Силовая полупроводниковая элементная база. Учебное пособие

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Выходное напряжение солнечной батареи СБ поступает на экстремальный регулятор ЭР и на зарядное устройство ЗУ аккумуляторов Ак. Входное напряжение инвертора Инв или выходное напряжение регулятора ЭР, или выходное напряжение аккумуляторов Ак, переключение которых на тот или иной режим определяется интенсивностью излучения солнечной радиации. Инвертор Инв преобразует эти постоянные напряжения в переменное Uн частоты 50 Гц (или 60 Гц). Для оптимизации работы аккумуляторов существует сигнал обратной связи «Упр. зар.», при помощи которого зарядное устройство по уровню их разряда формирует соответствующие величины тока заряда.

Как видно из схемы, приведенной на рисунке 6.7, солнечные электростанции обладают структурной сложностью, значительной материалоемкостью и высокой стоимостью. В этом отношении наиболее затратными в СЭС являются солнечные батареи и аккумуляторные батареи. Можно представить себе аккумуляторы, которые в ночное время должны обеспечивать потребителей мощностью в де- сятки-сотни мегаватт. При этом необходимо учитывать, что изготовление солнечных батарей и аккумуляторов является экологически чрезвычайно вредным производством.

СЭС большой и сверхбольшой мощности располагаются на больших пространствах, которые в результате не могут быть использованы в других целях, например, сельскохозяйственных.

Очевидно, что рациональным пространственным расположением таких СЭС являются пустынные местности, которые не могут быть использованы в других народнохозяйственных целях. Поэтому переход на электроснабжение промышленных предприятий, бытовых целей и др. от СЭС в больших масштабах возможен не во всех странах.

Итак, ясно, что существующее в быту мнение о «бесплатности» солнечной радиации совершенно некорректно. Кроме того, выходным силовым параметром солнечной батареи является «бесплатное» постоянное напряжение, которое не может быть использовано для целей электроснабжения человечества и обусловливает значительные трудности при передаче электроэнергии на дальние расстояния в сотни и тысячи километров. Это обусловлено тем, что функционирование практически всех промышленных, бытовых и других объектов осуществляется на переменном токе частоты 50 Гц (или 60 Гц) и принципиально не может быть переведено на постоянный ток. В качестве простых примеров можно привести такие

81

6. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

электротехнические устройства переменного тока, как трансформаторы, электромоторы, электронная аппаратура и т.п.

Рассмотрим примеры промышленной реализации и эксплуатации мощных СЭС. На рисунке 6.8 приведена фотография СЭС мощностью 1 МВт, эксплуатируемая в Якутии. Она предназначена для электроснабжения небольшого поселка и вызвана отсутствием в удаленных районах линий электропередачи Единой энергосистемы России.

Рисунок 6.8. — Типичная конструкция реализации мощной СЭС

Подобная поверхностная установка солнечных батарей является наиболее типичной для большинства известных мощных с сверхмощных СЭС.

Другой оригинальный вариант мощной СЭС, разработанной с учетом рельефа горной местности (Швейцария), приведен на рисунке 6.9.

Рисунок 6.9 — СЭС, установленная в скале

82

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Мощность такой СЭС составляет 9 МВт, а общая площадь поверхности солнечных батарей — 80 тыс. м2. Очевидно, что для такой малой по площади страны, как Швейцария, строительство подобной СЭС рационально.

Еще один пример оригинальной практической реализации мощной СЭС показан на рисунке 6.10. Она установлена как плавающий надводный объект.

Рисунок 6.10 — Пример реализации плавающей мощной СЭС

РасполагаетсявИспании,мощность—6,3МВт,состоитиз23тыс. солнечных батарей, которые закреплены на поверхности водоема плавающими понтонами. В этой СЭС успешно решаются проблемы обеспечения стабильного температурного режим функционирования элементов солнечных батарей, что способствует упрощению схемотехники устройств силовой электронной аппаратуры и повышению надежности работы.

Есть множество других вариантов, в том числе и оригинальных, реализации мощных СЭС, данные по которым приведены в Интернете.

Как видно из приведенных фотографий СЭС, все они не имеют громоздких зданий и сооружений, которые присутствуют в традиционных электростанциях, включая и солнечные тепловые электростанции. Это обусловлено тем, что обычно силовая электронная аппаратура и аккумуляторы располагаются в подземных бункерах под солнечными элементами (или за элементами) СЭС.

Для ликвидации последствий кризисных ситуаций, возникающих при землетрясениях, катастрофах, военных действиях или др., существуют мобильные контейнерные варианты СЭС мощностью до нескольких сотен киловатт.

83

7. СИЛОВЫЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ МОДУЛИ

Достижения современной электроники и микроэлектроники позволили создать принципиально новый класс устройств силовой электроники — силовые интеллектуальные модули. Их отличием от дискретных силовых полупроводниковых приборов является совмещение в них нескольких функций. Первая из них заключается в том, что модуль может представлять собой функционально законченное устройство: преобразователь постоянного или переменного напряжения, система для управления электроприводом механических или иных устройств и некоторых других. Вторая функция реализует управление мощными полупроводниковыми приборами при помощи стандартных и широко применяемых в электронике логических микросхем вида ТТЛ или КМОП или в необходимых случаях от маломощных аналоговых микросхем.

Это позволило отказаться от разработки силовых схем, состоящих из нескольких функциональных узлов, выполнять работы по выбору элементов силовой элементной базы, согласованию их параметров и необходимости решения различных системных вопросов обеспечения работоспособности силовой системы преобразования электрической энергии. Функционально законченное устройство силового полупроводникового модуля представляет собой единичный блок, параметры которого полностью оговариваются заводом-из- готовителем. То есть силовой модуль представляет собой стандартный элемент, как и, например, микросхемный логический инвертор или другая более сложная цифровая микросхема.

84

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Другим положительным свойством интеллектуального силового модуля является отказ от применения специальных драйверов, предназначенных для управления мощными силовыми транзисторами, тиристорами и др. Эти функции выполняются самим модулем.

Также в этом случае проектирование силовых преобразовательных устройств требует гораздо меньшего уровня научно-техниче- ской квалификации разработчика.

Витоге эти обстоятельства приводят к радикальному сокращению времени разработки силовых устройств, улучшению качества выходных параметров и обусловливают повышение надежности работы разрабатываемых силовых приборов.

Интеллектуальные силовые модули условно можно разделить на две группы. Первые из них включает в себя два типа приборов: функционально законченный силовой модуль и драйвер. Вторая группа — полностью функционально законченное силовое устройство с управлением от стандартных логических или иных сигналов.

Вкачестве примера на рисунке 7.1 приведены две схемы функционально законченных силовых модулей. Первая из них ( а) представляет из себя трехфазный выпрямитель, вторая (б) — инвертор, преобразующий входное постоянное или пульсирующее напряжение в трехфазное переменное, выполненный на IGBT.

Схема драйвера для управления этими силовыми модулями приведена на рисунке 7.2.

85

7. СИЛОВЫЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ МОДУЛИ

Рисунок 7.2 — Схема драйвера для управления силовым модулем

86

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Два типичных вида силового модуля приведены на рисунках 7.3, 7.4. Здесь, как и в вышеописанных сборках силовых диодов, теплоотводящий поверхностью является нижняя часть конструкции.

В настоящее время существует широкая номенклатура как зарубежных, так и отечественных силовых модулей аналогичного назначения. В основном подобные приборы применяются для преобразо- ваниябольшихмощностей:порядкадесятков-сотенкиловаттиболее.

Вид конструкции одного из типов драйверов для управления силовым модулем приведен на рисунке 7.5.

Полностью функционально законченные интеллектуальные модули с у правлением от стандартных логических сигналов применяются для преобразования относительно небольших мощностей: де- сятки-сотни ватт. Это связано с необходимостью обеспечения помехоустойчивости работы устройства, которая в мощных устройствах из-за близкого расположения и соответствующего взаимовлияния сигнальных и силовых цепей не может быть реализована с достаточной степенью надежности. Такие модули применяются в основном в источниках электропитания электронной аппаратуры самого различного назначения.

87

8.СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Кспециальным видам полупроводниковых приборов относятся нелинейные резисторы, обладающие специфической нелинейной ВАХ. Они предназначены для устранения негативного влияния импульсных токов и напряжений, возникающих в экстремальных режимах работы силовых преобразователей электрической энергии или их функциональных узлов.

Существуют два основных типа этих полупроводниковых приборов. Это терморезисторы и варисторы.

Терморезистор характеризуются наличием у него функции зависимости сопротивления от температуры корпуса элемента. Резистивный слой терморезистора изготавливают методом порошковой металлургии из оксидов, галогенидов и халкогенидов некоторых металлов. Существуют два основных вида терморезисторов:

позисторы, у которых температурный коэффициент сопротивления положителен, и термисторы, у которых этот коэффициент отрицателен. Резистивный элемент терморезистора изготавливается методом порошковой металлургии из оксидов, галогенидов или халкогенидов некоторыз металлов.

Варистор характеризуется наличием нелинейной зависимости его сопротивления от приложенного к нему напряжения. Варисторы изготавливают спеканием при температуре около 1700 °C полупроводника, преимущественно порошкообразного карбида кремния или оксида цинка и связующего вещества (например, глина, жидкое стекло, лаки, смолы). Далее поверхность полученного элемента металлизируют и припаивают к ней выводы.

88

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

8.1. Позисторы и термисторы

Позисторы — нелинейные резисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Функционально они работают в условиях электрической нагрузки и используются, в частности, в качестве предохранителей от перегрузок по току или по напряжению. Например, они применяются в схемах пусковых устройств постоянного или переменного тока.

Условные обозначения позистора и его характеристика приведены на рисунке 8.1, а, б.

Как видно из графика, приведенного на рисунке 8.1, б, при увеличении температуры исходного материала позистора его сопротивление, начиная с некоторой величины, резко возрастает.

Во многих электротехнических устройствах в момент их подключения к первичному источнику появляется значительный по амплитуде импульс пускового тока. Это может быть вызвано, например, емкостным характером входного сопротивления устройства или смещением в область насыщения рабочей точки кривой намагничивания магнитопровода силового трансформатора и др. Позисторы применяются как в силовых устройствах переменного тока, так и постоянного.

89

8. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Практически позистор часто применяется в качестве многоразового предохранителя, защищающего источник электроснабжения от превышения тока нагрузки, в частности, от короткого замыкания. При этом после устранения превышения тока защитные свойства предохранителя восстанавливаются

Основные параметры позисторов

Rн — номинальное сопротивление позистора при температуре окружающей среды +25 °С.

Тпер — температура переключения, соответствующая началу области положительного температурного коэффициента, ее определяют как температуру, при которой сопротивление увеличивается

в два раза по отношению к R25 или Rmin.

eR — температурный коэффициент сопротивления.

Umax — максимальное напряжение, которое может быть приложено к позистору длительное время.

Iопр — ток опрокидывания, который является минимальным током, при котором электрическая мощность достаточна для разогрева позистора до температуры переключения Тпер.

Iсраб — ток срабатывания Iсраб > Iопр и обычно Iсраб = 1,4Iопр при токах I > Iсраб, где позистор находится в области резкого роста со-

противления с температурой.

Imax — максимально допустимый пусковой ток, при превышении которого может произойти разрушение позистора.

Iном — максимальный ток через позистор, при котором температура его разогрева не превышает температуру переключения Тпер,

обычно Iном = (0,5–0,65) Iопр.

Температурный коэффициент позистора позистора определяется выражением:

где R1 и R2 — значения сопротивлений позистора при Т1 и Т2 соответственно, а величины температур ограничиваются диапазоном:

Т1 > Тпер и Т2 < Тmax.

90