65

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Часть I

Выпрямители и регуляторы переменного напряжения

Санкт-Петербург

2011г.

ББК 31.264.5

М29 а.А. Мартынов Силовая электроника. Часть I. Выпрямители и регуляторы переменного напряжения. Учебное пособие/ сПбГуап. СПб., 2011. 177 с.; ил.

Рецензенты: доцент каф.31 к.т.н. Бураков М.В.;

ведущий научный сотрудник ФГУП ЦНИИ СЭТ к.т.н. Сергеев М.Ю.

Рассматриваются силовые полупроводниковые преобразователи элек­трической энергии, применяемые в системах регулируемого электроприво­да, электроснабжения и в качестве вторичных источников питания систем управления и радио­электронной аппаратуры. Основное внимание уделяется описанию построе­ния схем, анализу электромагнитных процессов и выводу расчетных со­отношений, определяющих энергетические показатели и характеристики выпрямителей и регуляторов переменного напряжения.

Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения, изучающих дисциплины «Силовая электроника», «Полупроводниковые преобразователи электрической энергии», «Полупроводниковые устройства систем управления», «Промышленная электроника», «Проектирование вторичных источников питания», «Проектирование источников питания радиотехнических устройств».

Введение

Силовая электроника включает в себя полупроводниковые приборы и полупроводниковые преобразователи электрической энернии. Физические свойства, устройство, принцип работы и характеристики полупроводниковых приборов достаточно полно излагаются в курсе «Электроника», поэтому в пособии основное внимание уделяется полупроводниковым преобразователям электрической энергии.

Полупроводниковые преобразователи электрической энергии находят широкое применение в самых разнообразных электротехнических установках и системах, так как в настоящее время только с помощью их внедрения можно полу­чить дальнейшее повышение КПД, снижение массы и габаритов, повышение точности, быстродействия и расширение диапазонов регулирования в тех­нологии и электроприводе.

Полупроводниковые преобразователи электри­ческой энергии применяются:

-в современных системах электроэнергетики в качестве быстро­действующих систем возбуждения синхронных генераторов, в системах передачи энергии на постоянном токе, в качестве статических компен­саторов реактивной мощности;

-в системах электроснабжения промышленных установок токами не­стандартных частот, а также постоянным током на тяговых подстанциях электрифицированного транспорта, в электрометаллургии, в установках питания лазеров, плазмотронов, физической аппаратуры;

-в системах электроснабжения автономных подвижных объектов при генерировании электрической энергии и при создании вторичных источ­ников питания приборных, вычислительных и радиоэлектронных систем, а также при преобразовании электрической энергии, вырабатываемой топ­ливными элементами, солнечными батареями и другими источниками;

- в системах электропривода промышленных предприятий, транспорта, станков с числовым программным управлением, промышленных роботов и различных устройств автоматического управления.

К полу­проводниковым преобразователям электрической энергии относятся следующие ти­пы преобразователей:

-выпрямители – преобразователи переменного тока в постоянный;

-инверторы – преобразователи постоянного тока в переменный;

-преобразователи частоты и числа фаз переменного тока;

-регуляторы переменного напряжения;

-преобразователи напряжения постоянного тока.

Выпрямители, инверторы и другие полупроводниковые преобразовательные устройства выполняются в настоящее время на по­лупроводниковых вентилях.

Рассмотрим кратко основные типы полупроводниковых приборов (вентилей), применяемых в полупроводниковых преобразователях.

Полупроводниковые приборы (вентили) делятся на два класса- на неуправляемые (диоды) и управляемые (тиристоры и транзисторы) [9]. Управляемые вентили в свою очередь подразделяются на два подкласса: c неполным управлением и с полным управлением.

Рис.1. Условные обозначения полупроводниковых приборов

Условные изображения основных полупроводниковых приборов (полупроводниковых вентилей), применяемых в полупроводниковых преобразователях электрической энергии, приведены на рис. 1, где обозначены:

а – диод;

б – тиристор (однооперационный управляемый вентиль) триодный с управлением по катоду;

в – запираемый тиристор (двухоперационный управляемый вентиль) с управлением по катоду;

г – биполярный транзистор (п-р-п- типа);

д– биполярный транзистор (р-п-р- типа);

е – полевой транзистор с р-п- переходом с каналом п-типа;

ж – полевой транзистор с р-п- переходом с каналом р-типа;

з – полевой транзистор МДП типа (с изолированным затвором) со встроенным каналом р-типа и выводом от подложки;

и – полевой транзистор МДП типа (с изолированным затвором) со встроенным каналом п-типа;

к – полевой транзистор МДП типа (с изолированным затвором) с индукционным каналом р-типа и выводом от подложки;

л – полевой транзистор МДП типа (с изолированным затвором) с индукционным каналом п-типа;

м – комбинированный транзистор (IGBT- транзистор) с каналом п-типа.

Обозначение выводов элементов, приведенных на рисунке 1:

А – анод;

К– катод;

УЭ – управляющий электрод;

К-Э – коллектор – эмиттер транзисторов;

Б – база транзистора;

З – затвор;

И – исток;

С – сток;

П – подложка.

Диоды

Диоды – неуправляемые полупроводниковые приборы, обладающие односторонней проводимостью. Условное обозначение диода приведено на рис. 1, а. Диод проводит ток при подаче на него напряжения в прямом направлении («+» - на аноде, «-» на катоде). Часто при рассмотрении характеристик полупроводниковых преобразователей электрической энергии применяют допущения – считают полупроводниковые приборы идеальными. Вольт-амперная характеристика идеального диода приведена на рис. 2, а. В таком приборе имеется нулевое падение напряжения ∆U_в.пр при протекании прямого тока, нулевой обратный ток I_обр при приложении отрицательного напряжения и лавинообразный процесс нарастания аварийного обратного тока при отрицательном напряжения, превышающем величину напряжения пробоя U_пр.

Выбор диода выполняют по двум параметрам: по среднему значению прямого тока, протекающего через него в открытом состоянии, I_а, и максимальному значению обратного напряжения, прикладываемого к вентилю в закрытом состоянии, U_{обр max}.

Справочные данные по параметрам диодов приведены в конце учебного пособия (см. табл. 10 – 14).

Вентиль с неполным управлением – это однооперационный управляемый вентиль (тиристор).

Вентили с неполным управлением характеризуются тем, что переход из состояния «выключено» в состояние «включено» возможен даже при кратковременном воздействии маломощным сигналом по цепи управления при наличии на вентиле напряжения в прямом направлении («+» – на аноде, «-» на катоде), т.е. напряжения такой полярности, при которой он может пропускать ток. Переход вентиля из состояния «включено» в состояние «выключено», т.е. запирание вентиля и прекращение протекания через него прямого тока, возможен только при смене полярности напряжения на вентиле ( на выводах «анод-катод»), т.е. при приложении к нему напряжения обратной полярности («-» - на аноде, «+» на катоде). Таким образом, неполная управляемость означает, что вентиль можно включить воздействием по цепи управления, но невозможно выключить по цепи управления. Для выключения тиристора

а) б)

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики идеального диода (а) и идеального тиристора (б)

необходимо сменить полярность напряжения на вентиле на обратную. Вольт-амперная характеристика идеального однооперационного вентиля представлена на рис. 2, б. Как следует из изложенного, однооперационпый управляемый вентиль способен запирать (блокировать) прямое приложенное к тиристору напряжение вплоть до подачи импульса управления на управляющий электрод тиристора.

Принятые на рис. 2 обозначения:

I_а – анодный ток;

U_а – напряжение анод-катод;

U_пр – напряжение пробоя при приложении к вентилю напряжения в обратном направлении;

U_пр.кл – напряжение переключения при приложении к вентилю напряжения в прямом направлении;

I_обр – ток, протекающий через вентиль при приложении к вентилю напряжения в обратном направлении;

∆U_в.пр – прямое падение напряжения на открытом вентиле.

Основные параметры тиристоров, с учетом которых производится их выбор:

I_а – среднее значение тока тиристора, по которому он маркируется заводом изготовителем исходя из уровня допустимых потерь активной мощности (выделения тепла) в вентиле при прохождении прямого тока.

U_{пр max} – максимально допустимое прямое напряжение, которое тиристор может выдерживать без пробоя;

U_{обр max} – максимально допустимое обратное напряжение, которое тиристор может выдерживать без пробоя;

t_в – время восстановления управляющих свойств тиристора, определяется как минимально необходимая продолжительность приложения к нему обратного напряжения (при его выключении) после прохождения прямого тока, в течение которого тиристор восстанавливает свои запирающие свойства и к нему вновь можно приложить прямое напряжение;

du_пр/dt – предельная скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре, при превышении которого возможно включение тиристора в прямом направлении. Для большинства современных тиристоров этот показатель находится в пределах от 100 до 1000В/мкс.;

di_пр./dt – предельная скорость нарастания прямого тока тиристора при его включении, связанная с его неполным распределением по площади р-n- перехода. Обычно этот показатель находится в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен А/мкс.;

f_пр – предельная частота импульсов прямого тока, до которой вентиль может работать без снижения допустимого среднего значения анодного тока. Для низкочастотных тиристоров и диодов эта величина равна 400Гц, а для высокочастотных- до 10,…, 20кГц.

∫ι²dt – защитный показатель вентиля - это значение временного интеграла от квадрата ударного прямого тока, возникающего при аварии, при превышении которого вентиль разрушается. Чем больше значение аварийного прямого тока через вентиль, тем меньше его длительность;

U_уэ, I_уэ – напряжение и ток управления тиристора, протекающий в цепи управления тиристора. Значение параметров: U_уэ – несколько вольт, а I_уэ –доли ампера.

В качестве примера основных характеристик современных однооперационных управляемых вентилей приведем предельные эксплуатационные показатели тиристоров серии Т:

рабочие токи – до 10000А;

рабочее напряжение – до 6500В;

ударные токи – до 100 кА;

коммутируемые мощности до 10 МВт в длительном режиме и до 500 МВт в импульсном режиме. Справочные данные по нескольким типам тиристоров приведены в табл. 20 – 22 в конце учебного пособия.

Для диодов и тиристоров введены условные обозначения классов по напряжению и условные обозначения для групп:

по допустимой скорости изменения напряжения на тиристоре (du/dt); по времени выключения тиристора, t_q;

по времени обратного восстановления, t_rr.

Условные обозначения классов тиристоров и диодов.

Таблица 1

Класс по напряжению	1	2	3	4	….	54	56	58	60
Uобр max ,В	100	200	300	400	….	5400	5600	5800	6000

Условные обозначения групп для тиристоров (du/dt);

Таблица 2

Обозначения группы	0	Р3	А3	К2	Е2	А2	…	Е1	С1	В1
	0	1	3	5	6	7
(du/dt)критич, В/мкс	Не норми руется	20	100	320	500	1000	…	5000	6300	8000

Условные обозначения групп для небыстродействующих тиристоров по времени восстановления, t_q

Таблица 3

Обозначения группы	0	В2	С2	Е2	Н2	…	В3	С3	Е3	Н3
	0	-	-	1	-		-	5	-	-
tq , мкс	Не норми руется	800	630	500	400	…	80	63	50	40

Условные обозначения групп для быстродействующих тиристоров по времени восстановления, t_q

Таблица 4

Обознач. группы	0	С3	Е3	Н3	К3	М3	…	К4	Р4	Х4	В5	Е5
	0	1	2	3	4	5		-	-	-	-	-
tq , мкс	Не норми руется	63	50	40	32	25	…	3,2	2	1,25	0,8	0,5

Условные обозначения групп для быстровосстанавливающихся диодов по времени обратного восстановления, t_rr.

Таблица 5

Обозначение группы	0	А4	В4	С4	Е4	…	А6	Е6	Н6	Р6	А7
	0	-	-	-	1					-	-
trr , мкс	Не норми руется	10	8	6,3	5	…	0,1	0,05	0,04	0,02	0,01

Приведенный выше в табл. 1-5 широкий спектор параметров тиристоров и диодов позволяет разработчику полупроводникового преобразователя подобрать полупроводниковые вентили с параметрами, наиболее близко совпадающими с теми, что были определены в процессе расчета преобразователя.

Вентили с полным управлением

Вентили с полным управлением характеризуются тем, что их можно отпереть и запереть при наличии на них прямого напряжения воздействием только по цепи управления.

Основными вентилями с полным управлением мощных полупроводниковых преобразователей являются запираемые (двухоперационные) тиристоры, которые принято обозначать как GTO – Gate Turn Off и силовые транзисторы с изолированным затвором, обозначаемые как IGBT –Isolated Gate Bipolar Transistor.

Запираемые (двухоперационные) тиристоры отличаются от обычных (однооперационных) тиристоров тем, что их можно запереть подачей короткого импульса тока обратной полярности в цепь управляющего электрода. Условное обозначение GTO - тиристора приведено на рис. 1, в. Следует отметить, что амплитуда этого импульса управления должна быть не менее одной трети импульса анодного тока, протекавшего через вентиль перед его выключением. Такая большая величина импульса тока цепи управления объясняется невысоким коэффициентом усиления то току при запирании тиристора. Поэтому для запираемых тиристоров важны не средние значения прямого тока, а максимальные (мгновенные) значения, по которым они маркируются. Достигнутые предельные параметры запираемых тиристоров: по прямому току – до 2,5 кА, по напряжению – до 6 кВ, по частоте переключения – до 2 – 3 кГц, по коэффициенту усиления по току выключения – до 3 – 5.

В последние годы GTO- тиристоры были модифицированы и создан новый тип вентиля - тиристор, коммутируемый по управляющему электроду (GCT- Gate Commutated Thyristor или IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor). В нем за счет того, что весь ток включения-выключения коммутируется через управляющий электрод, на порядок сокращается время коммутации и коммутационные потери. Это позволило создать IGCT - тиристор на 3 кА, 3,5 кА. Для него в отличие от GTO - тиристора не требуется снабберов – специальных внешних цепей, формирующих траекторию рабочей точки при выключении тиристора.

В простейшем случае снаббер – это конденсатор, ограничивающий скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре при его выключении. Последовательно с конденсатором включается активное сопротивление для ограничения тока конденсатора.

Транзисторы. Принципиальным отличием транзисторов от обычных и запираемых тиристоров, включаемых и выключаемых короткими импульсами управления, является то, что для них наличие сигнала управления необходимо в течение всего времени прохождения через транзистор прямого тока. Предельные электрические параметры транзистора, определяющие возможности его применения в устройствах силовой электроники, зависят от типа транзистора.

Биполярные транзисторы представляют собой трехслойные полупроводниковые структуры p-n-p или p-n-р, в которых имеются два p-n перехода: база – эмиттер и база-коллектор. Условные обозначения биполярных транзисторов p-n-p типа приведено на рис. 1, г, а p-n-р типа приведено на рис. 1, д. Промышленность выпускает силовые биполярные транзисторы на токи до сотен ампер, напряжением до сотен вольт и максимальными частотами переключения до единиц килогерц.

Основные недостатки биполярных транзисторов связаны с заметными потерями мощности на управление (током по базе) и невысоким быстродействием.

Полевые транзисторы. В отличие от биполярных транзисторов, работающих с двумя типами носителей тока - электронами и дырками, полевые транзисторы используют один (униполярный) тип носителя тока. Проводимость канала между истоком и стоком (определенными аналогами эмиттера и коллектора биполярного транзистора) модулируется с помощью электрического поля, прикладываемого к каналу в поперечном направлении с помощью третьего электрода – затвора (управляющего электрода). Канал может быть двух типов: n – типа или p – типа. Условные обозначения полевого транзистора n-типа приведено на рис. 1, е, а полевого транзистора p –типа приведено на рис. 1, ж.

Управляющим параметром для выходных характеристик у полевых транзисторов п – типа является напряжение на затворе (на входе транзистора), а не ток входа, как у биполярного транзисторов. Входная цепь полевого транзистора высокоомна. В динамике (при переключении транзистора) требуются импульсы тока в цепи управления для быстрого заряда (разряда) входной емкости затвор – сток транзистора. У полевого транзистора с каналом р-типа аналогичные свойства и характеристики, только у них при включении в схему изменяют полярности напряжения на стоке и затворе (относительно истока) на обратные.

Вторая разновидность полевых транзисторов – это транзисторы с изолированным затвором (МДП – транзисторы). В отличие от полевых транзисторов с р-п – переходом, в которых затвор имеет непосредственный электрический контакт с близлежащей областью токопроводящего канала в МДП – транзисторах затвор изолирован от указанной области слоем диэлектрика. По этой причине МДП – транзисторы относят к классу полевых транзисторов с изолированным затвором. МДП – транзисторы (структура металл – диэлектрик - полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO₂. Отсюда другое название этих транзисторов – МОП – транзисторы (структура металл-окисел-полупроводник)

Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (10¹²—10¹⁴).

Принцип действия МДП – транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП – транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом.

На рис. 1, з приведено условное изображение полевого транзистора МДП типа (с изолированным затвором), со встроенным каналом р-типа и выводом от подложки, на рис. 1, и - приведено условное изображение полевого транзистора МДП типа (с изолированным затвором) со встроенным каналом п – типа.

На рис. 1, к приведено условное изображение полевого транзистора МДП типа (с изолированным затвором) с индукционным каналом р –типа и выводом от подложки, а на рис. 1, л приведено условное изображение

полевого транзистор МДП типа (с изолированным затвором) с индукционным каналом п–типа;

За рубежом эти транзисторы носят название MOSFET.

Достоинство полевых транзисторов – малые затраты мощности на управление и высокое быстродействие в результате переноса тока в них носителями одного знака (основными носителями), в отличие от биполярных транзисторов, где ток в средней части прибора (базе) переносится медленными (неосновными) носителями. Но по предельным значениям выходных напряжений и тока полевые транзисторы заметно уступают биполярным, что определяет их использование в низковольтных устройствах силовой электроники с высокими частотами процессов преобразования электрической энергии.

Комбинированные транзисторы. В последнее время находят широкое применение комбинированный транзистор, объединяющий в себе полевой транзистор с изолированным затвором и биполярный транзистор (на выходе), названный биполярным транзистором с изолированными затворами - IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor). Условное обозначение IGBT приведено на рис. 1, м. Он имеет высокое входное сопротивление. Параметры выходных напряжений и тока выше, чем у биполярного транзистора. В настоящее время промышленность выпускает IGBT на токи более 1200 А и напряжения до 6500В.

Подобно полевым транзисторам IGBT имеют изолированный затвор и управление транзистором осуществляется изменением напряжения на затворе. Ток управления и мощность управления незначительны, Прямое падение напряжения существенно меньше, чем у МОП транзисторов и составляет около полутора вольт, По быстродействию IGBT уступают полевым транзисторам, но значительно превосходят биполярные. Основными преимуществами являются высокая рабочая частота и коэффициент полезного действия (КПД), а также устойчивость к перегрузкам, благодаря чему, IGBT успешно вытесняют из преобразовательной техники силовые биполярные транзисторы и запираемые тиристоры.

В настоящее время IGBT широко применяются в:

электроприводах переменного и постоянного тока;

системах бесперебойного электропитания;

статических компенсаторах реактивной мощности;

преобразователях для сварки и индукционного нагрева;

мощных статических источниках питания.

Отметим, что для транзисторов всех рассмотренных типов общим является наличие на их входах сигналов управления на все время протекания тока в выходной цепи вентиля. В то же время для GTО необходимы импульсы управления противоположной полярности только в моменты отпирания и запирания тиристора.

Сравнительная оценка по допустимым диапазонам мощности и частоты силовых полупроводниковых преобразователей, выполненных на однооперационных тиристорах, запираемых тиристорах (GTO), полевых транзисторах (MOSFET) и биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT) приведена в табл. 6.

Сравнение характеристик полностью управляемых вентилей Таблица 6

Тип полупроводникового прибора	Рабочий диапазон частоты, Гц fmin≤fраб ≤ fmax	Рабочий диапазон мощности, кВт Pmin≤Рраб ≤Рmax
Однооперационный тиристор	10 – 3000	0,2–104
GTO	100 – 3000	103–5•104
IGBT	1000 – 25000	0,5 – 1•103
MOSFET	1000 – 50000	0,01 – 10

Вопросы для самоконтроля:

1 Какие условия необходимо выполнить для включения: диода; однооперационного тиристора; GTO; биполярного транзистора; IGBT; МОП – транзистора?

2 В чем заключается основное отличие между однооперационным тиристором и двухоперационным тиристором?

3 В чем заключаются основные отличия между биполярным и полевым транзисторами?

4 Сформулируйте определение комбинированного транзистора?

5 Какие предельные рабочие значения токов и напряжения имеют современные биполярные, IGBT, MOSFET – транзисторы, однооперационные и двухоперационные тиристоры?