу 70-х гг. основу элементной базы сило­вой электроники составляли пять групп приборов:

1. Неуправляемые полупроводниковые диоды (вентили), в основном кремниевые.

2. Традиционные тиристоры (SCR — Silicon Controlled Rectifier).

3. Запираемые тиристоры (GTO — Gate — turn — off).

4. Биполярные транзисторы (ВРТ — Bipolar Power Transistor).

5. Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET Metal — Oxid — Semiconductor — Field — Effect — Transistor).

Об элементах первых четырех групп хорошо осведомлены практически все специалисты, так или иначе сталкивающиеся с современным электрооборудованием. Кроме того, существует бо­льшое количество любительских и профессиональных справочных изданий, в достаточной мере освещающих параметры и все аспек­ты применения. Полевые транзисторы MOSFET с изолированным затвором — с начала 80-х гг. наиболее динамично развивающийся класс приборов. Основная область применения: высокочастотные преобразователи (сотни килогерц), мощные ключи постоянного тока, низковольтные (до 200 В) преобразователи для ключевых ис­точников питания, приводов вентильных двигателей, электронных ключей постоянного тока, компактных систем бесперебойного питания. Годовые темпы прироста выпуска на мировом рынке из­делий на базе MOSFET в 1989 г. составили 63 %, в 1994 г. — 57 %. К 1999 г. прогнозировалось 46 %. В табл. 12 приведены предель­ные значения основных параметров силовых МОП-транзисторов (MOSFET), достигнутых к концу 1998 г.

Запираемые тиристоры GTO — это обособленный класс полно­стью управляемых полупроводниковых приборов, широко приме­няемых в мощных коммутационных аппаратах и преобразователь­ной технике. Вплоть до 1997 г., в связи с общим падением про­мышленного производства, уровень коммерческого спроса на этот перспективный класс приборов силовой электроники упал, хотя есть предпосылки массового применения в электроподвижном со­ставе городского и железнодорожного транспорта в качестве основного элемента управляемых выпрямителей. Некоторые огра­ничения вносятся из-за существующих осложнений при работе за­пираемых тиристоров на частоте коммутации выше 500 Гц вследст­вие значительных потерь энергии в снабберных (демпфирующих)

цепях и в самом тиристоре. Проведенные исследования и технологические решения при­вели к созданию запираемых тиристоров 2-го поколения, которые могут работать на час­тотах выше 500 Гц с довольно малыми емкостями снабберной цепи, а то и вовсе без них. Это так называемые GCT-тиристоры. На рис. 4.1 иллюстрируется типовая схема включения запираемого тиристора с элементами снабберной цепи: Cg, Rg, Dg. Do6p — диод обратного тока; Rg — резистор управляющей цепи.

Рис. 4.1

Крупнейшим производителем силовых полупроводниковых приборов ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) осваиваются новейшие технологические методы, позволяющие изготовлять оп­тимизированные запираемые тиристоры: мезатехнология, протон­ное и электронное облучение рекомбинационных центров полу­проводниковой структуры, технологии прозрачных или тонких эмиттеров и др. Все это дает возможность снизить почти вдвое зна­чение снабберной емкости (примерно до 1 мкФ на 1000 А комму­тируемого тока) и соответственно повысить частоту коммутации до 1100 Гц без заметного увеличения потерь. Наиболее общим на­правлением работ по совершенствованию GCT-тиристоров являет­ся реализация запирания очень большим током, равным или пре­восходящим анодный ток, вводимым через управляющий электрод с очень большой скоростью 1000—2000 А/мкс. Это дает возмож­ность снизить время задержки выключения примерно в 8—9 раз. В табл. 34 и табл. 35 Приложения приведены основные параметры серийно выпускаемых и перспективных запираемых тиристоров соответственно. С позиций электросберегающих технических ре­шений запираемые тиристоры применяются, и будут применяться для изготовления мощных бесконтактных коммутационных аппа­ратов: электронных пускателей «мягкого» пуска, устройств дина­мического торможения, переключателей ответвлений в специаль­ных трансформаторах и т. д.

К концу 1990 г. появились новые классы приборов — биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) и на их основе интеллектуальные силовые ин­тегральные схемы и модули. Эти приборы являются продолжени­ем технологии развития и совершенствования силовых транзисто­ров со структурой металл — оксид — полупроводник, управляемых электрическим полем. Как и силовой транзистор со структурой MOSFET, IGBT имеет изолированный затвор и очень малую мощ­ность управления. По быстродействию IGBT уступают полевым транзисторам MOSFET, но значительно превосходят биполярные. Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спадания тока при выключении IGBT составляют соответственно 0.2—0.4 и 0.2—1.5 мкс. Следует отметить, что практически каждые полгода увеличивается уровень предельных параметров. Например, первое поколение IGВТ-транзисторов (1985 г.) допускало предельные коммутируемые напряжения 1000 В и токи 200 А в модульном и 25 А в дискретном исполнении. При этом прямое паление напряжения в открытом состоянии не превышало 3—3.5 В при частоте коммутации до 5 кГц, время включения око­ло 1 мкс. Второе поколение приборов до 1991 г. включительно по­зволяло коммутировать напряжения до 1600 В, токи до 500 А в модульном исполнении и 50 А в дискретном исполнении; снизи­лось прямое падение напряжения до 2.5—3 В, частота коммутации увеличилась до 20 кГц, время включения/выключения снизилось до 0.5 мкс. Третье поколение, конец 1994 г., характеризуется сле­дующими параметрами:

• максимальное коммутируемое напряжение до 3500 В;

• максимальный ток в модульном исполнении до 1200 А;

• максимальный ток в дискретном исполнении до 120 А;

• прямое падение напряжения 1.5—2.2 В;

• частота коммутации 50 кГц;

• время включения/выключения около 0.2 мкс.

Кроме этого, приборы третьего поколения имеют потери при выключении на 30 % меньшие, при включении — 35 %, парамет­ры обратного диода — на 35—30 % лучшие. Стремительный рост уровня параметров обусловлен ростом требований к приводам пе­ременного тока, в которых основным звеном является независи­мый инвертор напряжения, собранный на IGВТ-транзисторах, выполняющий функцию преобразователя частоты. На российском рынке с транзисторами IGBT и модулями сложилась ситуация, в которой трудно выделить доминирующее положение конкретного производителя, т. к. продажу изделий через свои представительст­ва в России ведут порядка 18 фирм, включая Fuji, Toshiba (Япо­ния), Siemens & Eupec (Германия), International Rectifier (США). Делают свои шаги и российские производители, выпускающие ди­скретные МОП и IGBT-транзисторы, двухключевые полумосто­вые модули на базе МОП и IGВТ-транзисторов (рис 4.2). Коорди­нацию производства и применения изделий осуществляет науч­но-промышленный консорциум «Интеллектуальная силовая электроника» НПП «ИНЕЛС».

Рис. 4.2

Силовые модули с изолированным основанием содержат два последовательно соединенных ключа на полевых (М2ТКП) или биполярных транзисторах с изолированными затворами с обрат­ными быстровосстанавливающимися диодами (М2ТКИ) или по­следовательно соединенные диод-биполярный транзистор с изо­лированным затвором с обратным быстровосстанавливающимся диодом (МТКИД, МДТКИ) — чопперы. Разработан и уже изго­тавливается производственной базой ВЭИ ряд силовых модулей на полевых транзисторах MOSFET и биполярных транзисторах с изолированным затвором IGBT, состоящий из:

• стойки моста с регулятором напряжения на полевых транзи­сторах МПТО.1РП200, МПТО.1РП201 (рис. 4.3); на IGВТ-транзисторах МИТО.1РП200, МИТО.1РП201 (рис. 4.4);

Рис. 4.3 Рис. 4.4

• сетевого однофазного выпрямителя с регулятором постоян­ного напряжения, трехфазного инвертора и драйвера, согла­сующего систему управления с затворами силовых элементов схемы.

Блок-схема модуля на полевых транзисторах МРПТ1.3МРИ100 и МРПТ1.3МРИ102 показана на рис. 4.5, а на IGВТ-транзисторах— на рис. 4.6. Модули выпускаются в пластмассовых кор­пусах.

Рис. 4.5

Рис. 4.6

Основные технические характеристики силовых модулей при­ведены в табл. 29, 30, 31 (для модулей на силовых транзисторах и для модулей на IGBT-транзисторах), где:

— максимально допустимое напряжение сток-исток;

— максимально допустимый постоянный ток стока;

— максимально допустимое постоянное обратное напряже­ние диода;

— напряжение коллектор-эмиттер;

— максимально допустимый постоянный ток коллектора;

— средний прямой ток диода;

— напряжение гальванической развязки.

Отечественная промышленность только осваивает полномос­товые модули, в то время как множеством зарубежных фирм вы­пуск их налажен еще с 1993 г., например Siemens AG (Германия), International Rectifier (США), Fuji (Япония).

Выбор силовых приборов, кроме IGBT-транзисторов, по­дробно описан в популярной и профессиональной технической литературе. Поэтому подробнее остановимся на описании основных параметров биполярных транзисторов с изолирован­ным затвором.