Применение силовых полупроводниковых ключей в современных электроприводах

В настоящее время основными приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50А являются диоды (Dioded): тиристоры (Thyristos, SCR); биполярные транзисторы (BPT); биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT); полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET); силовые интегральные схемы (Power IC); интеллектуальные силовые интегральные схемы (Smart Power IC).

В области коммутируемых токов более 50А основными приборами силовой электроники являются: силовые модуле на базе биполярных транзисторов; силовые модули на базе IGBT; тиристоры; запираемые тиристоры (GTO); диоды.

Самую значительную часть приборов в диапазоне до 50 А составляют полевые транзисторы с изолированным затвором — транзисторы MOSFET.

Эти приборы, обладая малыми статическими и динамическими потерями с минимальными затратами на управление, крайне небольшими временами переключения, что позволило им работать на частотах до 1 МГц, практически полностью вытеснили из низковольтных преобразовательных устройств (менее 200 В) все остальные типы силовых полупроводниковых приборов. Прорыв, совершенный фирмой Siemens в области создания высоковольтных MOSFET с удаленным сопротивлением около 3 Ом. мм², еще больше расширит область применения приборов этого класса в областях коммутируемых напряжений 600−1000 в и мощностей до 10 кВт и позволит вытеснить из этих областей применения силовые биполярные транзисторы.

Силовые биполярные транзисторы в диапазоне до 50 А находят применение в основном в массовом и дешёвом бытовом и промышленном оборудовании.

В областях средних напряжений (500−600 В и выше) наиболее предпочтительным для применения являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistors). Появление этого прибора повлекло за собой столь радикальные изменения в силовой электронике, что можно говорить о второй революции, переживаемой этим научно-техническим направлением.

В настоящее время IGBT обеспечивают коммутацию токов до 1800 А и напряжений до 4,5 кВ. При этом времена переключения биполярных транзисторов с изолированным затвором лежат в диапазоне 200−400 нсек. Появление в последние годы IGBT с напряжением более 1,2 кВ (4,5 кВ) привело к вытеснению запираемых тиристоров (GTO) в устройствах мощностью до 1 МВт и до 3,5кВ.

Сами GTO в последние годы были модернизированы (ABB Mitsubisi) и появился новый класс приборов — тиристор, коммутируемы по затвору (GCT — Gate Thyristor или IGCT — Integrated Gate Thyristor).

Биполярные транзисторы (BPT). Из-за сложной и большой стоимости схем управления (драйверов), низкого быстродействия и стойкости к перегрузкам на сегодня они уже устарели: Однако, быстродействующие BPT пока имеют важное преимущество перед MOSFET по показателю «коммутирующая мощность/цена» для диапазона напряжений более 400 В. Поэтому биполярные силовые транзисторы останутся эффективным компонентом для дешевых массовых применений (например, ключевые источники питания — SMPS).

Тиристоры (SCR). Несмотря на такие очевидные достоинства, как низкое падение напряжения (1,2 — 1,5 В для среднего диапазона напряжений и немногим более для высоковольтного диапазона), высокая плотность тока, наивысшее значение показателя «коммутируемая мощность/площадь кремния», высокие коммутируемые напряжения (сегодня 8кВ) и токи (4 кА), простота и низкая стоимость схем управления, стойкость к перегрузкам по току, высокая надежность прижимной таблеточной конструкции — этот класс приборов силовой электроники сегодня можно отнести к устаревшим из-за одного существенного недостатка — невозможности выключения по управляющему электроду. Этот прибор все больше и больше будет вытесняться полностью управляемыми приборами: IGBT и IGCT. Так как SCR имеет все же наивысшее значения показателя «коммутируемая мощность/цена», то две области применения останутся предпочтительными для их применения:

• а) бытовые приборы, где цена является определяющим фактором;
• б) сверхмощные и сверхсильноточные применения в преобразователях с естественной коммутацией (высоковольтные линии передач постоянного тока, компенсаторы реактивной мощности, выпрямители для гальваники, металлургии и т. п.).

Улучшение характеристик и развитие SCR будет связано с объединением некоторых вспомогательных функций высоковольтном тиристоре (подобно защите от перенапряжений), созданием интегральных двух-, четырёхи шестиключевых тиристорных схем на одном кристалле.

Запираемые тиристоры (GTO, IGCT). Модернизация GTO за счет применения новых технологий, позволит в IGCT повысить быстродействие, значительно сократить статические и динамические потери. Поэтому в высоковольтных (более 3,5 кВ) областях доминирующее положение займут IGCT.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). Имея все преимущества по высоким скоростям коммутации, низки статическим и динамическим потерям, малой мощности управления, высокой стойкости к перегрузкам (прямоугольная ОБР), MOSFET являются и будут главным компонентом для низковольтных применений и использования в «интеллектуальных» силовых интегральных схемах (Smart IC). Использование и внедрение новых технологий (trench-gate, Cool) позволит еще больше расширить области MOSFET в дискретном, модульном и интегральном исполнении для диапазона мощностей в десятки киловатт.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). На сегодняшний день и в ближайшем будущем этот класс приборов силовой электроники занимает и будет занимать доминирующее положение для диапазона мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Дальнейшее развитие IGBT будит идти в следующем направлении:

• а) повышения диапазона предельных коммутируемых токов и напряжений (единицы килоампер, 5−7 кВ);
• б) повышение быстродействия;
• в) повышение стойкости к перегрузкам и аварийным режимам;
• г) снижения прямого падения напряжения;
• е) разработка новых структур с плотностями токов, приближающихся к тиристорным;
• ж) развитие «интеллектуальных» IGBT (с встроенными функциями диагностики и защит) и модулей на их основе;
• з) создание новых высоконадежных корпусов, в том числе прижимной конструкции.

Системная интеграция, т. е. объединение в одном устройстве силовых коммутационных элементов с элементами управления, диагностики и защит, является одним из путей развития силовой электроники.

Таким образом для создания современного, надежного, высоко эффективного энерго ресурсосберегаемого полупроводникового электропривода, имеется несколько типов приборов силовой электроники, каждый из которых занимает свои области наиболее целесообразного применения. Наиболее перспективными приборами силовой электроники являются MOSFET и IGBT для схем преобразователей мощностью от единиц ват до единиц мегаватт.