1.3 Элементная база преобразователей электрической энергии.

Совремённые преобразователи выполняются на неуправляемых и управляемых полупроводниковых вентилях. К первым отно-сятся диоды (самые массовые из всего перечня силовых полупро-водников), а ко вторым – тиристоры, транзисторы и различ-ные их модификации. Управляемые вентили в свою очередь под-разделяются на вентили с неполным и с полным управлением. Ниже перечислены основные из них, а на Рис, 1.1 показано их символическое обозначение и приблизительная форма вольтам-перной характеристики.

Диоды или неуправляемые вентили (Рис.1.1а). Это наиболее простые из всех полупроводников. Их проводимость зависит лишь от полярности приложенного напряжения. Выпускаются на токи от одного до нескольких тысяч ампер и допустимое обратное напряжение от десятков вольт до нескольких тысяч вольт. По назначению делятся на низкочастотные (до 500Гц) и высокочастотные. Наиболее высокочастотные – диоды Шоттки характеризуются временем восстановления при ступенчатом изменении знака напряжения менее микросекунды.

Рис.1.1 Условные обозначения и приближённые формы вольтам-перных характеристик полупроводниковых приборов: а)-диодов, б) -тиристоров и оптотиристоров, в) -симисторов, г) -запираемых тиристоров, д)-биполярных транзисторов, е) -полевых транзисто-ров, ж) - биполярных транзисторов с изолированным затвором.

Однооперационные тиристоры (Рис.1.1б). Сочетают функции диода и «полууправляемого» ключа, т.е. прибора обладающего

двумя устойчивыми состояниями проводимости от анода к като-ду. Низкой, когда тиристор закрыт и высокой, когда тиристор открыт. Сигнал на входе третьего (управляющего) электрода поз-воляет лишь перевести тиристор из первого во второе устойчи-вое состояние, т.е. его «открыть», если потенциал между анодом и катодом положителен, но не позволяет вернуть его обратно в запертое состояние и оборвать анодный ток. Для его выключения необходимо изменить полярность анодного тока или хотя бы снизить его до величины менее тока удержания за счёт э.д.с., действующих в анодной цепи. В этом и заключается смысл не-полной управляемости однооперационных тиристоров. Выпус-каются они на токи от долей единиц до нескольких тысяч ампер и напряжение от сотен до нескольких тысяч вольт. По времени восстановления устойчивых состояний тиристоры делятся на низкочастотные (100¸250мкс) и высокочастотные (от долей до десятков мкс).

В небольшом диапазоне токов и напряжений имеется модифи-кация однооперационных тиристоров с встроенной гальваниче-ской (оптронной) развязкой цепи управления от потенциала силовой цепи. Такие оптотиристоры не нуждаются в специаль-ном устройстве, обеспечивающем гальваническую развязку на управляющем входе, например, в импульсном трансформаторе.

Симисторы (Рис.1.1в). В отличие от тиристора позволяют проводить ток в обе стороны, если на третьем (управляющем) электроде присутствует отпирающий сигнал. Обладают симме-тричными вольтамперными характеристиками для открытого и запертого состояний и ведут себя как два антипараллельно включённых тиристора с идентичными управляющими сигна-лами. Относятся к группе приборов с неполным управлением и выпускаются в сравнительно ограниченном диапазоне токов (25 100 А) с напряжением до 1200В.

Двухоперационные тиристоры (Рис.1.1г). Открываются так же, как и однооперационные и отличаются от них тем, что позволяют запереть вентиль путём подачи короткого и близкого по величине к анодному току импульса управления обратной полярности. Коэффициент усиления по «запираемому» току не более 5. Выпускаются на токи до 2500А и напряжение до 6000В. Позволяют реализовать полностью управляемый ключ с частотой переключения до 1 кГц.

Биполярные транзисторы (Рис.1.1д). В отличие от тиристоров не допускают обратного напряжения между коллектором и эмиттером (вольтамперные характеристики только в первом квадранте) и требуют поддерживать отпирающий сигнал (ток в эмиттерно-базовом переходе) в течение его проводящего состоя-ния. Промышленность ещё продолжает выпускать силовые бипо-лярные транзисторы на токи до 100А и напряжение до 600 вольт. На базе таких приборов создавались первые полностью управ-ляемые силовые ключи с частотой переключения до нескольких килогерц.

Полевые транзисторы (Рис.1.1е). Проводимость между стоком и истоком полевого транзистора (аналогами эмиттера и коллектора биполярного транзистора) модулируется с помощью электрического поля, прикладываемого к каналу в поперечном направлении через третий (управляющий) электрод – затвор. Управляющая цепь такого прибора практически не потребляет электрической мощности в статике. Незначительная мощность тратится лишь на изменение потенциала затвора. По предельным значениям напряжения и тока полевые транзисторы уступают биполярным (пока не более 1000 вольт), но значительно превосходят их по предельной частоте переключения (до 100 и более кГц). Транзистор с полевым управлением (в отличие от биполярного Рис.1.1д) не имеет «порогового» падения напряжения и в открытом состоянии ведёт себя как резистор с малым активным сопротивлением.

Комбинированные транзисторы или Insolated Gate Bipolar Transistor (IGBT) – биполярные транзисторы с изолированным затвором (Рис.1.1ж). Это наиболее перспективный прибор, объединяющий достоинства двух предыдущих – полевого по входу и биполярного по выходу. Структура кристалла («чипа») такого комбинированного прибора допускает их параллельное соединение, без каких либо устройств выравнивания токов. Сборка различных по току транзисторов обеспечивается путём установки на общей подложке одного или нескольких, соеди-нённых параллельно «чипов». Такая сравнительно несложная тех-нология из импортных «чипов» налажена и на нескольких пред-приятиях в России. В настоящее время уже освоен выпуск IGBT модулей в диапазоне токов до 1200А и напряжений до 6500В. Максимальная частота переключения таких приборов до 5кГц.

а) б)

в)

Рис.1.2 Интеллектуальные модули на IGBT транзисторах: а – одноключевой модуль с формирователем сигнала управления (ФСУ) без источника питания (ИП); б – то же полумостовая схема, в – полумостовая схема с ФСУ, элементами защиты и диагностики и встроенными ИП.

Дальнейшее развитие силовой элементной базы СПТ пошло по пути интеграции в одну гибридную конструкцию нескольких силовых вентилей, образующих часть силовой схемы (полумост), либо целиком силовую схему в виде однофазного или трёхфаз-ного моста из диодов, тиристоров или транзисторов. Такие мно-говентильные узлы получили название «модулей». Они позволи-ли разместить силовую схему на общем радиаторе (упростить конструкцию) и существенно снизить габариты преобразователей энергии.

Сегодня интеграция становится ещё более глубокой. В одной гибридной конструкции размещаются не только силовые элемен-ты (диоды, тиристоры, транзисторы), но и элементы управления ими с устройствами защиты и диагностики. Такой конструктив-ный модуль получил название «интеллектуального». На Рис.1.2 приведены варианты схем, реализующих те или иные функции интеллектуального модуля.

Ведутся работы и по созданию более сложных интеллектуаль-ных модулей с использованием микропроцессорных средств и силовых ключей, образующих законченную схему преобразова-теля, например, для управления трёхфазным двигателем.

1.4 ПАРАМЕТРЫ ВЕНТИЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СПТ (на диодах и тиристорах).

1. Максимально допустимое среднее значение анодного тока I_a. По этому параметру производители маркируют диоды , тирис-торы и транзисторы, исходя из уровня допустимых потерь в них при прохождении прямого тока. Предельный испытательный ток, определяющий температуру нагрева кремниевой пластины (крис-талла) для диодов и тиристоров, имеет форму полуволны синусо-иды в каждом периоде сетевого напряжения (50Гц). Отношение амплитуды к величине среднего значения тока в этом случае очевидно равно π.

В каталоге завода «Электровыпрямитель» (г.Саранск) этот па-раметр называется максимально допустимый средний прямой ток и обозначается для диодов символом I_F(АV) либо I_Т(АV), для тиристоров. Его значение в каталоге указывается вместе с темпе-ратурой кристалла. Например, для тиристорного модуля типа

МТТ-200 этот ток в столбце I_Т(АV) (Т_с,ºС) имеет величину 200(85), т.е. 200ампер при температуре кристалла 85ºС.

2.Максимально допустимое прямое и обратное напряжения (в учебниках иногда используется символ U_{b max}). В каталоге заво-да этими параметрами определяется класс прибора. Для тиристо-ров они имеют одинаковое значение, но разные названия и символы:

V_RRM – повторяющееся импульсное обратное напряжение;

V_DRM - повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии.

3. Защитный показатель в виде временного интеграла от квад-рата ударного прямого тока i²dt, появляющегося в момент аварии и при превышении которого прибор разрушается. Интегральная зависимость означает, что допустимая амплитуда ударного тока может быть больше или меньше в зависимости от длительности ударного импульса. Более короткий по времени импульс может быть с более высокой амплитудой и соответственно наоборот, т.е. должна ограничиваться «ампер² – секундная» площадка импульса ударного тока. При этом, однако, не следует превышать допусти-мую скорость нарастания прямого тока (di/dt)_пр. Превышение это-го параметра приводит к локальному повреждению (прожиганию) кремниевой пластины из-за неоднородного расширения проводя-щего «пятна» по площади р-n перехода. Обычно критическая ско-рость нарастания тока тиристоров не бывает меньше 200А/мкс. В реальных схемах выпрямителей столь высокие скорости возника-ют лишь в исключительных случаях.

Практически более удобным при выборе прибора является производный от интеграла i²dt параметр - ударный ток в откры-том состоянии или ударный прямой ток, определяющий допусти-мую амплитуду полуволны синусоидального тока длительностью в10 миллисекунд. В каталоге он обозначается символом I_TSM для тиристоров и I_FSM – для диодов. Аварийный ток обычно имеет близкую к синусоиде форму. Модуль МТТ-200 по каталогу заво-да «Электровыпрямитель» (г. Саранск) имеет, например, величину I_TSM= 6kA.

4. Время восстановления управляющих свойств тиристора_. Этот параметр определяет минимально необходимый временной промежуток отсутствия прямого тока (при его выключении) пос-ле которого восстанавливает свои запирающие свойства и к нему снова можно приложить прямое максимальное напряжение. В ка-талоге завода этот параметр называется «временем выключения тиристора», обозначается символом t_q и для низкочастотных при-боров составляет не более 250 мкс, а для быстродействующих и высокочастотных может находиться в пределах от 12 до 70мкс.

5. Предельная скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре (du/dt)_пр. При превышении этого параметра возмож-но самопроизвольное включение за счёт «просачивающегося» через паразитную ёмкость анод - управляющий электрод сигнала помехи. Критическая скорость нарастания напряжения (du/dt)_пр не бывает меньше 500В/мкс. RC – цепочка, шунтирующая анод-катод тиристора с целью защиты от перенапряжений, защищает его и от самопроизвольных включений, например в момент вклю-чения коммутационного аппарата. В иностранной литературе та-кие защитные цепочки называются «снабберами».

6. Параметры сигнала в цепи управляющего электрода тиристо-ра, обеспечивающие его включение (по данным каталога завода «Электровыпрямитель») следующие:

V_GT – отпирающее постоянное напряжение управления 23,5В ( плюс на управлющем электроде);

I_GT - отпирающий постоянный ток управления 200500mA (от управляющего электрода к катоду).

Проектирование выпрямителей включает в себя как один из этапов выбор конкретного типа тиристора или диода по рас-считанным значениям токов и напряжений в цепи вентиля и последующего обеспечения необходимого сигнала управления для них.

Контрольные вопросы и задачи.

1. Для каких целей используются преобразователи электрической энергии?

2. Какие основные функции реализуются в устройствах преобразования энергии?

3. Почему ключевой режим является обязательным для преобразователей энергии?

4. Какие типы полупроводниковых вентилей Вы знаете?

5. Что такое диод? Как он влияет на электрическую цепь?

6. Чем отличается диод Шоттки от других типов диодов?

7. Что такое однооперационный тиристор и чем он отличается от диода?

8. Что такое запираемый тиристор и в чём его отличие от однооперационного тиристора?

9. Чем отличаются вентили с неполным управлением от полностью управляемых? Какие из приведённых на Рис.1.1 приборов можно отнести к вентилям с неполным управлением?

10. Чем отличается однооперационный тиристор от двухоперационного? Как ещё называют двухоперационный тиристор?

11. Что такое биполярный транзистор и биполярный транзистор с изолированным затвором, в чём их отличие?

12. Что такое «Сток», «Исток», «Затвор»? Для обозначения выводов какого прибора используются эти названия?

13. Что такое полупроводниковый модуль и чем он отличается от диода, тиристора или транзистора?

14. Что такое интеллектуальный модуль? Приведите варианты схем таких модулей.

15. Назовите основные параметры, по которым осуществляется выбор тиристоров и диодов в схеме выпрямителя?