Стан і перспективи розвитку силових напівпровідникових елементів регульованого електропривода

Вибір базового ключового елемента відіграє вирішальну роль у конструюванні перетворювача будь-якого типу. Перетворення електроенергії постійно має потребу в ідеальному ключі, який повинен мати такі основні характеристики:

– великий струму (струм, який комутується, діюче, середнє і максимальне значення, ударний струму);

– висока напруга (імпульсна повторювана, неповторювана перенапруга, тривала постійна);

– швидке перемикання (короткий час затримки на вмикання і вимикання, малий час фронтів при комутації, малий час вмикання і вимикання);

– малі втрати (статичні і динамічні);

– високу частоту (швидке перемикання, низькі динамічні втрати);

– високу надійність (низька ймовірність відмовлення, висока енергетична і теплова стійкість, висока комутуюча здатність, висока електродинамічна стійкість);

– компактну конструкцію.

Ці ідеали в розробці приладів реалізуються двома шляхами: через структуру транзистора і через структуру тиристора, при цьому основною перевагою тиристора є низькі статичні втрати, а транзистора – його добра здатність до вимикання.

Протягом десятиліть, з моменту промислового освоєння в 60-х роках, силовий тріодний тиристор на базі класичної чотирискладової p-n-p-n структури залишався практично єдиним напівпровідниковим приладом для перетворювальних пристроїв. Незмінність функціональних можливостей базових приладів призвела до того, що основні схемні рішення по перетворювачах на їх основі тривалий час також залишалися незмінними.

Ситуація в силовій електроніці кардинально змінилася наприкінці 80-х років із промисловим освоєнням силових тиристорів, які запираються, (GTO – Gate-turn-off). На сьогодні основні статичні параметри GTO сумірні з такими для звичайних тиристорів. Головний недолік GTO – значні струми керування, які призводять до необхідності створення громіздких і потужних блоків керування та систем передачі енергії на керуючий електрод тиристорів. Саме ця обставина стримує широке використання GTO в перетворювачах.

До середини 90-х років з’явилися інші напівпровідникові прилади ключового типу – потужні біполярні транзистори з ізольованим затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor). Поступаючись GTO статичними параметрами, вони принципово перевершують їх по динаміці (насамперед, за часом вмикання і вимикання). Крім того, IGBT, який має в складі свого електрода керування польовий транзистор, не вимагає великих струмів для запуску процесів вмикання і вимикання, що спрощує систему керування.

Деякі розробники прагнуть створити прилад, який поєднує кращі якості обох типів приладів, використовуючи переваги тиристора у ввімкненому стані, сполучаючи його з транзистором, як із кращим на етапі вимикання.

Тиристорна структура переважає за кількістю пропонованих приладів, тому що вони мають споконвічну здатність проводити великі струми з мінімальними втратами. Та до сьогоднішнього дня було лише кілька серйозних кандидатів на високовольтне застосування: GTO (тиристор) з його громіздким снабером і IGBT (транзистор) із властивими йому великими втратами. Останні розробки показали перевагу приладів, які вдало комбінують кращі характеристики тиристорів і транзисторів, цілком задовольняючи вимогам відтворюваності (серійної придатності) і високої надійності.

“ABB Semiconductors” та “Mitsubishi” створили так званий тиристор, який комутується по електроду керування (Gate Commutated Thyristor – GCT) і має вбудований інтегрований блок керування – тиристор IGCT (Integrated GCT).

Тиристори GCT – це напівпровідникові прилади, які базуються на GTO структурі, чиє керуюче коло має таку низьку індуктивність, що перехід катод-емітер може бути закритий «миттєво», практично перетворюючи прилад у біполярний транзистор, який вмикається.

У цих приладах комплексно реалізовані вимоги до силового ключового елемента. GCT одночасно поєднує в собі симетричну таблеткову конструкцію з двостороннім тепловідводом, має мінімальне падіння напруги у ввімкненому стані, не вимагає високоенергоємних кіл живлення блоків керування, має достатню завадостійкість при невисоких динамічних втратах і, в силу особливостей необхідного керуючого імпульсу (крутизна струму запирання до 3000 А/мкс), відрізняються ідентичністю динамічних характеристик.

У результаті майже на порядок зменшується (у порівнянні з GTO) час комутації, знижуються комутаційні втрати. GCN можуть працювати без снаберної ємності. Тиристори IGCT відкривають практичну можливість послідовного їх сполучення для створення високовольтних цілком керованих тиристорних вентилів. Крім того, в IGCT є інтегрований на одному кристалі з GCT зворотний швидко відновлюваний діод.

На світовому ринку представлена широка і швидко змінювана номенклатура силових напівпровідникових приладів. Їх конструкція стає усе досконалішою, потужність неухильно зростає. З’являється все більше альтернативних варіантів силових ключів для застосування в перетворювачах. Правильний вибір базового силового приладу визначає конструктивні, функціональні та вартісні переваги пристрою в порівнянні з аналогами, які використовують у своїй головній схемі менш вдалі для цього випадку прилади.

Параметри потужних напівпровідникових силових приладів різних типів наведено в таблиці (таблиця 2.1).

 

 

Таблиця 2.1.

Тип прибору	Фірма-виробник	Марка	I, А	UDRM, В	URRM, В	Δ U, В
Традиційний тиристор SCR	«АВВ Semiconducturs»	5STP 34N5200				2,54
GTО	«АВВ Semiconducturs»	5SGT 30J6004				3,35
IGСT	«АВВ Semiconducturs»	5SHY 35L4502				2,65
GCT	«Mitsubishi»	PGC4000AX-90DS				2,65
IGBT (PP HV IGBT)	«Toshiba Semiconductur Group»	ST1200FXF21				4,5
Примітки: 1. Струм І для традиційного тиристору – номінальний середній струм; для інших (повністю керованих) приладів – максимальний повторюваний струм, який комутується. 2.  U для традиційного тиристора визначається при амплітудному струмові Im = I. Значення  U для інших (повністю керованих) приладів визначаються при максимальному стрмові, який комутується, І. 3. Позначеня U DRM, U RRM для IGBT слід розуміти як U CES, U GES відповідно.

 

Порівняння споживчих характеристик вибраних електронних ключів наведено в таблиці (таблиця 2.2).

Таблиця 2.2.

Тип прибору	Переваги	Недоліки	Ціна, відн.од 1о.е=260 €
Традиційний тиристор SCR	Найнижчі втрати у включеному стані. Найвища перевантажувальна здатність. Висока надійність. Легко з’єднується паралельно та послідовно.	Не здатний до примусового виключення по управляючому електроду. Низька робоча частота	≈ 0,5
GTО	Здатність до керованого виключення. Порівняно висока перевантажувальна здатність. Можливість послідовного з’єднання. Робочі частоти до 250 Гц при напрузі до 4 кВ.	Високі втрати у включеному стані. Складність системи керування та передачі енергії на тиристор. Дуже високі втрати в системі керування. Великі втрати на перемикання.	≈ 1
IGСT	Здатність до керованого виключення. Перевантажувальна здатність та й що в GTO. Низькі втрати у включеному стані на перемикання. Робоча частота – до одиниць кГц. Вбудований блок керування. Можливість послідовного з’єднання.	Не виявлені через відсутність достатнього досвіду експлуатації	≈ 1,5
IGBT (PP HV IGBT)	Здатність до керованого виключення. Найвища частота (до 10 кГц). Проста неенргоємка система керування. Вбудований драйвер.	Дуже високі втрати у включеному стані.	≈ 2

 

Сьогодні основними приладами силової електроніки в сфері струмів, які комутуються, до 50 А є:

– тиристори SCR;

– біполярні транзистори (BPT – Bipolar Power Transistor);

– польові транзистори з ізольованим затвором (MOSFET – Metal – Semiconductor – Field – Effect – Transistor);

– силові інтегральні схеми (Power IC);

– інтелектуальні силові інтегральні схеми (Smart Power IC).

В області струмів, які комутуються понад 50 А основними приладами силової електроніки є:

– силові модулі на базі біполярних транзисторів BPT;

– силові модулі на базі IGBT;

– тиристори SCR;

– тиристори, які запираються, GTO;

– тиристори, які комутуються, GCT;

– тиристори, які комутуються з інтегрованим керуванням IGCT;

– діоди.

Сфери переважного використання IGBT і IGCT наведені нижче (рис. 2.2, таблиця 2.3).

а)

б)

Рис. 2.2.

 

 

Таблиця 2.3.

Параметр Тип	GTO	IGBT	IGCT
Число відмовлень за 109 год (FIT)
Втрати, кВт
Маса, кг
Об’єм, л
Термоцикли (Δ Т =80˚ С)
Модульність nк	36´5	18´2,5	1´32

 

Прилад IGCT поєднує в собі оптимальну комбінацію доведених технологій тиристорів із властивими їм низькими втратами і безснаберної, високоефективної, вигідної технології вимикання шляхом впливу на керуючий електрод. Прилад IGCT – ідеальне рішення для застосування в галузі силової електроніки середньої і високої напруги. В цьому випадку практично не залишається зони для застосування GTO і SCR.

Унікальні характеристики МОП-керованих приладів вплинули практично на всі сторони теорії і практики силової електроніки.

У схемотехніці домінуючим став принцип комутації напруги. На зміну численним схемам примусової комутації прийшли класичні схеми перетворювачів. У переважній більшості перетворювачів постійного струму в змінний використовуються інвертори напруги.

Висока робоча частота МОП-транзисторів забезпечила повсюдне впровадження принципів широтно-імпульсної модуляції.

МОП-керовані прилади стимулювали розвиток силових модулів, у яких ключові елементи з’єднуються методами плівкової технології на спільній теплопровідній ізолюючій підкладці, утворюючи всю (або частину) силової схеми перетворювального пристрою. Низький рівень втрат і мала потужність керування МОП-транзисторів дозволили реалізувати силові інтегральні схеми, в яких на одному кристалі технологічними прийомами виготовляються силові ключові елементи, схеми їх запуску і захисту, пристрою керування, регулювання і діагностики. Через наявність у їх складі елементів, які виконують логічні операції й автоматично забезпечують визначені режими роботи навантажень, такі пристрої одержали назву інтелектуальних (Smart Intelligent) схем.

Інтелектуальні схеми вплинули на розвиток силової електроніки, особливо в зоні невеликих потужностей і низьких напруг. Здійснюючи зв’язок між керуючими командами малої потужності і навантаженням, силові інтегральні схеми є фізично активними частинами перетворюючого пристрою. Силові інтегральні схеми дозволяють у кілька разів знизити масу, габарити, трудомісткість виготовлення і, як наслідок, собівартість устаткування, підвищуючи при цьому його надійність.

Однокристальні силові інтегральні схеми найширше застосовуються в автомобільній електроніці, як інвертори, контролери постійного і змінного струму.

Поява сучасних силових інтегральних схем змінило і характер виготовлення перетворювального устаткування, забезпечивши значне зниження частки ручної праці. Основні трудовитрати на виготовлення перетворювального устаткування переносяться на етап автоматизованого виробництва силових інтегральних схем. Завдяки цьому підвищується якість виготовлення. Наявність вбудованої діагностики забезпечує підвищення експлуатаційної надійності устаткування, що збільшується також через зменшення кількості дискретних елементів і монтажних з’єднань. Можливість роботи безпосередньо від мікроконтролерів розширює функціональні можливості силових інтегральних схем.

Якщо однокристальні силові інтегральні схеми випускають, головним чином, на низькі напруги (кілька десятків вольт), то гібридні схеми виготовляються практично на всі необхідні рівні напруги як промислових, так і побутових мереж.

Перспективи розвитку різних приладів силової електроніки полягають у тому, що біполярні транзистори BPT через складність і велику вартість схем керування, низьку швидкодію і стійкість до перевантажень – на сьогодні вже застарілий компонент. Однак швидкодіючі BPT поки мають важливу перевагу перед MOSFET за показником «комутуюча потужність/ціна» для діапазону напруг понад 400 В. Тому силові біполярні транзистори залишаться ефективним компонентом для дешевих масових застосувань (наприклад, ключові джерела живлення).

Тиристори SCR. Незважаючи на очевидні переваги: низьке падіння напруги (1,2 – 1,5 В для середнього діапазону напруг і небагато більше для високовольтного діапазону), висока густина струму, найвище значення показника «комутуюча потужність/площа кремнію», високі комутуючі напруги (до 8 кВ), і струми (4 кА), простота і низька вартість схем керування, стійкість до перевантажень по струму, висока надійність притискної таблеткової конструкції, через один істотний недолік – неможливість вимикання по керуючому електроду, цей клас приладів силової електроніки на сьогодні можна віднести до застарілого. Цей прилад більше і більше буде витіснятися повністю керованими приладами: IGBT і IGCT. Оскільки SCR має все-таки найвищі значення показника «комутуюча потужність/ціна», такі дві області застосування залишаться кращими для їх використання:

– побутові прилади, де ціна є визначальним чинником. Ринок тріаків, особливо в комбінації «мікроконтролер+тріак» буде збільшуватися, як потенційне рішення для дешевих масових застосувань;

– надпотужні і надсильнострумові застосування в перетворювачах із природною комутацією (високовольтні лінії передачі постійного струму, компенсатори реактивної потужності, випрямлячі для гальваніки, металургії тощо).

Поліпшення характеристик і розвиток SCR будуть пов’язані з об’єднанням деяких допоміжних функцій у високовольтному тиристорі (подібно захисту від перенапруг), створенням інтегральних дво-, чотири- і шестиключових тиристорних схем на одному кристалі. Розвиток тріаків (симисторів) пов’язаний з поліпшенням стійкості до du/dt, сумісності керування з виходом мікроконтролера, розробкою нових корпусів.

Тиристори, які запираються, GTO та IGCT. Модернізація GTO за рахунок застосування нових технологій (буферного шару, «прозорого» емітера, поліпшення контролю часу життя за рахунок протонного випромінювання, об’єднання в одному пристрої зі схемою керування) дозволили в IGCT підвищити швидкодію, значно скоротити статичні і динамічні втрати, забезпечивши роботи без снабера в діапазоні напруг до 4,5 кВ і вище та струмів декількох кілоампер. Тому у високовольтних (понад 3,5 кВ) застосуваннях домінуюче положення займуть IGCN. У розвитку IGCN у найближчі п’ять років намічаються такі етапи: безснаберне використання, розширення діапазону комутуючих напруг до 6 кВ і далі – до 9 кВ, низькотемпературне зварювання, прилади з рідинним охолодженням, пластмасові корпуси, модулі з ізольованою підкладкою.

Польові транзистори з ізольованим затвором MOSFET. Маючи всі переваги по високих швидкостях комутації, низьких статичних і динамічних втратах, малій потужності керування, високій стійкості до перевантажень MOSFET є і будуть головними компонентами для низьковольтних застосувань і використання в інтелектуальних силових інтегральних схемах Smart IC.

Біполярні транзистори з ізольованим затвором IGBT. На сьогоднішній день і в найближчому майбутньому цей клас приладів силової електроніки займає і буде займати домінуюче положення для діапазону потужностей від одиниць кіловат до одиниць мегават. Подальший розвиток IGBT пов’язаний з вимогами ринку і буде йти шляхом:

– підвищення діапазонів граничних комутуючих струмів та напруг
(1–2 кА, 5–7 кВ);

– підвищення стійкості до перевантажень і аварійний режимів;

– зниження прямого падіння напруги;

– розробка нових структур із густиною струмів, які наближаються до тиристорної;

– розвиток інтелектуальних IGBT (з вбудованими функціями діагностики і захистів) та модулів на їх основі;

– створення нових високонадійних корпусів, у тому числі з використання притискної конструкції.

Розвиток якісної силової напівпровідникової техніки на транзисторах IGBT і тиристорах IGCT вирішує ряд важливих задач підвищення енергетичної ефективності регульованого електропривода.

По-перше, повністю керована техніка дозволить радикально вирішити питання якості споживаної енергії (споживання реактивної потужності, генерування гармонік струму і напруги). В перетворювачах із широтно-імпульсним регулюванням застосовують некеровані вхідні випрямлячі, які забезпечують коефіцієнт зсуву першої гармоніки струму відносно напруги мережі близький до 1,0. В системах фазового керування напругою можливе регулювання з досить високими показниками за коефіцієнтом потужності коефіцієнта спотворення при різному поєднанні перетворювальних пристроїв на традиційних тиристорах і приладах, які запираються.

По-друге, застосування техніки, яка запирається, приводить до істотного зниження витрат на електротехнічне устаткування – енергопостачальні мережі, трансформаторне і розподільне устаткування. Використання регульованого електропривода з некерованим випрямлячем з коефіцієнтом зсуву, який дорівнює 1,0 у всьому діапазоні регулювання, дозволить знизити розрахункову потужність узгоджувального трансформатора залежно від реальної тахограми технологічного механізму. Застосування техніки, яка запирається, в електроприводах постійного струму дозволить відмовитися від запасу по куту для стійкого інвертування. При цьому з’являється можливість зниження розрахункової потужності узгоджувального трансформатора за рахунок зменшення його вихідної напруги обернено пропорційно косинусу мінімального значення кута випередження.

По-третє, застосування силової техніки, яка запирається, дозволить створити принципово нові технічні рішення систем електропривода. Представляється реальним створення електромеханічних систем із синхронними двигунами індукторного збудження, яке здійснюється від постійних магнітів. Використання техніки, яка запирається, істотно підвищує перевантажувальну спроможність вентильного двигуна і виключає труднощі реалізації пускового режиму.

Відкриваються також широкі можливості створення масового частотно-регульованого привода з асинхронними короткозамкненими двигунами. Силова техніка, яка запирається, дозволила створити системи електропривода змінного струму, яка за своїми характеристиками, включаючи динамічні, істотно перевищують показники приводів постійного струму.

Питання до лабораторної роботи

1.Які основні приладами силової електроніки в сфері струмів, які комутуються, до 50 А вам відомі?

2.Опишіть стан і перспективи розвитку силових напівпровідникових елементів регульованого електропривода.

Лабораторна робота №3