Мощные силовые диоды

    Полное отсутствие проволочных соединений, сварки и пайки позволило принципиально улучшить режим эксплуатации силового кристалла. Каждый отдельный IGBT и диод выполнен в своей ячейке. Параллельное включение таких элементов позволяет получить нужные конечные характеристики модуля. На рис.3, показан модуль на 900 Ампер, 5200 Вольт. Электроды затворов выполнены в виде прижимных золотых контактов, которые объединяются посредством общей печатной платы.

рис.3

Поскольку внутренние базовые элементы имеют одинаковую конструкцию для одного напряжения, то легко могут быть получены специальные конфигурации модуля в одном и том же корпусе. Границы определены только возможностями корпуса и величиной потерь, которые приведены на рис.4.

рис.4

    Полученные характеристики надежности показывают значительное превосходство перед альтернативными методами изготовления модулей, в том числе и паяных конструкций. Отсутствие проволочных соединений, пайки и сварки устранило основную причину повреждения модулей в процессе эксплуатации: неравномерное распределение тока, термоудар и механическую деформацию от перегрева. IGBT-чипы изготовленны по PT (punch through) технологии. IGBT - транзисторы, изготовленные по этой технологии, обладают высокой du /dt стойкостью, и обеспечивает надёжную работу приборов при предельных загрузках по току и напряжению. Эти транзисторы имеют положительный температурный коэффициент напряжения насыщения, что позволяет успешно использовать IGBT- модули в параллельных соединениях. Внутренняя паразитная индуктивность затвора и эмитера значительно уменьшена по сравнению с обычными выводными IGBT модулями, что делает их более выносливыми при коротких замыканиях по выходной нагрузке. Принципиальным отличием данной технологии является возможность двухстороннего охлаждения кристалла и удвоение эффективности охлаждающей системы. В дополнение, прямое охлаждение эмиттерного контакта подразумевает наличие области безопасной работы SOA в характеристике модуля. Герметичный корпус предлагает другую опцию- возможность погружения модуля во фреон или масло для более эффективного охлаждения.

    Использование в тяговом электроприводе

    Press-pack IGBT позволяют произвести модернизацию существующего оборудования на GТО тиристорах. При этом может быть сохранена прежняя конструкция, схемы контроля и система охлаждения, с заменой только силовых модулей и драйверов управления. Press- Pack IGBT подходят как для приводов постоянного, так и переменного тока, поскольку там используется схожая топология. GТО тиристоры обычно характеризуются максимальным значением контролируемого анодного тока, в то время как IGBT характеризуются номинальным значением постоянного тока коллектора при максимальной рассеиваемой мощности на заданной температуре. Однако, IGBT может контролировать двойной ток коллектора при
включении и выключении. Это означает, что для замены GТО тиристора может быть использован IGBT, у которого токовая характеристика в 2 раза меньше. Рассмотрим для примера 2-х уровневый трехфазный преобразователь с ШИМ на GТО тиристорах. В данном проекте применены 500А Press-pack IGBT (WESTCODE T0500NA25E) для замены GТО тиристоров 1000А (WESTCODE G1000LL250). Нормализованные величины потерь преобразователя показали увеличение потерь проводимости до 150%, но сокращение потерь переключения до 32% по сравнению с GТО тиристорами. При этом, определяющими являются именно потери переключения, где IGBT имеют преимущество начиная с частоты 140 Гц (рис.4.). В большинстве случаев, приводная техника работает на частотах более 150Гц, поэтому IGBT являются
закономерным выбором для построения современного преобразователя. В дополнение отметим, что система крепления осталась без изменения, поскольку модули выполнены в одном конструктивном исполнении с GТО тиристорами.

    Трамвай в Варшаве

    Начиная с сентября 2003 года, Институт Электротехники Польши применяет Press-pack IGBT в трамвае в г. Варшава. При этом, для модернизации был заменен только драйвер управления и сам модуль, остальная электроника и конструкция осталась без изменения. Сейчас снятая с производства модель 2500В, 1200А СТО тиристора (WESTCODE WG12025) была заменена на 2500В, 500А IGBT (WESTCODE T0500NA25E). Эти примеры замены стали возможны лишь потому, что изделия были в идентичных корпусах. Каждый
трамвай имеет два силовых преобразователя и лишь один был заменен на IGBT, при этом сохранилась полная функциональность всего оборудования.

   Тяговый электропривод (Польский проект)

    Немного более амбициозный проект был реализован в Польше для модернизации РКР
локомотива (см. рис.5).

рис.5

    Данный локомотив работает от контактной сети 3000 Вольт постоянного тока. Локомотив приводится в движение четырьмя двигателями, объединенными в две группы с последовательным соединением (см. рис.6). Потребляемая мощность нормализуется с помощью входного фильтра, включенного сразу после контактной сети. Напряжение контактной сети может быть увеличено до 4 кВольт с кратковременным значением 5 кВольт, поэтому были использованы последовательно соединенные IGBT на 5200 Вольт (WESTCODE T0850TA52B) с конденсатором для подавления пульсаций. Преобразователь состоит из трех идентичных модулей, каждый из которых состоит из двух последовательно соединенных IGBT и двух диодов. Модуль управляется драйвером C0030BG400 компании WESTCODE  с оптическим интерфейсом и изоляцией 10 кВольт. RC снабберные цепи использованы совместно с диодами, IGBT работает без снабберных цепей. Один модуль контролирует ток двух последовательно соединенных двигателей, третий модуль используется для защиты от превышения напряжения. Каждый из модулей собран с использованием алюминиевых радиаторов с хорошей теплопроводностью и компактными размерами (см. рис.7). Устройство собрано из двух субмодулей: один состоит из IGBT, другой- из диодов, что позволило уменьшить собственную индуктивность конструкции и унифицировать систему крепления элементов. Система охлаждения собрана в огнебезопасном GPO3 конструктиве в виде трубы, который обеспечивает прямое охлаждения элементов при отсутствии обдува критичных к воздействию поверхностей. При установке системы, два модуля, непосредственно управляющие моторами, были установлены перед трубой системы охлаждения, в то время как модуль контроля напряжения охлаждался естественной конвекцией. Ток двигателя контролировался с помощью ШИМ 400 Гц. Максимальный рабочий ток двигателя- 320А, пиковый ток- 400А. Привод управляется микропроцессором, который обеспечивает нужные функции управления, разгона и торможения двигателей.

рис.6

рис.7

    Преобразователь был протестирован вместе с системой управления и контроля лабораторией IEL в Варшаве (см. рис.7.), обеспечил заданные характеристики во всех режимах и был установлен в локомотив для дальнейшей работы.

    Заключение

    На сегодняшний день IGBT как класс приборов силовой электроники занимает, и будет занимать доминирующее положение для диапазона мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором прижимной конструкции (Press-pack IGBT) компании WESTCODE (см. табл.1), выполненные в стандартных таблеточных керамических корпусах, позволяют использовать стандартную конструкцию модуля и системы охлаждения, обеспечивают самый высокий уровень надежности в эксплуатации, предоставляя следующий уровень производительности современных IGBT модулей.

Таблица 1

Сокращения: VCES – максимальное напряжение между коллектором и эмитером, IC – максимальный DC ток коллектора при температуре 125°C,  ICM – максимальный импульсный ток коллектора, Vce(sat) –напряжение насыщения между коллектором и эмитером,  EON –энергия  включения, EOFF –энергия  выключения, VF – падение напряжение на диоде в прямом направлении, IDM –прямой ток диода, tdrr - время восстановления диода, Qdr –заряд на восстановление диода, TJM –максимальная температура выводов, Rthjs  - тепловое сопротивление между выводами и радиатором.

Силовые блоки на основе мощных диодов и тиристоров

Часть 1. Выпрямители. Ключи переменного тока

В статье представлены результаты работы проводимой в ОАО «Электровыпрямитель» в области конструирования и производства силовых сборок, выполненных по стандартным схемам преобразования электрической энергии.

При всем многообразии выпускаемых сегодня преобразователей, в них всегда присутствуют типовые силовые схемы, которые целесообразно использовать как отдельные законченные сборки, рассчитанные, в зависимости от применения, на различные рабочие напряжения и токовые нагрузки.

Построение силовых схем в виде отдельных моноблоков позволяет достичь максимально высоких технических и массогабаритных показателей, а также обеспечить существенное снижение издержек в производстве и обслуживании преобразовательного оборудования.

ОАО «Электровыпрямитель» обладает более чем 40-летним успешным опытом проектирования и производства силовых полупроводниковых приборов (СПП),охладителей и преобразовательных устройств для многих областей применения. Это дает возможность предложить заказчику разнообразные технические решения в области силовых схем — от простейших выпрямительных мостов до сложных преобразователей мощности мультимегаваттного диапазона.

Базовые силовые сборки компании состоят из мощных полупроводниковых приборов в дискретном или модульном исполнениях, теплоотводов с жидкостным и воздушным охлаждением, соединенных по стандартным схемам: B2U, B2HK, B2C, B6U, B6HK, B6C, W1C, W3C2, W3C и др. Кроме того мы поставляем законченные блоки любой конфигурации, выполняем эксклюзивные заказы на нестандартные конструкции силовых сборок, в том числе с использованием нестандартных теплоотводов.

По требованию заказчика силовые блоки могут поставляться с вентиляторами, снабберными элементами и изоляционными теплопроводящими (для СПП таблеточной конструкции) элементами, датчиками тока и температуры, драйверами управления и пр. Есть возможность поставки тиристорных и симисторных сборок с опторазвязкой силовых и управляющих схем; комплектации защитных цепей низкоиндуктивными кремниевыми резисторами и симметричными высокоэффективными ограничителями напряжения собственного изготовления.

Ряд применяемых в силовых блоках полупроводниковых приборов производства ОАО «Электровыпрямитель» включает в себя мощные диоды, тиристоры, триаки, IGBT-компоненты и другие СПП на токи в диапазоне от 10 до 6300 А, напряжение от 200 до 6500 В. Предприятие производит также большую серию охлаждающих устройств, применяемых в силовых сборках, для всех типов выпускаемых СПП.

Для приборов штыревой и таблеточной конструкций производятся воздушные и жидкостные теплоотводы с односторонним и двухсторонним способами охлаждения (всего 57 типов), с системами прижима и контроля усилий сжатия, крепежом, шинами и прочими аксессуарами. Максимальная мощность рассеивания, достигнутая на теплоотводах воздушного и жидкостного охлаждения, составляет соответственно 2,0 и 5,5 кВт.

Один из вариантов конструкции силовых блоков с применением мощных таблеточных тиристоров типа Т163-1000-42 и охладителей типа ДЖИЦ 432275.014 [1] показан на рис.1. Он представляет собой силовую сборку, состоящую их двух автономных субблоков с воздушным принудительным охлаждением.

Рис. 1. Силовой блок однофазного ключа переменного тока

В данной конструкции реализован однофазный ключ переменного тока на действующий ток 1400 А, напряжение 3500 В. Силовые блоки оснащаются R-C-цепями для обеспечения надежного включения тиристоров и защиты от перенапряжений. С помощью этих блоков легко собирается соответствующий многофазный ключ с теми же выходными параметрами, который может быть использован, например, в компенсаторах реактивной мощности. На основе этих же блоков можно собрать любую другую из перечисленных выше стандартных силовых схем, к примеру, мощный управляемый трехфазный выпрямительный мост для электропривода постоянного тока прокатного стана или для других применений.

Достаточно просто решается конструкция силового блока на основе плоских водяных охладителей разработки ОАО «Электровыпрямитель» и мощных таблеточных СПП, где все элементы схемы собраны в единый блок с общим прижимным устройством. Варьируя количество СПП и охладителей, их пространственное расположение относительно друг друга, можно реализовать практически все стандартные силовые схемы вшироком диапазоне мощностей — от высоковольтных диодных или тиристорных столбов до многофазных схем выпрямления и ключей переменного тока.

На рис. 2 представлен один из таких блоков, выполненный по схеме однофазного моста, с применением жидкостных теплоотводов ДЖИЦ 432281.011-01 [1] и тиристоров Т173-4000-10, рассчитанный на выходные токи до 3000А.

Рис. 2. Пример применения плоских жидкостных охладителей ДЖИЦ 432281.011-01 с тиристорами Т173-4000 при реализации силового блока по схеме однофазного выпрямительного моста

При необходимости приборы могут быть электрически изолированы от охлаждающих устройств с помощью выпускаемых предприятием изоляционных теплопроводящих элементов.

Весьма перспективными силовыми блоками в диапазоне преобразуемых мощностей от 5 до 400 кВт являются диодно-тиристорные сборки на основе беспотенциальных модулей [1]. ОАО «Электровыпрямитель» выпускает сегодня большую серию силовых энерготермоциклостойких диодно-тиристорных модулей прижимной конструкции с шириной медного основания 20, 34, 50, 60 и 70 мм; специально для этой серии были разработаны высокоэффективные охлаждающие устройства, в том числе предусматривающие групповое размещение модулей. Конструкция таких охлаждающих устройств зависит от электрической схемы и мощности силового блока, типа и количества применяемых модулей.

На рис. 3 показан силовой блок трехфазного регулируемого выпрямителя на ток 246 А, напряжение 0,4 кВ, с применением трех двухключевых тиристорных модулей типа М2Т-160 и нового охладителя типа 055, который по эффективности теплосъема и габаритно-присоединительным размерам полностью соответствует аналогичным теплоотводам, выпускаемых фирмами Fischer, Semikron, Eupec.

Рис. 3. Силовой блок трехфазного выпрямительного моста

Оптимальная длина охладителя для каждого конкретного случая рассчитывается с использованием трехмерного моделирования распределения тепла в силовом блоке (рис. 4) при заданных заказчиком режиме токовой нагрузки и условиях охлаждения модулей. На каждом блоке устанавливаются термореле и снабберные цепи.

Рис. 4. Пример пространственного распределения температуры в силовом блоке трехфазного выпрямительного моста при мощности потерь в модуле 200 Вт и естественном охлаждении

Блоки такой конструкции предназначены для устройств плавного пуска и управления скоростью вращения электродвигателей постоянного тока, регуляторов температуры и освещенности, электросварки, индукционного нагрева, гальваники, источников бесперебойного питания. Особенности конструкции блоков: компактные, легкие, беспотенциальный охладитель, высокая плотность мощности на единицу объема, высокая надежность при работе в тяжелых режимах циклических нагрузок.

Рис. 5. Силовой блок реверсивного трехфазного тиристорного моста

Если общая токовая нагрузка превышает допустимый отвод тепла от элементов схемы, то на одном охладителе монтируется плечо схемы, а все силовое устройство компактно размещается на общей несущей плите. Этот случай представлен на рис.5, где изображен силовой блок реверсивного трехфазного тиристорного моста для мощного тягового электропривода постоянного тока. Здесь используются 12 тиристорных модулей типа М1Т-630-12 и моноплиты, аналогичные охладителю 055. Основные технические характеристики и параметры силового блока реверсивного моста представлены в таблице.

Таблица

На предприятии проводится разработка эффективных воздушных охладителей в виде моноплит шириной 260 мм и более для сложных и мощных преобразовательных устройств, силовые блоки которых также включают в себя (помимо схемы выпрямления) IGBT-инверторы.

Датчики тока и напряжения фирмы LEM (Швейцария).

Предлагаем вашему вниманию продукцию Швейцарского производителя датчиков тока и напряжения.

Швейцарская фирма LEM выпускает более 1000 типов датчиков тока и напряжения специального исполнения для применения в любых условиях индустриального производства, а также широкий выбор измерительной аппаратуры, приборов и приспособлений, основанных на использовании эффекта Холла в электрических цепях.

Все новейшие разработки фирмы LEM незамедлительно предлагаются на отечественном рынке силовой электроники. В настоящее время — это серия уникальных датчиков LTS с однополярным питанием +5В с номинальными токами 2-25 А, предназначенных для электронного преобразования постоянного, переменного, импульсного токов с гальванической развязкой между первичной и вторичной цепями. Миниатюрные датчики этой серии (9,3х22,2х24мм) обеспечивают точность преобразования 0,7% и полную линейность выходной характеристики в диапазоне частот от 0 до 200 кГц. В ближайшее время появятся датчики серии LTS на токи 6, 15 и 50 А.. Среди потребителей этой продукции — производители частотно-регулируемых приводов, источников бесперебойного питания, скоростных локомотивов, комфортабельных железнодорожных вагонов и трамваев. Начинают использовать эту продукцию и в автомобильной промышленности.

Датчики тока и напряжения позволяют решить все проблемы в области силовой электроники, связанные с созданием систем обратной связи в электрооборудовании, а также при измерении и контроле постоянного, переменного, импульсного напряжения и тока в широких пределах с высокой точностью. Датчики обеспечивают точную изолированную ОС в системах управления приводами постоянного и переменного тока, в преобразовательной технике.

Промышленные (стандартные) датчики тока перекрывают диапазон измерений от 0 до 10000 А и могут применяться в робототехнике, системах электроснабжения, промышленных приводах, сварочных машинах, электропечах, лазерной и медицинской технике, электро и радиосвязи и т.д.

Специальные датчики для транспортных средств (индекс /SP) применяются в системах контроля и управления приводами электропоездов, ж.д. локомотивов, вагонов метро, трамваев, троллейбусов, в силовых агрегатах ветроэнергетических установок, миниГЭС и т.д. Датчики приспособлены к жестким условиям эксплуатации по температурному и механическому воздействию.

Множество моделей датчиков для преобразования тока или напряжения разделены на 5 больших групп:

Страницы: 1, 2, 3, 4