eng
Выпуск #4/2010
А.Бормотов, А.Гришанин, В.Мартыненко, В.Мускатиньев, В.Чибиркин.
Современные силовые полупроводниковые приборы для энергоэффективных технологий
Современные силовые полупроводниковые приборы для энергоэффективных технологий
Просмотры: 9571
Одним из важнейших условий развития экономики России является более эффективное использование электроэнергии. Сегодня современные энергосберегающие технологии помогают находить оптимальные решения по энергопотреблению и экономить до 30–40% электроэнергии. Существенно снизить энергоемкость внутреннего валового продукта и его производства можно только с помощью современной высокопроизводительной техники и технологии, в которых широко применяют передовые системы силовой электроники. В этой связи особого внимания заслуживает деятельность ОАО "Электровыпрямитель" – одного из ведущих российских производителей изделий силовой электроники, продукции которого и посвящена данная статья.
Сегодня в России электроэнергия используется гораздо менее эффективно, чем в других странах. Это связано с низким потреблением электроэнергии в преобразованном виде. В США, Канаде, Японии и странах Европы более 60% вырабатываемой электроэнергии проходит через полупроводниковые преобразователи. Суммарная мощность силовых полупроводниковых преобразователей в этих странах вполне сопоставима с суммарной величиной генерирующих мощностей, поэтому технический уровень преобразовательной техники влияет на состояние энергетики и промышленности в целом. В России аналогичный показатель существенно ниже. Согласно экспертным оценкам, если России удастся довести использование систем силовой электроники до мирового уровня, это сэкономит 12–15% всей вырабатываемой электроэнергии.
Основу энергосберегающего преобразовательного оборудования составляют силовые полупроводниковые приборы (СПП). Применение силовых полупроводниковых приборов и преобразовательной техники на их основе снижает потери энергии в оборудовании и позволяет внедрять надежные энергоэффективные технологии в самых разных секторах экономики и социальной сферы (рис.1).
ОАО "Электровыпрямитель" – крупнейшая электротехническая компания России с более чем 65-летним опытом работы в области разработки и производства энергосберегающего преобразовательного оборудования и силовых электронных компонентов – сегодня выпускает широкий спектр дискретных силовых полупроводниковых приборов и преобразовательной техники для всего технологического цикла электроэнергетики: выработка, передача, распределение и потребление электрической энергии.
ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
В цепочке производства и потребления электроэнергии важную роль играет ее генерация. В генерирующих объектах широко применяют изделия силовой электроники. Многие турбо- и гидрогенераторы в России и на постсоветском пространстве оснащены современными системами возбуждения с тиристорами производства ОАО "Электровыпрямитель" на токи от 800 до 1250 А и напряжения до 4400 В. Этими приборами укомплектованы тиристорные системы возбуждения производства ОАО "Силовые машины", которые успешно эксплуатируются сегодня на 140 электростанциях (в том числе и атомных) в России и во многих странах мира. Высоковольтные роторные диоды ОАО "Электровыпрямитель" с рабочим током 630 А и напряжением 2800 В специально разработаны и успешно эксплуатируются в бесщеточных диодных системах возбуждения для питания обмоток возбуждения турбогенераторов мощностью от 320 МВт до 1200 МВт.
Одна из последних разработок в области тиристоров и диодов для генерирующего комплекса – это серия приборов фланцевой конструкции корпуса. Один из типовых представителей данной серии – диод Д185-500 – показан на рис.2. Приборы рассчитаны на максимальное обратное блокирующее напряжение до 4000 В и имеют прочные металлокерамические корпуса. Основные электрические параметры диодов Д185-500 представлены в табл.1.
Для статических систем возбуждения разработаны и выпускаются новые высокомощные тиристоры 163 и 183 серий, рассчитанные на средние токи до 4000 А и напряжение до 6500 В.
ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Сегодня по-прежнему актуальна проблема передачи электроэнергии на дальние расстояния. Чтобы повысить ее эффективность, были внедрены новые технологии: высоковольтные линии дальней передачи электроэнергии постоянным током (High Voltage Direct Current – HVDC) и гибкие линии передачи энергии переменным током (Flexible Alternating Current Transmission Systems – FACTS). Все более высокие требования к надежности и энергоэффективности сделали линии этих двух типов неотъемлемой частью современной электроэнергетики.
ОАО "Электровыпрямитель" как традиционный поставщик полупроводниковых компонентов силовой электроники большой мощности имеет опыт разработки и производства тиристорных вентилей для преобразователей линий и вставок передач постоянного тока. ОАО "Электровыпрямитель" и ФГУП "ВЭИ им. В.И. Ленина" совместно разработали и подготовили производство унифицированного преобразовательного модуля тиристорного ключа напряжением 12 кВ и током 2500 А и его основной элементной базы – высоковольтных тиристоров с прямым управлением светом (фототиристоров).
Фототиристоры обладают целым рядом преимуществ по сравнению с обычными тиристорами, которые управляются электрическими сигналами. К ним относятся, прежде всео, управление импульсами света с возможностью передачи сигнала на большие расстояния, точный временной контроль включения группы приборов, высоковольтная гальваническая развязка между схемой управления и силовой цепью, высокая помехоустойчивость, интегрированные функции самозащиты, за счет которых повышаются надежность, безопасность, срок эксплуатации и технические характеристики преобразовательной техники.
Наиболее мощный в серии таких приборов – фототиристор ТФ183-2000 (рис.3). Он рассчитан на средние токи до 2000 А и напряжение до 8000 В, включается импульсами света инфракрасного диапазона с длиной волны 0,88–1,05 мкм и мощностью 40 мВт. Система ввода светового сигнала в корпус прибора расположена в центре катодного электрода фототиристора в виде оптического окна над фоточувствительной областью полупроводниковой структуры. Управляющий импульс передается к светочувствительной области кремниевой структуры через оптический интерфейсный кабель (LTT-адаптер). Он соединен оптическим разъемом с излучающим лазерным диодом. Длина световода практически не ограничена, так как затухание сигнала управления в нем очень мало. Лазерный диод преобразовывает электрический сигнал от драйвера управления в световой импульс, который по форме и длительности практически повторяет электрический импульс.
Фототиристор ТФ183-2000-70 (табл.2) по своим характеристикам соответствует лучшим зарубежным аналогам, а по ряду параметров превышает их. К преимуществам разработанного фототиристора следует отнести: меньшие габариты и массу при практически одинаковых рабочих токах и напряжениях, очень низкие значения заряда обратного восстановления, низкие токи утечки. Особенно важно, что включение ТФ183-2000 происходит при значительно меньшем значении анодного напряжения (VD ≥ 2 В) по сравнению с прибором иностранного производства (VD ≥ 150 В).
В технологии изготовления нового прибора применяется однородно легированный высокоомный кремний большого диаметра, полученный методом нейтронной трансмутации. Разработаны технологические процессы (в том числе радиационные), которые обеспечивают минимальный разброс выходных параметров фототиристоров. Узкий диапазон таких параметров, как импульсное напряжение в открытом состоянии (VTM), время включения (tgt), заряд обратного восстановления (QRR) наряду с высокой стабильностью прямых падений напряжений позволяют правильно подобрать фототиристоры ТФ183-2000 для последовательной и параллельной работы, а также гарантируют высокую симметрию токов в силовых ветвях преобразователей на весь период эксплуатации.
Фототиристор ТФ183-2000 имеет запатентованную топологию области управления четырехслойной кремниевой структуры с высокой чувствительностью к световому излучению, внутренним усилением сигнала управления и эффективной шунтировкой катодн ого эмиттера. Благодаря этому прибор быстро включается, его можно длительно эксплуатировать в режиме высоких скоростей коммутации анодного тока и напряжений. Исследования переходного процесса включения фототиристоров с выбранной конструкцией области управления показали высокую стойкость к критической скорости нарастания тока в открытом состоянии (diT/dt)crit до 1000 А/мкс.
Приборы имеют повышенную механическую прочность, они надежно работают при воздействии номинальных рабочих значениях вибрационных нагрузок в диапазоне частот от 0,5 до 500 Гц с ускорением 100 м/с2, а также при одиночных и многократных ударах с ускорением 1500 и 750 м/с2 соответственно. Фототиристоры ТФ183-2000 сейсмостойки, они выдерживают землетрясения интенсивностью 9 баллов по MSK-64.
В кремниевую структуру фототиристоров ТФ183-2000 интегрированы элементы защитных функций, которые позволяют упростить или вообще исключить сложные и дорогие электронные схемы защиты от пробоя при внешних критических воздействиях. За высокие показатели качества фототиристор ТФ183-2000 удостоен Золотой медали на 19-й Международной выставке "Электро-2010".
Фототиристоры наиболее эффективны в устройствах с последовательным соединением приборов и высоким уровнем электромагнитных помех. Они позволяют сократить количество элементов в схеме преобразователя, обеспечивают высокие КПД и надежность системы в целом. Поэтому их широко применяют в современных энергосберегающих преобразователях для линий передач и вставок постоянного тока (HVDC), компенсаторах реактивной мощности (SVC), фазоповоротных устройствах.
Названия параметров, встречающихся в статье, и их обозначения
Повторяющееся импульсное обратное напряжение – VRRM
Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии – VDRM
Напряжение переключения – VBO
Импульсное прямое напряжение – VFM
Импульсное напряжение в открытом состоянии – VTM
Пороговое напряжение диода – VTO
Пороговое напряжение тиристора – VT(TO)
Отпирающее постоянное напряжение управления – VGT
Повторяющийся импульсный обратный ток – IRRM
Повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии – IDRM
Максимально допустимый средний ток в открытом состоянии – IT(AV)
Максимально допустимый средний прямой ток – IF(AV)
Ударный прямой ток – IFSM
Ударный ток в открытом состоянии – ITSM
Отпирающий постоянный ток управления – IGT
Импульсный прямой ток – IFM
Обратный ток (ток утечки) – IR
Температура корпуса – TC
Максимально допустимая температура перехода – TVJM
Динамическое сопротивление – rT
Время обратного восстановления – trr
Время включения (для тиристоров) – tgt
Время выключения (для тиристоров) – tq
Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии – (dvD/dt)crit
Тепловое сопротивление переход-корпус – Rth (j-c)
Крутящий момент – Md
Усилие сжатия – Fm
Масса – w
Заряд обратного восстановления – QRR
Оптическая мощность управления – PLM
Электрическая прочность изоляции – VISOL
КОМПЕНСАТОРЫ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
Важнейшие требования к электрооборудованию энергетики – обеспечение качества поставляемой электроэнергии, снижение потерь и эксплуатационных издержек. Наряду с потоками активной энергии в сетях циркулируют сравнимые, а иногда и превышающие их потоки реактивной энергии. Снизить потери мощности и повысить пропускную способность сети можно, компенсировав реактивную мощность.
Эффективно решить проблему, связанную с компенсацией реактивной мощности и перепадами напряжения можно, внедрив статические тиристорные компенсаторы, предназначенные для плавного или ступенчатого изменения реактивной мощности. Основной элемент силовой схемы устройств статических компенсаторов реактивной мощности – высоковольтные тиристоры. Предлагаются мощные высоковольтные тиристоры серии 283 с блокирующим напряжением до 8000 В и на токи до 2000 А (рис.4).
Основные электрические параметры и характеристики тиристора Т283-2000 приведены в табл.3.
Конкурентные преимущества высоковольтных тиристоров Т283-2000 по отношению к аналогам:
лучшее сочетание соотношения "блокируемые напряжения – статические потери";
низкие энергии потерь в процессе обратного восстановления;
высокая помехоустойчивость;
оптимальное соотношение "цена-качество".
Электрофизические параметры и конструкция кремниевых структур тиристоров выбраны так, чтобы получить наилучший баланс между потерями во включенном состоянии и динамическими потерями. Это позволяет эффективно управлять максимальными мощностями для низкочастотного применения (на частоте 50 Гц). Высоких значений блокирующих характеристик фототиристора удалось достичь за счет новой технологии профилирования краевого контура кремниевой структуры сложной формы с двойным положительным углом. Применение патентованной технологии управления диффузионными профилями и временем жизни неосновных носителей заряда в технологическом цикле изготовления тиристоров позволило минимизировать разброс выходных параметров тиристора Т283-2000, таких как VTM, QRR и полностью удовлетворить требования потребителей к приборам, предназначенным для работы в схемах с последовательным и параллельным соединением.
Одновременно с разработкой новых высоковольтных тиристоров для электроэнергетики была создана и освоена в производстве серия супермощных диодов с блокируемым напряжением до 10000 В. Вольт-амперная характеристика одного из типов диодов этой серии (Д173-1600) приведена на рис.5.
Благодаря способности коммутировать большие мощности, а также малым значениям заряда обратного восстановления и разброса электрических параметров новые приборы могут успешно применяться в классических схемах преобразователей для передачи и вставок постоянного тока высокого напряжения HVDC, высоковольтных статических компенсаторах реактивной мощности, выпрямителях систем возбуждения мощных турбо- и гидрогенераторов, предназначенных для электроэнергетического комплекса. Эти приборы эффективны также в электроприводах для плавного пуска высоковольтных электродвигателей постоянного и переменного тока, преобразователях тяговых подстанций, различных высоковольтных неуправляемых и управляемых ключах переменного тока.
РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
Помимо продукции для генерации и передачи электроэнергии ОАО "Электровыпрямитель" разрабатывает и выпускает энергоэффективные продукты для потребителей электроэнергии. Наиболее энергоемкие отрасли промышленности (перспективные для применения энергосберегающих технологий) – это топливная промышленность, металлургия, машиностроение, металлообработка, добывающая отрасль и сфера жилищно-коммунального хозяйства.
В России очень мал удельный вес применения регулируемого электропривода, на долю которого в развитых странах приходится до 60% потребления электроэнергии (регулирование скорости вращения низковольтных асинхронных электроприводов насосов, компрессоров, вентиляторов, воздуходувок, дымососов, конвейеров, транспортеров, центрифуг, дробильного оборудования и многих других механизмов). Известно, что плавное регулирование скорости вращения электродвигателя позволяет в большинстве случаев отказаться от использования редукторов, вариаторов и другой регулирующей аппаратуры. Это значительно упрощает управляемую механическую (технологическую) систему, повышает ее надежность и снижает эксплуатационные расходы. Частотный пуск управляемого двигателя обеспечивает его плавный (без повышенных пусковых токов и механических ударов) разгон, что снижает нагрузку на двигатель и связанные с ним передаточные механизмы, увеличивает срок их эксплуатации. При этом появляется возможность снизить мощность приводных двигателей нагруженных механизмов. Даже небольшое снижение скорости электропривода может дать значительный выигрыш в потребляемой мощности. Теоретически снижение скорости на 10% снижает потребляемую мощность на 30%. Расчеты фирмы ABB показали, что каждый доллар, вложенный в электропривод среднего напряжения, дает 175 долларов экономии за время его срока службы.
Обычно питание многих объектов производится от промышленной сети переменного тока напряжением 380 В (исключение составляют лишь энергоемкие потребители), где наиболее эффективны преобразователи частоты, комплектуемые полностью управляемыми ключами.
В этом случае основными элементами преобразователей являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Производимые сегодня мощные IGBT-модули предназначены в основном для традиционных применений (электропривод, электроэнергетика, источники бесперебойного питания) и работают на частотах коммутации от 0,5 до 35 кГц. В ОАО "Электровыпрямитель" разработана и внедрена в производство серия IGBT-модулей на токи от 25 до 4800 А и напряжения от 600 до 6500 В (рис.6).
В ОАО "Электровыпрямитель" успешно реализован ряд проектов по применению IGBT-модулей в оборудовании нефтегазового комплекса, железнодорожного транспорта, горнодобывающих предприятий, машиностроения, жилищно-коммунального хозяйства, радиолокации и др. На основе IGBT-модулей ОАО "Электровыпрямитель" производятся электроприводы переменного тока, высоковольтные источники питания и модуляторы напряжения, источники бесперебойного питания (UPS), электросварочное оборудование, установки индукционного нагрева, резонансные инверторы, источники питания лазерных и рентгеновских установок, современное медицинское оборудование.
IGBT-модули широко применяются в альтернативной энергетике (в преобразователях частоты для солнечных батарей и ветрогенераторов), а также в низковольтных асинхронных электроприводах, которые используются в промышленности, нефтегазодобывающей отрасли, коммунальном хозяйстве.
Модули выпускаются по схемам одиночных ключей, чопперов, полумостов и трехфазных инверторов. Они соответствуют требованиям международных стандартов и взаимозаменяемы со многими зарубежными аналогами, представленными на российском рынке. В настоящее время предприятие производит IGBT-модули на основе кристаллов нескольких поколений, отличающихся технологией изготовления. Каждая модификация IGBT имеет свои характеристики, оптимизированные для определенного частотного диапазона. В целом семейство выпускаемых приборов охватывает практически весь спектр применений и задач, которые решаются сегодня с помощью IGBT-модулей.
В модулях предусмотрены защитные диоды обратного тока с "мягкими" характеристиками обратного восстановления. В основном эти приборы выпускаются в стандартных корпусах и предназначены для статических преобразователей частоты, используемых в различных отраслях промышленности, транспорте, в энергетических системах.
ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫЙ ТРАНСПОРТ
Прогресс в силовой электронике теснейшим образом связан с развитием электрифицированных транспортных средств, особенно железнодорожного транспорта. Для нашей огромной страны железные дороги имеют первостепенное значение. Перевозки пассажиров и грузов должны быть высокорентабельными, что невозможно без современной транспортной техники и технологий. Электрическая тяга поездов, автоматизация и механизация работ – залог технического прогресса на железнодорожном транспорте.
ОАО "Электровыпрямитель" – крупнейший поставщик силовых полупроводниковых приборов для электрооборудования железнодорожного транспорта России и СНГ. Эти приборы уже более 40 лет успешно работают в выпрямителях тяговых подстанций электрифицированных железных дорог, выпрямительно-инверторных преобразователях магистральных электровозов, выпрямителях, предназначенных для тепловозов, путевых машин и карьерных электровозов, в системах электроснабжения вагонов, вспомогательных приводах локомотивов и т.д.
Электроснабжение движущихся поездов от электростанций внешнего электроснабжения осуществляется через тяговые подстанции по контактной сети. В контактной сети на российских железных дорогах применяется система постоянного тока напряжением 3 кВ или система однофазного переменного тока частотой 50 Гц напряжением 25 кВ. В комплект силовой части выпрямителей трехфазного тока частотой 50 Гц, применяемых на подстанциях в системе постоянного тока 3 кВ, входят тиристоры, диоды, высоковольтные выпрямительные модули.
В качестве новых разработок ОАО "Электровыпрямитель" предлагает малогабаритные высоковольтные диодные сборки СД-2-50 с рабочим напряжением 50 кВ и средним прямым током 2 А для устройств защиты фидеров контактных сетей электрифицированных участков железных дорог. Защита предназначена для отключения фидера контактной сети электрифицированных участков железных дорог переменного тока системы 25,0 кВ и 2x25 кВ. Защита унифицирована для установки на тяговых подстанциях и постах секционирования. Основные параметры СД-2-50 представлены в табл.4.
Приборы выполнены в виде модулей, поставляются в пластмассовом корпусе размером 180×83×28 мм (рис.7). Отвод тепла от полупроводниковых элементов производится через изолирующие теплопроводящие металлокерамические пластины, что позволяет увеличить средний ток в несколько раз по сравнению с аналогами.
Характеристики диодных сборок оптимизированы для применения в низкочастотных и импульсных схемах. Модули имеют лавинные блокирующие характеристики. При принудительном воздушном охлаждении предельно допустимая величина прямого тока может быть увеличена в два-три раза.
Преобразование переменного тока частотой 50 Гц в электрический ток с другими значениями необходимо для того, чтобы электрическая энергия, подводимая через систему электроснабжения к электрическому подвижному составу (ЭПС), при ее преобразовании в механическую энергию движения поезда использовалась максимально эффективно. Наиболее широко на ЭПС применяют коллекторные электродвигатели постоянного тока. Чтобы обеспечить их питание, необходимо подведение постоянного тока с плавным регулированием уровня напряжения во время пуска.
Для питания тяговых двигателей постоянного тока используют выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП), которые устанавливают на самом ЭПС и преобразуют переменный ток в постоянный при помощи высоковольтных тиристоров. В режиме электрического рекуперативного торможения управляемые выпрямители переводятся по системе управления в режим инвертора, ведомого сетью. При этом частота тока на выходе инвертора задается самой сетью переменного тока. Инверторы обеспечивают обратное преобразование постоянного тока в однофазный частотой 50 Гц.
Для комплектации силовой части ВИП ЭПС ОАО "Электровыпрямитель" использует стабильный и надежный тиристор Т353-800, имеющий высокую нагрузочную способность по току и напряжению.
ОАО "Электровыпрямитель" производит специальные IGBT-модули для преобразовательного электрооборудования подвижного состава российских железных дорог. Модули этой серии имеют повышенную энерготермоциклостойкость и способны работать в условиях жестких климатических и механических воздействий. Приборы данной серии применены в преобразователях для бортового питания локомотивов, в новых системах электродинамического торможения тепловозов, электроприводе городского транспорта (троллейбусов, трамваев).
Для электрооборудования подвижного состава железных дорог разработаны новые IGBT- модули с напряжением изоляции не менее 13000 В. Они используются в высоковольтных блоках многоканальных преобразователей частоты собственного изготовления для бортового питания магистральных электровозов постоянного тока и электропоездов. В процессе работы над этими приборами разработаны и запатентованы оригинальные технические решения, которые позволяют выпускать сегодня IGBT-модули в конструкциях с напряжением изоляции до 20 кВ.
Подобные силовые модули решают проблему преобразования напряжения контактной сети 3000 В в стабильное напряжение бортового питания электровозов независимо от всех возможных колебаний и перенапряжений в тяговых сетях. Эта разработка открывает большие возможности для внедрения в отечественный электрифицированный транспорт современного, компактного и надежного оборудования для питания локомотивов и тягового привода.
Сегодня в ОАО "Электровыпрямитель" освоено производство IGBT-модулей с напряжением изоляции не менее 13 кВ в трех типах корпусов (рис.8): 62×107×58 мм, 190×140×51 мм и 130×140×51 мм.
Отличительные особенности "транспортных" IGBT-модулей:
повышенная устойчивость к температурным циклам (не менее 100 000 циклов при ∆Tj = 70 °C);
корпус повышенной прочности с изолированным основанием из композиционного материала (AlSiC);
специальные металлокерамические платы на основе AlN;
специальная защита сварных соединений;
уменьшенные статические и динамические потери.
Обеспечение надежной работы всех типов IGBT-модулей является основной задачей ОАО "Электровыпрямитель". На предприятии разработаны, внедрены и постоянно совершенствуются технологические процессы, гарантирующие высокое качество сборки и стабильность параметров выпускаемых приборов. Особое внимание уделяется техпроцессам пайки и ультразвуковой сварки, так как в первую очередь именно они определяют качество и надежность IGBT-модулей. При сборке модулей используется технология вакуумной пайки, которая исключает окисление поверхностей и предотвращает появление пустот в паяных соединениях. Проводится 100%-ный контроль паяных соединений с помощью рентгеновского оборудования. Качество ультразвуковой сварки алюминиевых выводов удалось значительно улучшить, полностью автоматизировав данный процесс на основе высокопроизводительных автоматических установок фирмы "Orthodyne Electronics".
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ
СПП широко применяются в электротехнологических установках. Так, наиболее распространенными нагрузками постоянного тока являются электролизеры и гальванотехника – чрезвычайно энергоёмкое оборудование. Например, для восстановления алюминия из глинозёма путем электролиза требуются преобразовательные агрегаты на токи до 300 кА и напряжения до 1200 В. Нашим предприятием для данной области применений разработаны супермощные выпрямительные диоды серий 183 и 193 в термодинамически устойчивых корпусах.
Современный рынок преобразователей для индукционного нагрева требует постоянного снижения стоимости и габаритных размеров преобразователей. Поэтому необходимо непрерывно повышать эффективность работы силовых ключей. И сегодня основная задача силовой электроники – увеличить коммутируемую единичным ключом мощность, а также степень интеграции и эффективности систем охлаждения. Хорошие результаты в схемах автономных инверторов тока может дать переход на модульное исполнение встречно-параллельного соединения "тиристор – диод". Модульное исполнение имеет определенные преимущества перед дискретными асимметричными тиристорами и быстро восстанавливающимися диодами, соединенными встречно-параллельно: удобство монтажа (один корпус вместо двух), сокращение паразитной индуктивности шин, соединяющих полупроводниковые элементы, меньшая стоимость.
Специально для источников питания систем индукционного нагрева разработан частотный тиристорно-диодный модуль на основе асимметричного импульсного тиристора и быстровосстанавливающегося диода с диаметром полупроводникового элемента 40 мм (рис.9).
Модуль МТАИДЧ-400-16 рассчитан на ток 400 А, прямое напряжение до 1600 В и оптимизирован для применения в схемах источников питания преобразователей повышенной частоты для индукционного нагрева. Основные параметры модуля приведены в табл.5.
Приборы выполнены в прочных пластмассовых корпусах, основание изолировано от силового и управляющего выводов с помощью теплопроводящей керамики из нитрида алюминия. Напряжение изоляции составляет более 3 кВ. Ширина медного основания модуля – 60 мм. Модульная конструкция соединения тиристора и диода в сочетании с внутренней изоляцией позволяет существенно упростить силовую схему, снизить издержки монтажа и обслуживания преобразовательного устройства. Новый тип модуля позволяет разработчику схем частотных преобразователей реализовать два возможных варианта соединения тиристора и диода – встречно-параллельное и последовательное.
Вместе с развитием полупроводниковых компонентов силовой электроники совершенствуется и схемотехника преобразователей частоты для индукционного нагрева. Эффект нагрева растет с увеличением частоты переменного тока, согласно явлению электромагнитной индукции. Разработка транзисторных преобразователей в диапазонах мощностей (сотни киловатт) и высоких частот (десятки килогерц) представляет собой сложную техническую проблему. Для решения поставленной задачи требуются более быстродействующие, чем существующие сегодня, силовые электронные компоненты, способные эффективно работать на высоких частотах.
Большинство схемотехнических решений инверторов устройств питания используют обратные SFRD-диоды. Энергия потерь IGBT-транзистора при его включении зависит от характеристики обратного восстановления встречно-параллельного SFRD-диода. Применение диодов на основе SiC в сочетании с новой схемотехникой позволяет эффективно использовать IGBT-модули в мощных преобразователях для технологий индукционного нагрева на частотах от 20 до 100 кГц.
Одной из последних разработок в данном направлении является частотный IGBT-модуль с диодами Шоттки М2ТКИ-50-12ЧШ (рис.10) для преобразователей частоты систем индукционного нагрева с частотой коммутации до 50 кГц. Модуль выполнен по схеме полумоста с частотным IGBT и встроенным быстродействующим SiC-диодом Шоттки на ток 50 А и напряжение 1200 В.
Перечислим преимущества модуля М2ТКИ-50-12ЧШ с SiC-диодами Шоттки по сравнению с аналогичным модулем М2ТКИ-50-12Ч с комплектными SFRD-диодами на основе Si:
снижение энергии коммутационных потерь при включении транзистора Eon на 65%;
снижение энергии коммутационных потерь при обратном восстановлении диода Erec в 13 раз;
снижение времени обратного восстановления диода tRR в 5,5 раз;
практически нулевой заряд обратного восстановления диода QRR.
На рис.11 приведены сравнительные осциллограммы в период коммутационных переключений вышеуказанных модулей.
С помощью разработанных модулей в источниках питания систем индукционного нагрева, в частности за счет уменьшения потерь в силовых ключах и демпферных цепях, можно повысить выходную мощность, снизить габаритные размеры преобразователя и его стоимость. По заказу потребителей возможно изготовление IGBT-модулей c диодами Шоттки на ток до 600 А.
В заключение стоит отметить, что большой объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых ОАО "Электровыпрямитель", позволяет постоянно совершенствовать характеристики выпускаемой продукции, разрабатывать новые типы продукции силовой электроники. В основном усилия компании направлены на улучшение электрических параметров и повышение надежности изделий силовой электроники, а также расширение их функциональных возможностей и областей применения.
Так, в настоящее время продолжаются работы по промышленному освоению производства силовых полупроводниковых приборов нового поколения для высокоэффективных преобразовательной техники: запираемого тиристора с интегрированным управлением (IGCT) и мощного таблеточного IGBT прижимной конструкции.
Основу энергосберегающего преобразовательного оборудования составляют силовые полупроводниковые приборы (СПП). Применение силовых полупроводниковых приборов и преобразовательной техники на их основе снижает потери энергии в оборудовании и позволяет внедрять надежные энергоэффективные технологии в самых разных секторах экономики и социальной сферы (рис.1).
ОАО "Электровыпрямитель" – крупнейшая электротехническая компания России с более чем 65-летним опытом работы в области разработки и производства энергосберегающего преобразовательного оборудования и силовых электронных компонентов – сегодня выпускает широкий спектр дискретных силовых полупроводниковых приборов и преобразовательной техники для всего технологического цикла электроэнергетики: выработка, передача, распределение и потребление электрической энергии.
Рис.1. Силовые полупроводниковые приборы и области их применения
ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
В цепочке производства и потребления электроэнергии важную роль играет ее генерация. В генерирующих объектах широко применяют изделия силовой электроники. Многие турбо- и гидрогенераторы в России и на постсоветском пространстве оснащены современными системами возбуждения с тиристорами производства ОАО "Электровыпрямитель" на токи от 800 до 1250 А и напряжения до 4400 В. Этими приборами укомплектованы тиристорные системы возбуждения производства ОАО "Силовые машины", которые успешно эксплуатируются сегодня на 140 электростанциях (в том числе и атомных) в России и во многих странах мира. Высоковольтные роторные диоды ОАО "Электровыпрямитель" с рабочим током 630 А и напряжением 2800 В специально разработаны и успешно эксплуатируются в бесщеточных диодных системах возбуждения для питания обмоток возбуждения турбогенераторов мощностью от 320 МВт до 1200 МВт.
Одна из последних разработок в области тиристоров и диодов для генерирующего комплекса – это серия приборов фланцевой конструкции корпуса. Один из типовых представителей данной серии – диод Д185-500 – показан на рис.2. Приборы рассчитаны на максимальное обратное блокирующее напряжение до 4000 В и имеют прочные металлокерамические корпуса. Основные электрические параметры диодов Д185-500 представлены в табл.1.
Для статических систем возбуждения разработаны и выпускаются новые высокомощные тиристоры 163 и 183 серий, рассчитанные на средние токи до 4000 А и напряжение до 6500 В.
ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Сегодня по-прежнему актуальна проблема передачи электроэнергии на дальние расстояния. Чтобы повысить ее эффективность, были внедрены новые технологии: высоковольтные линии дальней передачи электроэнергии постоянным током (High Voltage Direct Current – HVDC) и гибкие линии передачи энергии переменным током (Flexible Alternating Current Transmission Systems – FACTS). Все более высокие требования к надежности и энергоэффективности сделали линии этих двух типов неотъемлемой частью современной электроэнергетики.
Рис.2. Высоковольтный выпрямительный диод Д185-500 фланцевого исполнения
ОАО "Электровыпрямитель" как традиционный поставщик полупроводниковых компонентов силовой электроники большой мощности имеет опыт разработки и производства тиристорных вентилей для преобразователей линий и вставок передач постоянного тока. ОАО "Электровыпрямитель" и ФГУП "ВЭИ им. В.И. Ленина" совместно разработали и подготовили производство унифицированного преобразовательного модуля тиристорного ключа напряжением 12 кВ и током 2500 А и его основной элементной базы – высоковольтных тиристоров с прямым управлением светом (фототиристоров).
Фототиристоры обладают целым рядом преимуществ по сравнению с обычными тиристорами, которые управляются электрическими сигналами. К ним относятся, прежде всео, управление импульсами света с возможностью передачи сигнала на большие расстояния, точный временной контроль включения группы приборов, высоковольтная гальваническая развязка между схемой управления и силовой цепью, высокая помехоустойчивость, интегрированные функции самозащиты, за счет которых повышаются надежность, безопасность, срок эксплуатации и технические характеристики преобразовательной техники.
Наиболее мощный в серии таких приборов – фототиристор ТФ183-2000 (рис.3). Он рассчитан на средние токи до 2000 А и напряжение до 8000 В, включается импульсами света инфракрасного диапазона с длиной волны 0,88–1,05 мкм и мощностью 40 мВт. Система ввода светового сигнала в корпус прибора расположена в центре катодного электрода фототиристора в виде оптического окна над фоточувствительной областью полупроводниковой структуры. Управляющий импульс передается к светочувствительной области кремниевой структуры через оптический интерфейсный кабель (LTT-адаптер). Он соединен оптическим разъемом с излучающим лазерным диодом. Длина световода практически не ограничена, так как затухание сигнала управления в нем очень мало. Лазерный диод преобразовывает электрический сигнал от драйвера управления в световой импульс, который по форме и длительности практически повторяет электрический импульс.
Рис.3. Фототиристор ТФ183-2000-70 и элементы его управления с помощью света
Фототиристор ТФ183-2000-70 (табл.2) по своим характеристикам соответствует лучшим зарубежным аналогам, а по ряду параметров превышает их. К преимуществам разработанного фототиристора следует отнести: меньшие габариты и массу при практически одинаковых рабочих токах и напряжениях, очень низкие значения заряда обратного восстановления, низкие токи утечки. Особенно важно, что включение ТФ183-2000 происходит при значительно меньшем значении анодного напряжения (VD ≥ 2 В) по сравнению с прибором иностранного производства (VD ≥ 150 В).
В технологии изготовления нового прибора применяется однородно легированный высокоомный кремний большого диаметра, полученный методом нейтронной трансмутации. Разработаны технологические процессы (в том числе радиационные), которые обеспечивают минимальный разброс выходных параметров фототиристоров. Узкий диапазон таких параметров, как импульсное напряжение в открытом состоянии (VTM), время включения (tgt), заряд обратного восстановления (QRR) наряду с высокой стабильностью прямых падений напряжений позволяют правильно подобрать фототиристоры ТФ183-2000 для последовательной и параллельной работы, а также гарантируют высокую симметрию токов в силовых ветвях преобразователей на весь период эксплуатации.
Фототиристор ТФ183-2000 имеет запатентованную топологию области управления четырехслойной кремниевой структуры с высокой чувствительностью к световому излучению, внутренним усилением сигнала управления и эффективной шунтировкой катодн ого эмиттера. Благодаря этому прибор быстро включается, его можно длительно эксплуатировать в режиме высоких скоростей коммутации анодного тока и напряжений. Исследования переходного процесса включения фототиристоров с выбранной конструкцией области управления показали высокую стойкость к критической скорости нарастания тока в открытом состоянии (diT/dt)crit до 1000 А/мкс.
Приборы имеют повышенную механическую прочность, они надежно работают при воздействии номинальных рабочих значениях вибрационных нагрузок в диапазоне частот от 0,5 до 500 Гц с ускорением 100 м/с2, а также при одиночных и многократных ударах с ускорением 1500 и 750 м/с2 соответственно. Фототиристоры ТФ183-2000 сейсмостойки, они выдерживают землетрясения интенсивностью 9 баллов по MSK-64.
В кремниевую структуру фототиристоров ТФ183-2000 интегрированы элементы защитных функций, которые позволяют упростить или вообще исключить сложные и дорогие электронные схемы защиты от пробоя при внешних критических воздействиях. За высокие показатели качества фототиристор ТФ183-2000 удостоен Золотой медали на 19-й Международной выставке "Электро-2010".
Фототиристоры наиболее эффективны в устройствах с последовательным соединением приборов и высоким уровнем электромагнитных помех. Они позволяют сократить количество элементов в схеме преобразователя, обеспечивают высокие КПД и надежность системы в целом. Поэтому их широко применяют в современных энергосберегающих преобразователях для линий передач и вставок постоянного тока (HVDC), компенсаторах реактивной мощности (SVC), фазоповоротных устройствах.
Названия параметров, встречающихся в статье, и их обозначения
Повторяющееся импульсное обратное напряжение – VRRM
Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии – VDRM
Напряжение переключения – VBO
Импульсное прямое напряжение – VFM
Импульсное напряжение в открытом состоянии – VTM
Пороговое напряжение диода – VTO
Пороговое напряжение тиристора – VT(TO)
Отпирающее постоянное напряжение управления – VGT
Повторяющийся импульсный обратный ток – IRRM
Повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии – IDRM
Максимально допустимый средний ток в открытом состоянии – IT(AV)
Максимально допустимый средний прямой ток – IF(AV)
Ударный прямой ток – IFSM
Ударный ток в открытом состоянии – ITSM
Отпирающий постоянный ток управления – IGT
Импульсный прямой ток – IFM
Обратный ток (ток утечки) – IR
Температура корпуса – TC
Максимально допустимая температура перехода – TVJM
Динамическое сопротивление – rT
Время обратного восстановления – trr
Время включения (для тиристоров) – tgt
Время выключения (для тиристоров) – tq
Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии – (dvD/dt)crit
Тепловое сопротивление переход-корпус – Rth (j-c)
Крутящий момент – Md
Усилие сжатия – Fm
Масса – w
Заряд обратного восстановления – QRR
Оптическая мощность управления – PLM
Электрическая прочность изоляции – VISOL
КОМПЕНСАТОРЫ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
Важнейшие требования к электрооборудованию энергетики – обеспечение качества поставляемой электроэнергии, снижение потерь и эксплуатационных издержек. Наряду с потоками активной энергии в сетях циркулируют сравнимые, а иногда и превышающие их потоки реактивной энергии. Снизить потери мощности и повысить пропускную способность сети можно, компенсировав реактивную мощность.
Эффективно решить проблему, связанную с компенсацией реактивной мощности и перепадами напряжения можно, внедрив статические тиристорные компенсаторы, предназначенные для плавного или ступенчатого изменения реактивной мощности. Основной элемент силовой схемы устройств статических компенсаторов реактивной мощности – высоковольтные тиристоры. Предлагаются мощные высоковольтные тиристоры серии 283 с блокирующим напряжением до 8000 В и на токи до 2000 А (рис.4).
Рис.4. Высоковольтный тиристор Т283-2000 для устройств компенсации реактивной мощности
Основные электрические параметры и характеристики тиристора Т283-2000 приведены в табл.3.
Конкурентные преимущества высоковольтных тиристоров Т283-2000 по отношению к аналогам:
лучшее сочетание соотношения "блокируемые напряжения – статические потери";
низкие энергии потерь в процессе обратного восстановления;
высокая помехоустойчивость;
оптимальное соотношение "цена-качество".
Электрофизические параметры и конструкция кремниевых структур тиристоров выбраны так, чтобы получить наилучший баланс между потерями во включенном состоянии и динамическими потерями. Это позволяет эффективно управлять максимальными мощностями для низкочастотного применения (на частоте 50 Гц). Высоких значений блокирующих характеристик фототиристора удалось достичь за счет новой технологии профилирования краевого контура кремниевой структуры сложной формы с двойным положительным углом. Применение патентованной технологии управления диффузионными профилями и временем жизни неосновных носителей заряда в технологическом цикле изготовления тиристоров позволило минимизировать разброс выходных параметров тиристора Т283-2000, таких как VTM, QRR и полностью удовлетворить требования потребителей к приборам, предназначенным для работы в схемах с последовательным и параллельным соединением.
Одновременно с разработкой новых высоковольтных тиристоров для электроэнергетики была создана и освоена в производстве серия супермощных диодов с блокируемым напряжением до 10000 В. Вольт-амперная характеристика одного из типов диодов этой серии (Д173-1600) приведена на рис.5.
Рис.5. Серия супервысоковольтных диодов и обратная вольт-амперная характеристика диода Д173-1600
Благодаря способности коммутировать большие мощности, а также малым значениям заряда обратного восстановления и разброса электрических параметров новые приборы могут успешно применяться в классических схемах преобразователей для передачи и вставок постоянного тока высокого напряжения HVDC, высоковольтных статических компенсаторах реактивной мощности, выпрямителях систем возбуждения мощных турбо- и гидрогенераторов, предназначенных для электроэнергетического комплекса. Эти приборы эффективны также в электроприводах для плавного пуска высоковольтных электродвигателей постоянного и переменного тока, преобразователях тяговых подстанций, различных высоковольтных неуправляемых и управляемых ключах переменного тока.
РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
Помимо продукции для генерации и передачи электроэнергии ОАО "Электровыпрямитель" разрабатывает и выпускает энергоэффективные продукты для потребителей электроэнергии. Наиболее энергоемкие отрасли промышленности (перспективные для применения энергосберегающих технологий) – это топливная промышленность, металлургия, машиностроение, металлообработка, добывающая отрасль и сфера жилищно-коммунального хозяйства.
В России очень мал удельный вес применения регулируемого электропривода, на долю которого в развитых странах приходится до 60% потребления электроэнергии (регулирование скорости вращения низковольтных асинхронных электроприводов насосов, компрессоров, вентиляторов, воздуходувок, дымососов, конвейеров, транспортеров, центрифуг, дробильного оборудования и многих других механизмов). Известно, что плавное регулирование скорости вращения электродвигателя позволяет в большинстве случаев отказаться от использования редукторов, вариаторов и другой регулирующей аппаратуры. Это значительно упрощает управляемую механическую (технологическую) систему, повышает ее надежность и снижает эксплуатационные расходы. Частотный пуск управляемого двигателя обеспечивает его плавный (без повышенных пусковых токов и механических ударов) разгон, что снижает нагрузку на двигатель и связанные с ним передаточные механизмы, увеличивает срок их эксплуатации. При этом появляется возможность снизить мощность приводных двигателей нагруженных механизмов. Даже небольшое снижение скорости электропривода может дать значительный выигрыш в потребляемой мощности. Теоретически снижение скорости на 10% снижает потребляемую мощность на 30%. Расчеты фирмы ABB показали, что каждый доллар, вложенный в электропривод среднего напряжения, дает 175 долларов экономии за время его срока службы.
Рис.6. Диапазон токов и напряжений IGBT-модулей
Обычно питание многих объектов производится от промышленной сети переменного тока напряжением 380 В (исключение составляют лишь энергоемкие потребители), где наиболее эффективны преобразователи частоты, комплектуемые полностью управляемыми ключами.
В этом случае основными элементами преобразователей являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Производимые сегодня мощные IGBT-модули предназначены в основном для традиционных применений (электропривод, электроэнергетика, источники бесперебойного питания) и работают на частотах коммутации от 0,5 до 35 кГц. В ОАО "Электровыпрямитель" разработана и внедрена в производство серия IGBT-модулей на токи от 25 до 4800 А и напряжения от 600 до 6500 В (рис.6).
В ОАО "Электровыпрямитель" успешно реализован ряд проектов по применению IGBT-модулей в оборудовании нефтегазового комплекса, железнодорожного транспорта, горнодобывающих предприятий, машиностроения, жилищно-коммунального хозяйства, радиолокации и др. На основе IGBT-модулей ОАО "Электровыпрямитель" производятся электроприводы переменного тока, высоковольтные источники питания и модуляторы напряжения, источники бесперебойного питания (UPS), электросварочное оборудование, установки индукционного нагрева, резонансные инверторы, источники питания лазерных и рентгеновских установок, современное медицинское оборудование.
IGBT-модули широко применяются в альтернативной энергетике (в преобразователях частоты для солнечных батарей и ветрогенераторов), а также в низковольтных асинхронных электроприводах, которые используются в промышленности, нефтегазодобывающей отрасли, коммунальном хозяйстве.
Модули выпускаются по схемам одиночных ключей, чопперов, полумостов и трехфазных инверторов. Они соответствуют требованиям международных стандартов и взаимозаменяемы со многими зарубежными аналогами, представленными на российском рынке. В настоящее время предприятие производит IGBT-модули на основе кристаллов нескольких поколений, отличающихся технологией изготовления. Каждая модификация IGBT имеет свои характеристики, оптимизированные для определенного частотного диапазона. В целом семейство выпускаемых приборов охватывает практически весь спектр применений и задач, которые решаются сегодня с помощью IGBT-модулей.
В модулях предусмотрены защитные диоды обратного тока с "мягкими" характеристиками обратного восстановления. В основном эти приборы выпускаются в стандартных корпусах и предназначены для статических преобразователей частоты, используемых в различных отраслях промышленности, транспорте, в энергетических системах.
ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫЙ ТРАНСПОРТ
Прогресс в силовой электронике теснейшим образом связан с развитием электрифицированных транспортных средств, особенно железнодорожного транспорта. Для нашей огромной страны железные дороги имеют первостепенное значение. Перевозки пассажиров и грузов должны быть высокорентабельными, что невозможно без современной транспортной техники и технологий. Электрическая тяга поездов, автоматизация и механизация работ – залог технического прогресса на железнодорожном транспорте.
ОАО "Электровыпрямитель" – крупнейший поставщик силовых полупроводниковых приборов для электрооборудования железнодорожного транспорта России и СНГ. Эти приборы уже более 40 лет успешно работают в выпрямителях тяговых подстанций электрифицированных железных дорог, выпрямительно-инверторных преобразователях магистральных электровозов, выпрямителях, предназначенных для тепловозов, путевых машин и карьерных электровозов, в системах электроснабжения вагонов, вспомогательных приводах локомотивов и т.д.
Электроснабжение движущихся поездов от электростанций внешнего электроснабжения осуществляется через тяговые подстанции по контактной сети. В контактной сети на российских железных дорогах применяется система постоянного тока напряжением 3 кВ или система однофазного переменного тока частотой 50 Гц напряжением 25 кВ. В комплект силовой части выпрямителей трехфазного тока частотой 50 Гц, применяемых на подстанциях в системе постоянного тока 3 кВ, входят тиристоры, диоды, высоковольтные выпрямительные модули.
Рис.7. Высоковольтный диодный модуль СД-2-50 (2 А, 50 кВ)
В качестве новых разработок ОАО "Электровыпрямитель" предлагает малогабаритные высоковольтные диодные сборки СД-2-50 с рабочим напряжением 50 кВ и средним прямым током 2 А для устройств защиты фидеров контактных сетей электрифицированных участков железных дорог. Защита предназначена для отключения фидера контактной сети электрифицированных участков железных дорог переменного тока системы 25,0 кВ и 2x25 кВ. Защита унифицирована для установки на тяговых подстанциях и постах секционирования. Основные параметры СД-2-50 представлены в табл.4.
Приборы выполнены в виде модулей, поставляются в пластмассовом корпусе размером 180×83×28 мм (рис.7). Отвод тепла от полупроводниковых элементов производится через изолирующие теплопроводящие металлокерамические пластины, что позволяет увеличить средний ток в несколько раз по сравнению с аналогами.
Характеристики диодных сборок оптимизированы для применения в низкочастотных и импульсных схемах. Модули имеют лавинные блокирующие характеристики. При принудительном воздушном охлаждении предельно допустимая величина прямого тока может быть увеличена в два-три раза.
Преобразование переменного тока частотой 50 Гц в электрический ток с другими значениями необходимо для того, чтобы электрическая энергия, подводимая через систему электроснабжения к электрическому подвижному составу (ЭПС), при ее преобразовании в механическую энергию движения поезда использовалась максимально эффективно. Наиболее широко на ЭПС применяют коллекторные электродвигатели постоянного тока. Чтобы обеспечить их питание, необходимо подведение постоянного тока с плавным регулированием уровня напряжения во время пуска.
Для питания тяговых двигателей постоянного тока используют выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП), которые устанавливают на самом ЭПС и преобразуют переменный ток в постоянный при помощи высоковольтных тиристоров. В режиме электрического рекуперативного торможения управляемые выпрямители переводятся по системе управления в режим инвертора, ведомого сетью. При этом частота тока на выходе инвертора задается самой сетью переменного тока. Инверторы обеспечивают обратное преобразование постоянного тока в однофазный частотой 50 Гц.
Для комплектации силовой части ВИП ЭПС ОАО "Электровыпрямитель" использует стабильный и надежный тиристор Т353-800, имеющий высокую нагрузочную способность по току и напряжению.
ОАО "Электровыпрямитель" производит специальные IGBT-модули для преобразовательного электрооборудования подвижного состава российских железных дорог. Модули этой серии имеют повышенную энерготермоциклостойкость и способны работать в условиях жестких климатических и механических воздействий. Приборы данной серии применены в преобразователях для бортового питания локомотивов, в новых системах электродинамического торможения тепловозов, электроприводе городского транспорта (троллейбусов, трамваев).
Для электрооборудования подвижного состава железных дорог разработаны новые IGBT- модули с напряжением изоляции не менее 13000 В. Они используются в высоковольтных блоках многоканальных преобразователей частоты собственного изготовления для бортового питания магистральных электровозов постоянного тока и электропоездов. В процессе работы над этими приборами разработаны и запатентованы оригинальные технические решения, которые позволяют выпускать сегодня IGBT-модули в конструкциях с напряжением изоляции до 20 кВ.
Подобные силовые модули решают проблему преобразования напряжения контактной сети 3000 В в стабильное напряжение бортового питания электровозов независимо от всех возможных колебаний и перенапряжений в тяговых сетях. Эта разработка открывает большие возможности для внедрения в отечественный электрифицированный транспорт современного, компактного и надежного оборудования для питания локомотивов и тягового привода.
Сегодня в ОАО "Электровыпрямитель" освоено производство IGBT-модулей с напряжением изоляции не менее 13 кВ в трех типах корпусов (рис.8): 62×107×58 мм, 190×140×51 мм и 130×140×51 мм.
Рис.8. Корпуса IGBT-модулей с напряжением изоляции не менее 13 кВ
Отличительные особенности "транспортных" IGBT-модулей:
повышенная устойчивость к температурным циклам (не менее 100 000 циклов при ∆Tj = 70 °C);
корпус повышенной прочности с изолированным основанием из композиционного материала (AlSiC);
специальные металлокерамические платы на основе AlN;
специальная защита сварных соединений;
уменьшенные статические и динамические потери.
Обеспечение надежной работы всех типов IGBT-модулей является основной задачей ОАО "Электровыпрямитель". На предприятии разработаны, внедрены и постоянно совершенствуются технологические процессы, гарантирующие высокое качество сборки и стабильность параметров выпускаемых приборов. Особое внимание уделяется техпроцессам пайки и ультразвуковой сварки, так как в первую очередь именно они определяют качество и надежность IGBT-модулей. При сборке модулей используется технология вакуумной пайки, которая исключает окисление поверхностей и предотвращает появление пустот в паяных соединениях. Проводится 100%-ный контроль паяных соединений с помощью рентгеновского оборудования. Качество ультразвуковой сварки алюминиевых выводов удалось значительно улучшить, полностью автоматизировав данный процесс на основе высокопроизводительных автоматических установок фирмы "Orthodyne Electronics".
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ
СПП широко применяются в электротехнологических установках. Так, наиболее распространенными нагрузками постоянного тока являются электролизеры и гальванотехника – чрезвычайно энергоёмкое оборудование. Например, для восстановления алюминия из глинозёма путем электролиза требуются преобразовательные агрегаты на токи до 300 кА и напряжения до 1200 В. Нашим предприятием для данной области применений разработаны супермощные выпрямительные диоды серий 183 и 193 в термодинамически устойчивых корпусах.
Современный рынок преобразователей для индукционного нагрева требует постоянного снижения стоимости и габаритных размеров преобразователей. Поэтому необходимо непрерывно повышать эффективность работы силовых ключей. И сегодня основная задача силовой электроники – увеличить коммутируемую единичным ключом мощность, а также степень интеграции и эффективности систем охлаждения. Хорошие результаты в схемах автономных инверторов тока может дать переход на модульное исполнение встречно-параллельного соединения "тиристор – диод". Модульное исполнение имеет определенные преимущества перед дискретными асимметричными тиристорами и быстро восстанавливающимися диодами, соединенными встречно-параллельно: удобство монтажа (один корпус вместо двух), сокращение паразитной индуктивности шин, соединяющих полупроводниковые элементы, меньшая стоимость.
Специально для источников питания систем индукционного нагрева разработан частотный тиристорно-диодный модуль на основе асимметричного импульсного тиристора и быстровосстанавливающегося диода с диаметром полупроводникового элемента 40 мм (рис.9).
Модуль МТАИДЧ-400-16 рассчитан на ток 400 А, прямое напряжение до 1600 В и оптимизирован для применения в схемах источников питания преобразователей повышенной частоты для индукционного нагрева. Основные параметры модуля приведены в табл.5.
Рис.9. Частотный тиристорно-диодный модуль МТАИДЧ-400-16
Рис.10. Модуль М2ТКИ-50-12ЧШ
Приборы выполнены в прочных пластмассовых корпусах, основание изолировано от силового и управляющего выводов с помощью теплопроводящей керамики из нитрида алюминия. Напряжение изоляции составляет более 3 кВ. Ширина медного основания модуля – 60 мм. Модульная конструкция соединения тиристора и диода в сочетании с внутренней изоляцией позволяет существенно упростить силовую схему, снизить издержки монтажа и обслуживания преобразовательного устройства. Новый тип модуля позволяет разработчику схем частотных преобразователей реализовать два возможных варианта соединения тиристора и диода – встречно-параллельное и последовательное.
Вместе с развитием полупроводниковых компонентов силовой электроники совершенствуется и схемотехника преобразователей частоты для индукционного нагрева. Эффект нагрева растет с увеличением частоты переменного тока, согласно явлению электромагнитной индукции. Разработка транзисторных преобразователей в диапазонах мощностей (сотни киловатт) и высоких частот (десятки килогерц) представляет собой сложную техническую проблему. Для решения поставленной задачи требуются более быстродействующие, чем существующие сегодня, силовые электронные компоненты, способные эффективно работать на высоких частотах.
Большинство схемотехнических решений инверторов устройств питания используют обратные SFRD-диоды. Энергия потерь IGBT-транзистора при его включении зависит от характеристики обратного восстановления встречно-параллельного SFRD-диода. Применение диодов на основе SiC в сочетании с новой схемотехникой позволяет эффективно использовать IGBT-модули в мощных преобразователях для технологий индукционного нагрева на частотах от 20 до 100 кГц.
Одной из последних разработок в данном направлении является частотный IGBT-модуль с диодами Шоттки М2ТКИ-50-12ЧШ (рис.10) для преобразователей частоты систем индукционного нагрева с частотой коммутации до 50 кГц. Модуль выполнен по схеме полумоста с частотным IGBT и встроенным быстродействующим SiC-диодом Шоттки на ток 50 А и напряжение 1200 В.
Перечислим преимущества модуля М2ТКИ-50-12ЧШ с SiC-диодами Шоттки по сравнению с аналогичным модулем М2ТКИ-50-12Ч с комплектными SFRD-диодами на основе Si:
снижение энергии коммутационных потерь при включении транзистора Eon на 65%;
снижение энергии коммутационных потерь при обратном восстановлении диода Erec в 13 раз;
снижение времени обратного восстановления диода tRR в 5,5 раз;
практически нулевой заряд обратного восстановления диода QRR.
На рис.11 приведены сравнительные осциллограммы в период коммутационных переключений вышеуказанных модулей.
Рис.11. Сравнительные осциллограммы тока и напряжения при коммутации IGBT-модулей
С помощью разработанных модулей в источниках питания систем индукционного нагрева, в частности за счет уменьшения потерь в силовых ключах и демпферных цепях, можно повысить выходную мощность, снизить габаритные размеры преобразователя и его стоимость. По заказу потребителей возможно изготовление IGBT-модулей c диодами Шоттки на ток до 600 А.
В заключение стоит отметить, что большой объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых ОАО "Электровыпрямитель", позволяет постоянно совершенствовать характеристики выпускаемой продукции, разрабатывать новые типы продукции силовой электроники. В основном усилия компании направлены на улучшение электрических параметров и повышение надежности изделий силовой электроники, а также расширение их функциональных возможностей и областей применения.
Так, в настоящее время продолжаются работы по промышленному освоению производства силовых полупроводниковых приборов нового поколения для высокоэффективных преобразовательной техники: запираемого тиристора с интегрированным управлением (IGCT) и мощного таблеточного IGBT прижимной конструкции.
Отзывы читателей
