Силовая электроника

Одним из весьма эффективных направлений энергосберегающих технологий является широкое применение устройств силовой электроники. Достигнутый за последние 20 лет уровень развития этой наукоемкой и быстроразвивающейся области техники выдвинул ее на передовые рубежи высоких технологий.
Промышленное освоение полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов, характеризующихся высокими значениями коммутируемой мощности, КПД, массогабаритных показателей и надежности, позволило осуществлять экономичное преобразование электроэнергии и открыло широкие возможности для создания современных преобразовательных устройств.
В нефтегазовой промышленности устройства силовой электроники находят все большее применение в коммутационных аппаратах, устройствах плавного пуска и регулирования скорости электроприводов технологических установок, агрегатов бесперебойного питания.
Силовая электроника — область техники, связанная с управлением потоками электроэнергии посредством мощных электронных приборов, которые, 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. Это интенсивно развивающаяся область науки и техники, охватывающая по существу все сферы деятельности человека, — промышленность, добывающие отрасли, транспорт, связь.
Основными элементами силовой электроники служат полупроводниковые приборы, обладающие характеристикой ключевого элемента, которые коммутируют (включают и отключают) участки электрической цепи.
Современный силовой полупроводниковый ключ — сложная схема, содержащая множество параллельных структур.
Действие ключевого элемента основано на том, что во включенном состоянии он обладает очень малым сопротивлением, а в выключенном — весьма большим. Обозначение ключевого элемента показано на рис.
Основными параметрами ключевого элемента являются сопротивления во включенном и выключенном состояниях, остаточное напряжение и быстродействие, определяемое временем переключения. Вольтамперная характеристика «идеализированного» ключевого элемента показана на рис. Элементы с такими вольтамперными характеристиками имеют два устойчивых состояния: включенное, соответствующее Rвкл= 0 (участок 1 вольтамперной характеристики); выключенное, соответствующее Rвыкл = ∞ (участок 2). При этом должно обеспечиваться мгновенное переключение из одного состояния в другое и наоборот по соответствующему логическому сигналу управления нулевой мощности.
Реальные ключевые элементы, у которых RвклФ 0 и Rвыкл Ф не равно ∞, могут лишь приближаться по своим параметрам к «идеализированным». При этом разные параметры накладывают и различные ограничения на возможность эффективного использования ключей. Так, например, вольтамперная характеристика реального элемента, имеющего падение напряжения при прямом токе AUS и обратный ток A ИР (рис.), определяет потери мощности в ключе в проводящем и непроводящем состояниях.

Рис. Обозначение ключевого элемента (а). Вольт-амперные характеристики ключевых элементов - идеализированного (б) и реального (в)

Потери мощности в ключе сказываются на КПД силового электронного устройства, поэтому их снижение является одной из основных задач разработчиков приборов. Динамические потери в ключевом элементе, возникающие в процессе его коммутации, накладывают ограничение на повышение рабочих частот силовых электронных устройств. В то же время повышение рабочих частот силовых электронных устройств является доминирующей тенденцией в силовой электронике за последние годы. Это дает возможность улучшить технико-экономические показатели преобразовательных устройств и повысить их быстродействие.
В настоящее время функции ключевых элементов выполняют полупроводниковые приборы различных типов. К элементам силовой электроники относят приборы, рассчитанные на предельные значения среднего или действующего значения тока более 10 А. Классификацию ключевых элементов проводят по степени их управляемости. При этом под признаком управляемости подразумевают возможность переводить прибор из проводящего состояния в непроводящее и обратно посредством воздействия на него маломощным управляющим сигналом.

По степени управляемости управляемые полупроводниковые приборы разделяются на следующие группы:
1. Не полностью управляемые приборы, которые можно посредством управляющего сигнала переводить только в проводящее состояние, но не наоборот (традиционные тиристоры, симмисторы).
2. Полностью управляемые (запираемые) приборы, которые можно переводить в проводящее состояние и обратно посредством управляющего сигнала (транзисторы, запираемые тиристоры).

Силовая электроника, начиная с 80-х годов переживает вторую революцию. Ее интенсивное развитие обусловлено освоением производства за последние 1 5—20 лет новых полностью управляемых приборов силовой электроники, из которых в настоящее время наибольшее распространение получили следующие типы:
1 . Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET-Metall-Oxid-Semiconductor Field-Effekt-Transistor).
2. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-Insulated Gate Bipolar Transistor).
3. Запираемые тиристоры (GTO-Gate-Turn-Off).
4. Запираемые тиристоры с интегрированным управлением (IGCT-Integrated Gate-Commutated Thyristor).
Низкий уровень потерь энергии и малая мощность управления современных приборов силовой электроники позволяет реализовать силовые интегральные схемы, в которых на одном кристалле технологическими приемами изготавливаются силовые ключевые элементы, устройства их управления, защиты и диагностики. Такие устройства получили название интеллектуальных (Smart Intelligent) схем.

Области применения приборов силовой электроники следующие.
Традиционные тиристоры (SCR) — преобразователи с естественной (сетевой) коммутацией большой (свыше 1 МВ-А) мощности, применяемые для электроприводов постоянного тока, высоковольтных регулируемых электроприводов переменного тока, мощных статических компенсаторов реактивной мощности, технологических целей (электролиз, гальваника, плавка).
Запираемые тиристоры (GTO) — преобразователи мощностью сотни киловольт-ампер (а в будущем свыше 3 МВ-А) для привода вентиляторов, компрессоров, насосов (в том числе высоковольтных); мощных агрегатов бесперебойного питания (АБП); статических компенсаторов реактивной мощности.
Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — преобразователи мощностью до единиц мегаватт-ампер для электроприводов переменного тока, АБП, статических компенсаторов реактивной мощности и активных фильтров, ключевых источников питания.
Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) — высокочастотные преобразователи (сотни килогерц) и низковольтные преобразователи для приводов вентильных двигателей, компактных АБП, ключевых источников питания.
Симмисторы (Triac) — преобразователи для пуска и управления двигателями переменного тока, ключи и реле.
Указанные полностью управляемые приборы силовой электроники в настоящее время вытесняют практически из всех областей применявшиеся ранее традиционные тиристоры (SCR-Silicon Controlled Rectifier) и биполярные силовые транзисторы (BPT-Bipolar Power Transistor), так как при тех же коммутируемых токах и напряжениях они имеют значительно меньшие мощности управления и время коммутации, стойкость к перегрузкам по току и напряжению, а также более широкую область безопасной работы. Высокие частоты коммутации (до 50 кГц), простота и малая мощность систем управления обеспечили значительное улучшение технико-экономических показателей (снижение габаритов и массы, повышение надежности и КПД) преобразовательного оборудования на базе IGBT по сравнению с оборудованием тиристоров (SCR).
Параметры приборов силовой электроники непрерывно улучшаются, например, за последние два десятилетия сменилось три поколения IGBT. Величина коммутируемого напряжения увеличилась с 1,2—1,7 кВ в конце 80-х годов до 3,0 — 3,5 кВ в настоящее время, намечается в будущем производство IGBT с коммутируемым напряжением 4,5 — 7,0 кВ. Прямое падение напряжения уменьшилось: 4 В у I поколения, 3,3 В у II, 2,1 В у III и 1,2 В у IV и в настоящее время.
По прогнозам в ближайшие годы IGBT полностью заменят традиционные биполярные транзисторы и GTO в преобразовательном оборудовании мощностью до единиц мегавольт-ампер. В области малых мощностей и низковольтных преобразователей будут доминировать MOSFET, а в области больших мощностей (выше 3 МВ-А) — GTO.
За последние годы рядом фирм (АВВ, «Mitsubishi») освоено производство нового класса приборов силовой электроники IGC — тиристоров, управляемых по затвору. По сравнению с GTO у IGCT значительно снижены падение напряжения при прямом токе, мощность управления, статические и динамические потери; значительно увеличено быстродействие. На базе IGCT изготовлен и с 1996 г. проходит опытную эксплуатацию преобразователь мощностью 1 00 МВ-А (г. Бремен).
Число квалификационных испытаний и опыт эксплуатации преобразователей на базе IGCT показали, что для 3 МВ*А трехфазного инвертора можно получить наработку на отказ не менее 45 лет и интенсивность потока отказов не более 2300 FIT (FIT соответствует одному отказу на миллиард*ч).
Ожидается, что приборы IGCT будут основными элементами для применения в области средних и больших напряжений мощностью от 0,5 до 100 МВ-А. Это достигается последовательным соединением мощных приборов. Высокая надежность IGCT и возможность последовательного соединения достаточного числа приборов открывает широкие перспективы их применения в области очень высоких мощностей и в специальном силовом оборудовании.
С учетом дополнительных требований по низкой стоимости, малого числа элементов в преобразователе и высокой эффективности в сравнении с другими приборами силовой электроники IGCT не имеют реальных конкурентов в этом диапазоне мощностей.
В табл. 1 приведены сравнительные характеристики современных приборов силовой электроники, а в табл. 2 — максимально достигнутые на конец 1 997 г. их параметры.

Сравнительные характеристики современных приборов силовой электроники с двухсторонним теплоотводом

Максимально достигнутые параметры приборов силовой электроники

Примечания: 1. Ток для традиционного тиристора —  номинальный средний ток, для остальных (полностью управляемых) приборов — максимальный повторяющийся запираемый ток. 2. Напряжение для IGBT — максимальное напряжение коллектор-эмиттер,   для остальных приборов — повторяющийся импульс напряжения в закрытом состоянии.

Приборы силовой электроники выпускают следующие зарубежные фирмы: АВВ, «International Rectifier» (США), «Semikron» (Германия), «Siemens» (Германия), «Mitsubishi» (Япония), «Toshiba» (Япония) и др.
Следует отметить, что более половины всех современных силовых полупроводниковых приборов выпускаются и будут выпускаться в модульном исполнении. В простейшем случае модуль представляет собой один или совокупность силовых ключевых элементов, а в более сложном — преобразователь параметров электрической энергии. Одно-, двух-, четырех- и шестиключевые модули позволяют создавать компактные и надежные преобразовательные устройства. Выпускаются также функционально законченные модули, например, преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока. На рис.  2 приведены схемы модулей IGBT, выпускаемых фирмой «Mitsubishi».

Рис. 5.2. Схемы модулей IGBT:
а — одноключевого; б — двухключевого (полумостового); б — трехфазного мостового; в — преобразователя частоты по схеме выпрямитель-инвертор

Обычные модули выпускаются с обратными быстро восстанавливающимися диодами (FRD) или без них. По быстродействию IGBT уступают MOSFET, но значительно превосходят биполярные. Ток управления IGBT мал, поэтому цепь управления — драйвер конструктивно компактна. В модулях IGBT драйверы непосредственно включены в их структуру.
Главные направления в области разработки перспективных типов IGBT в ближайшие годы состоят в расширении диапазона рабочих токов до 2000 А и рабочего напряжения до 3500 В, частоты переключения до 70 кГц при улучшении формы импульсов и упрощения схем управления.
Интеллектуальные силовые модули (IPM-Intelligent Power Modules),   кроме   силовой   части   схемы   преобразователя
(мостового одно- или трехфазного выпрямителя, мостового инвертора), могут содержать в одном корпусе также датчики, драйверы, устройства защит и диагностики, источники питания и др.
В настоящее время IPM в основном представляют собой преобразователи частоты электроприводов переменного тока (исключая контроллер переменного тока). В последующих поколениях IPM планируется контроллер включить в состав модуля. Максимально достигнутый уровень мощности IPM 200 А/1200 В (каждого ключа мостового трехфазного инвертора напряжения).
Конструктивно модули IGBT можно условно разбить на 2 типа: паянной с изолированным основанием (предельные параметры 2,4 кА и 3,3 кВ) и прижимной (таблеточной) конструкции (предельные параметры 1,2 кА и 3,3 кВ). Последние, помимо высокой надежности, термоциклоустойчивости, лучшего охлаждения, имеют еще по сравнению с модулями с изолированным основанием меньшую паразитную индуктивность выводов (единицы наногенри). При этом снижаются перенапряжения на выводах приборов и повышается надежность модулей.
Разработки  подобных   модулей  паянной  и   прижимной конструкции, а также с повышенными требованиями к механическим и климатическим воздействиям ведутся в России. НПП «ИНЭЛС» завершило разработку серии силовых модулей MOSFET и IGBT с изолированным основанием на токи 400 А и напряжение 1200 В. Промышленное производство таких модулей освоено на ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) и ОАО «Контур» (г. Челябинск).
Серию силовых модулей IGBT на токи 1200 А и напряжения 1700, 2500 и 3300 В в пластмассовых корпусах осваивает ОАО «Электровыпрямитель».
Серии модулей IGBT в стандартных и оригинальных корпусах разрабатывают также ОАО «Искра»  (г. Ульяновск) и
ОАО «Протон» (г. Орел).
Ведутся работы по созданию серии модулей IGBT по прижимной технологии в герметичных корпусах таблеточной конструкции диаметром 75 мм (1000 А/2500 В) и диаметром 85 мм (1200 А/3300 В).
На ряде предприятий электронной промышленности освоено промышленное производство силовых полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET). Воронежский завод полупроводниковых приборов производит более десяти типов таких приборов.
Характеристики модулей силовой электроники, выпускаемых отечественной промышленностью, приведены в табл. 3. Их условные обозначения следующие:
М — модуль беспотенциальный (основание модуля изолировано);
2 — число ключей;
ТКП — полевой МОП-транзистор;
ТКИ — биполярный транзистор с изолированным затвором;
ДТКИ — диод — биполярный транзистор с изолированным затвором;
ТКИД — биполярный транзистор с изолированным затвором — диод;
25; 35; 50; 75; 80; 1 00; 1 50 — максимально допустимый ток, А;
0,6; 1; 2; 5; 6; 10; 12 — максимально допустимое напряжение ( х 1 00 В) — класс прибора.
Климатическое исполнение приборов — УХЛ, Т; категория размещения — 2, 3.
Схемы модулей MOSFET и IGBT, указанных в табл. 3, приведены на рис. 3, а общий вид модуля — на рис. 4.

Таблица 3
Характеристики модулей силовой электроники на базе MOSFET и IGBT

Рис. 3. Схемы силовых модулей:
а — двухключевого (полумостового) на базе MOSFET; б — полумостового на базе IGBT;   в — диод-транзисторного;  г — транзистор-диодного; 1 — 3 — силовые выводы; 4—7 — выводы цепей управления

Рис. 4. Общий вид полумостового модуля с изолированным основанием на ток 150 А

Рис. 5. Схемы силовых диодных модулей:
а — одиночного; б — полумостового; в — трехфазного мостового; г — трехфазных   полумостовых

Применение модулей позволяет значительно снизить массу, габариты и стоимость преобразовательных устройств. Их применение оказывает существенное влияние не только на технико-экономические показатели оборудования, но и изменяет технологию проектирования устройств силовой электроники, сводя ее к выбору элементов высокой заводской готовности на требуемые входные и выходные параметры.
За последние годы значительно возросли параметры (ток, напряжение, быстродействие) традиционных приборов силовой электроники: диодов, транзисторов и тиристоров. Кроме диодов одиночного исполнения выпускаются силовые модули, включающие в себя последовательно-параллельные сборки и схемы мостовых конфигураций. На рис. 5 показаны схемы диодных модулей, выпускаемых фирмой «Mitsubishi».