Раздел 5
Лекция 12.
Применение силовой электроники в электроэнергетике
Силовая электроника — область техники, связанная с управлением потоками электроэнергии посредством мощных электронных приборов. Последние, 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.
В 1948 г. изобретение транзистора открыло новую эру в электронике, а в 1956 г. был создан мощный полупроводниковый прибор — тиристор. На основе этого прибора началось интенсивное развитие нового поколения силовых электронных устройств с существенным расширением сфер их применения. Однако ограниченная управляемость тиристора и относительно невысокое его быстродействие явились существенными факторами, ограничивающими дальнейшее развитие силовой электроники. И только с начала 80-х годов намечается новый революционный этап в ее развитии, обусловленный научно-техническими и технологическими достижениями в области создания высокоэффективных, полностью управляемых силовых электронных приборов — мощных биполярных и полевых транзисторов, запираемых тиристоров и биполярных транзисторов с изолированным затвором
Силовые электронные ключи
Электронные ключи. Электронным ключом называется устройство для замыкания и размыкания силовой электрической цепи, содержащее по крайней мере один управляемый вентильный прибор. Вентильный прибор (вентиль) — электронный прибор, проводящий ток в одном направлении. На основе двух или более вентильных приборов создаются двунаправленные ключи, проводящие ток в двух направлениях. Понятие «силовой» означает, что осуществляется управление потоком электрической энергии, а не потоком информации. К «силовым» приборам формально принято относить приборы с максимально допустимым значением среднего тока свыше 10 А или импульсным током свыше 1000 А. Функции силовых электронных ключей в настоящее время выполняют силовые полупроводниковые приборы, физической основой которых являются полупроводниковые структуры с различными типами электронной проводимости.
Силовые полупроводниковые приборы можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, конструктивному исполнению, электрическим параметрам, применению и др. Поскольку полупроводниковые приборы являются нелинейными элементами, то их существенными характеристиками являются вольт-амперные характеристики (ВАХ), связывающие значения токов и напряжений на приборе в различных режимах его работы.
Статические режимы работы ключей. Статическим режимом работы ключа называется установившийся после переключения режим его работы в одном из следующих состояний: включенном (проводящем) или выключенном (непроводящем).
Динамические режимы работы ключей. Динамическим режимом работы ключа называется его работа в процессе перехода из одного состояния (например, включенного) в другое (например, выключенное) и наоборот. Применительно к ключам, работающим в электрических цепях, такие процессы называют также коммутационными, так как они соответствуют включению (отключению) цепи в электрической схеме или переводу тока из одной ветви электрической схемы в другую.
Диоды. Диод — полупроводниковый прибор с двумя выводами, связанными с областями различных типов электрической проводимости: электронной — n-типа и дырочной — р-типа.
Подключение диода к внешней цепи:
А- обозначение диода; б –схема подключения напряжения обратной полярности; в –схема подключения напряжения прямой полярности
Диоды общего назначения. Эта группа диодов отличается высокими значениями обратного напряжения (до 10 кВ) и прямого тока (до 10 кА). Массивная структура диодов ухудшает их быстродействие. Поэтому время обратного восстановления (выключения) диодов обычно находится в диапазоне 25—100 мкс, что ограничивает область их применения использованием в цепях с частотой не выше 500 Гц. Как правило, они работают в промышленных сетях с частотой 50 (60) Гц. Прямое падение напряжения на диодах этой группы достигает 2,5—3 В в приборах высокого напряжения. Диоды общих назначений выпускаются в различных корпусах. Наибольшее распространение получили два вида исполнения: штыревое и таблеточное.
Быстровосстанавливающиеся диоды. При производстве этой группы диодов используются различные технологические методы, уменьшающие время их обратного восстановления. В частности, применяется легирование кремния методом диффузии золота или платины. Благодаря этому удается снизить время обратного восстановления до 3—5 мкс. Однако при этом снижаются допустимые значения прямого тока и обратного напряжения. Допустимые значения тока составляют от 10 А до 1 кА, обратного напряжения — от 50 В до 3 кВ. Наиболее быстродействующие диоды с напряжением до 400 В и током 50 А имеют время обратного восстановления 0,1—0,5 мкс. Такие диоды можно использовать в импульсных и высокочастотных цепях с частотами 10 кГц и более.
Диоды Шоттки. Принцип действия диодов Шоттки основан на свойствах области перехода между металлом и полупроводниковым материалом. Для силовых диодов в качестве полупроводника используется обедненный слой кремния n-типа. При этом в области перехода со стороны металла имеет место отрицательный заряд, а со стороны полупроводника — положительный. Особенностью диодов Шоттки является то, что прямой ток обусловлен движением только основных носителей — электронов. Диоды Шоттки, таким образом, являются униполярными приборами с одним типом основных носителей. Отсутствие накопления неосновных носителей существенно уменьшает инерционность диодов Шоттки. Время восстановления составляет обычно не более 0,3 мкс, падение прямого напряжения примерно 0,3 В. Значения обратных токов в этих диодах на 2—3 порядка выше, чем в диодах с p-n-переходом. Диапазон предельных обратных напряжений обычно ограничивается 100 В, поэтому диоды Шоттки используются в высокочастотных и импульсных цепях низкого напряжения.
Силовые транзисторы. Транзистором называют электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) электрода и предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. В силовых электронных аппаратах транзисторы используются в качестве полностью управляемых ключей. В зависимости от сигнала управления транзистор может находиться в закрытом (низкая проводимость) или в открытом (высокая проводимость) состоянии. В закрытом состоянии транзистор способен выдерживать прямое напряжение, определяемое внешними цепями, при этом ток транзистора имеет небольшое значение. В открытом состоянии транзистор проводит прямой ток, определяемый внешними цепями, при этом напряжение между силовыми выводами транзистора мало. Транзисторы не способны проводить ток в обратном направлении, и большинство их видов не выдерживают обратного напряжения.
По принципу действия различают следующие основные классы силовых транзисторов: биполярные, полевые, среди которых наибольшее распространение получили транзисторы типа металл-оксид-полупроводник (МОП) (англ. MOS — metal oxide semiconductor), и биполярные с изолированным затвором (МОПБТ) (англ. IGBT — insulated gate bipolar transistor). В настоящее время в русскоязычной литературе используется аббревиатура МОПБТ.
Биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы состоят из трех слоев полупроводниковых материалов с различным типом проводимости. В зависимости от порядка чередования слоев структуры различают транзисторы n-p-n- и p-n-p-типов. Среди силовых транзисторов большее распространение получил n-p-n-тип. Средний слой структуры называют базой В. Внешний слой, инжектирующий (внедряющий) носители, называется эмиттером Е, собирающий носители — коллектором С. Каждый из слоев имеет выводы для соединения с внешними источниками напряжения.
Структура и символы биполярных транзисторов: а –n-p-n –типа; б –p-n-p -типа
Из принципа действия биполярных транзисторов следует, что токи эмиттера и коллектора зависят от значения тока базы, который в схемах электронных ключей является током управления. Следовательно, биполярные транзисторы могут рассматриваться как электронные ключи, которые управляются током. Биполярные транзисторы с током 50 А и более обычно рассчитаны на напряжение менее 600 В и частоту коммутации до 20 кГц. Применение силовых электронных ключей на основе биполярных транзисторов связано с необходимостью больших затрат мощности на их управление и, кроме того, ограничено относительно низкой рабочей частотой.
Полевые транзисторы (МОП-транзисторы). Принцип действия этих транзисторов основан на изменении электрической проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под воздействием электрического поля. В качестве диэлектрика обычно используются оксиды, например диоксид кремния SiO2.
Тиристоры. Тиристор — полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более p-n-переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Обычный тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т.е. включаться. Для его выключения необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля.
Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод А, катод С и управляющий электрод G.
Обычный тиристор: а –обозначение; б –структура; в –представление в виде двух трехслойных структур; г –эквивалентная схема замещения
Структуру тиристора можно представить в виде двух соединенных трехслойных структур: p-n-p и p-n-p, эквивалентных биполярным транзисторам. В этом случае анодный ток тиристора iA может быть выражен через обратные токи (тепловые токи коллекторных переходов) эквивалентных биполярных транзисторов VT1 и VT2. Такая схема соединенных трехслойных структур содержит внутренние положительные обратные связи. Увеличение тока управления тиристора iG приводит к включению транзистора VT2 и соответственно к увеличению тока базы транзистора VT1 и его включению. Благодаря положительной обратной связи между этими эквивалентными транзисторами включение тиристора начинает лавинообразно развиваться до состояния, когда ток ограничен сопротивлением нагрузки. При этом ток открытого тиристора должен превышать минимальное значение, удерживающее тиристор в открытом состоянии. Для ускорения включения передний фронт импульса управления должен быть крутым, иметь амплитуду, указанную в технических условиях на применение в конкретных условиях, а длительность импульса учитывать параметры схемы и алгоритм ее работы.
Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 10 кВ и токами до 10 кА. В то же время частота наиболее мощных приборов обычно не превышает 1 кГц. Конструктивные исполнения тиристоров и силовых диодов во многом сходны.