2. Сравнение и области применение современных силовых полупроводниковых приборов
Итоговые сравнительные характеристики различных типов силовых полупроводниковых приборов приведены в таб.1 [3].
Таблица 1.
| Параметр | Биполярный транзистор (Сх. Дарлингтона) | МОП- Транзистор (MOSFET) | БТИЗ (IGBT) | Тиристор (SRT) | Запираемый Тиристор (GTO) | Тиристор С МОП-управлением (MCT) |
| U мах (B) | 1200 | 500 | 3500 | 10000 | 4500 | 1000 |
| I мах(A) | 800 | 50 | 1500 | 4500 | 3000 | 50 |
| Δ U(В) | 1,9 | 3,2 | 3,2 | 1,9 | 4,0 | 1,1 |
| f мах(Гц) | 10 000 | 100 000 | 50 000 | 400 | 2 000 | 20 000 |
| 1,0 100 1к 10к 100к 1М f(Гц) |
| ВА 100 М 10М 1М 100к 10к 1к 100 10 |
| MOSFET |
| Рис.11 |
| SRT |
| GTO |
| IGBT |
| BT |
Свойства и характеристики приборов силовой электроники определяют распределение диапазонов их применения. Рис.11. иллюстрирует распределение мощностно-частотного диапазона между основными типами приборов [3].
Области применения основных видов полупроводниковых приборов на сегодня распределились следующим образом [3] :
Триодные тиристоры ( SRT) сегодня используются в преобразователях большой мощности (свыше 1 МВА). На них строятся управляемые выпрямители, ведомые (сетью) инверторы, преобразователи частоты с непосредственной связью применяемые для:
- линий электропередач постоянного тока;
- мощных статических компенсаторов реактивной мощности;
-технологических цепей (электролиз, гальваника, плавка;)
- высоковольтных регулируемых электроприводов.
Запираемые тиристоры (GTO)имеют преимущественное использование на мощностях в сотни кВА, в преобразователях для:
- тягового и технологического электропривода переменного тока;
- преобразователях для привода вентиляторов, компрессоров, насосов (в том числе высоковольтных);
- мощных систем бесперебойного питания;
-статических компенсаторов реактивной мощности.
Биполярные транзисторы с изолированным затвором сегодня применятся в преобразователях мощностью до единиц МВА для:
- электроприводов переменного тока;
-систем бесперебойного питания;
-статических компенсаторов и активных фильтров;
- мощных источников питания;
-преобразователей для сварки, индукционного нагрева, ультразвуковых установок.
МОП–транзисторы применяются в высокочастотные преобразователи (сотни кГц), ключах постоянного тока, низковольтных (до 200В) преобразователи для:
- ключевых источников питания;
- приводов вентильных двигателей;
-электронных ключей постоянного тока;
-компактных систем бесперебойного питания.
Типовое распределение применения силовых приборов в зависимости от мощности и частоты в различных областях применения приведено на рис. 12-15.[4] В частности на рис.8 показано применение приборов в преобразователях для регулировании скорости двигателей постоянного тока.
| 60Гц 3кГц 5кГц 20кГц 50кГц |
| Рис.12 |
| BT |
| MOSFET |
| IGBT |
| SRT |
| 2МВт |
| 50кВт |
| 100кВт |
| 10кВт |
На рис.9. дано распределения их использования в преобразователях частоты для регулирования скорости двигателей переменного тока.
| Рис.13 |
| BT |
| MOSFET |
| IGBT |
| SRT |
| 1МВт |
| 200кВт |
| 500кВт |
| 1кВт |
| 300кВт |
| 20кВт |
| 100Гц 1кГц 3кГц 8кГц 20кГц |
| GTO |
Рис.10 иллюстрирует типовое распределение частотно-мощностного диапазона применения приборов в ключевых источниках питания.
| Рис.14. |
| MOSFET |
| IGBT или MOSFET |
| В T |
| 5кВт |
| 1кВт |
| 2кВт |
| 500Вт |
| 20кГц 25кГц 30кГц 50кГц 80кГц 100кГц |
| IGBT |
Использование силовых приборов в источниках бесперебойного питания в зависимости от мощности и частоты показано на рис.11.
| Рис.15 |
| MOSFET |
| В T |
| 300кВт |
| 75кВт |
| 150кВт |
| 10кВт |
| IGBT |
| 200кВт |
| 60кГц 2кГц 4кГц 10кГц 20 25кГц 50кГц |
Сегодня MOSFET и IGBT , силовые интегральные схемы и модули на их основе вытесняют практически из всех областей тиристоры, биполярные транзисторы и GTO., т.к. при тех же коммутируемых токах и напряжениях (до 3,5 кВ, 1200А) они имеют:
- значительно меньшие мощности управления;
- время коммутации;
-стойкость к перегрузкам по току и по напряжению;
-более широкую область безопасной работы ограничена только температурой кристалла, а у БПТ она ограничена еще и эффектом вторичного пробоя) следствие этого
-более высокие частоты коммутации (до 50кГц) ;
- простота и меньшие мощности драйверов и снабберов.
По прогнозам IGBT полностью заменит биполярный транзистор и GTO в преобразователях до единиц МВА [5].В области малых мощностей и низковольтных преобразователях будут доминировать MOSFET. Для GTO остается область больших мощностей. МСТ ( MOS-GTO) из-за технологических трудностей и высокой цены заменить GTO пока не способны.
3. СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МОДУЛИ.
Большинство производителей силовых полупроводниковых элементов выпускает серии силовых интегральных схем простого типа содержащие один или несколько силовых МОП или IGBT ключей.
Силовые МОП и IGBT-модули разделяются на простые и интеллектуальные.
Интеллектуальные силовые модули (IPM -Intelligent Power Modules) кроме силовой части содержат также датчики, схемы драйверов, защит, диагностики, служебных источников питания и т.п. В настоящее время IPM в основном представляют собой преобразователь частоты электроприводов переменного тока, исключая контроллер управления. В последующих поколениях планируется сам контроллер включить в состав модуля.
3.1. Простые силовые модули
Простые модули выпускаются в одно-, двух-, четырех- и шести ключевом исполнении с или без обратных быстро восстанавливающихся диодов (FRD).
МОП или IGBT модули по внутренней электрической схеме могут представлять собой:
- одноключевой прерыватель(chopper);
- двух-ключевой полумост;
- четырех и шести ключевые одно- и трех-фазные мосты.
Единичный транзисторный ключ (singl), образующий схему прерывателя (chopper), в котором транзистор соединен последовательно с диодом показан на рис.16. ( инвертор нижней стороны силовой части схемы (рис.16а) и инвертор верхней стороны силовой части схемы(рис.16б)) ;
| а) |
| Рис.17 |
| Рис.16 |
| б) |
Двух-транзисторный ключ с последовательным соединением транзисторов образующий полумост (half-bridge) показан на рис.13. В структуру модуля включены обратные быстро-восстанавливающиеся диоды.
Четырех- (4-parck) и шести- (6-pack) транзисторные модули образуют соответственно схемы однофазного (рис.18) и трехфазного (рис.19) моста. Во всех случаях параллельно каждому транзистору встраивается обратный диод.
| Рис.18 |
| Рис.19 |
Сегодня IGBT- модули, предлагаемые на рынке основными поставщиками, перекрывают диапазоны максимально-допустимых токов от 50 до 1000А и напряжений от 250В до 1700В. Модули на токи до 600А реализуются с включенным в структуру модуля драйвером. Для модулей свыше 600А драйвер поставляется отдельно.
Наряду с транзисторными модулями производители предлагают аналогичные комплекты диодных , тиристорных и тирсторно-диодных модулей в одно-, двух- четырех- и шести-ключевых комплектах В ряде случаев тиристорные модули имеют встроенное МОП – управление или оптическую развязку.
3.2 Интеллектуальные силовые интегральные схемы
Низкий уровень потерь и малая мощность управления МОП-транзисторов создали условия для создания силовых интегральных схем, в которых на одном кристалле изготавливаются силовые ключи и схемы их запуска, управления, защиты, регулирования и диагностики. Такие устройства получили название интеллектуальных (Smart, Intelligent) схем – Интеллектуальные силовые интегральные схемы (ИСИС).
Цепи управления – драйверы, в силу малых токов управления IGBT, компактны и часто включены в структуру модуля.
Интеллектуальныt транзисторные модули кроме функций драйвера могут выполнять задачи:
- защиты от токов короткого замыкания,
- системы диагностирования, обеспечивающей защиту от исчезновения управляющего сигнала, одновременной проводимости в противоположных плечах силовой схемы, исчезновения напряжения источника питания и других аварийных явлений.
В интеллектуальных схемах в ряде случаев встраивается система управления с широтно-импульсной модуляцией и даже однокристальные компьютеры (микроконтроллеры)
В некоторых модулях имеется также схема активного фильтра для коррекции коэффициента мощности и уменьшения высших гармоник в питающей сети.
Однокристальные ИСИС выпускаются главным образом на низкие напряжения (несколько десятков вольт). Гибридные схемы изготавливаются практически на все необходимые уровни напряжения.
3.3. Схемы управления силовыми модулями.
В настоящее время благодаря высокой скорости переключения устойчивости к скорости нарастания напряжения и тока, способности к пиковым перегрузкам и малых мощностях управления в абсолютном большинстве новых силовых полупроводниковых приборах используются МОП – транзисторы и IGBT.
Высокие входные сопротивления таких приборов создали предпосылки для управления ими непосредственно от МОП и ТТЛ интегральных микросхем. В результате быль созданы специализированные интегральные схемы управления ключами силовых электронных преобразователей – драйверы. Такие микросхемы обладают, как правило, высокой степенью функциональной завершенности и являются универсальными.
Современные интегральные драйверы предоставляют возможность раздельного управления всеми ключами силового модуля, содержат элементы индикации ненормированной работы и контроля температуры полупроводниковой структуры, предусматривают также элементы встроенной защиты по току и напряжению. Допускают интерфейс со всеми практически используемыми уровнями входного сигнала.
Широкие функциональные возможности интегральных драйверов позволяют эффективно их применять в преобразователях электрической энергии для электропитания асинхронных и вентильных двигателей, в источниках бесперебойного питания, в высокочастотных импульсных источниках вторичного питания и других силовых устройствах с выходным напряжением до 600 В.