11.2.6. РАЗВИТИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

11.2.6. РАЗВИТИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

В последние годы усилия специалистов, занятых в силовом полупроводниковом приборостроении, были сосредоточены на исследовании и разработке новых типов СПП, технологических методов и процессов, оснастки, оборудования и материалов, необходимых для их реализации, а также на разработке физико-математических моделей СПП и наборов прикладных программ для проектирования различных модификаций приборов с учетом прогнозирования их параметров и характеристик, включая возможные изменения при воздействии внешних факторов.

Указанные направления работ позволили повысить параметры СПП, достигнув для быстро восстанавливающихся диодов токов до 2000 А и напряжений 4000 В, для тиристоров — 2500 А при 4400 В и 3500 А при 1000 В, для быстродействующих тиристоров — 2000 А при 2400 В и времени выключения 25–63 мкс и 3000 А при 800 В и времени выключения 8–25 мкс.

В последние годы специалисты силового полупроводникового приборостроения работают над созданием следующих СПП:

быстродействующих тиристоров с повторяющимся напряжением 2500 В на токи 100–1600 А и временем выключения до 16 мкс;

тиристоров на токи 160–200 А, напряжения 500–700 В с временем выключения 1–2 мкс;

быстродействующих тиристоров с повторяющимся напряжением 1400 В, работающих при повышенной рабочей температуре до 140–150 °С. Такие тиристоры позволят перевооружить электрифицированный транспорт, решить многие задачи топливно-энергетических отраслей;

запираемых тиристоров на импульсный ток до 1250 А, напряжение до 6000 В и запираемых тиристоров с полевым управлением на ток до 250 А, напряжение до 1200 В;

нового поколения полупроводниковых модулей на базе IGBT-структур (биполярные транзисторы с изолированным затвором) на токи до 1600 А, напряжение 1200 В;

полупроводниковых ключевых приборов с полевым управлением на основе СИ-транзисторов (транзисторов со статической индукцией) и МОП-транзисторов (полевых транзисторов) с комплексом параметров, не уступающих IGBT.

В схемотехнике силовых полупроводниковых схем сложились типовые узлы, которые служат «строительным материалом» для создания практически любых силовых электронных устройств. Эти типовые узлы выпускаются в виде силовых интегральных модулей, использование которых облегчает задачу инженеров-разработчиков, упрощает монтаж и повышает надежность преобразователей. Получили распространение диодно-диодные модули с последовательным соединением (полумостовые схемы); диодно-тиристорные модули и тиристорно-тиристорные модули (полумостовые управляемые и полууправляемые схемы); диодные и тиристорные группы из трех вентилей с общим анодом (катодом); однофазные и трехфазные мостовые структуры. Силовые модули имеют различное конструктивное решение. Существуют потенциальные и беспотенциальные исполнения; в первых активные элементы соединены с металлическим основанием, во вторых они электрически изолированы керамическими прокладками.

Следующим важным новшеством, упрощающим разработку преобразовательных устройств, стала унификация средств сопряжения силовых полупроводниковых вентилей (силовых ключей) с цепями управления. Таким средством сопряжения информационных маломощных устройств с уровнями сигналов в единицы вольт и единицы миллиампер с управляющими цепями силовых модулей служит драйвер, который не только выполняет функции усиления мощности управляющего сигнала, но и обеспечивает потенциальную развязку с помощью оптронов или разделительных трансформаторов, питание формирователей управляющих сигналов от изолированных источников, выполнение некоторых вспомогательных функций, например, формирование комплементарных (взаимно инверсных) сигналов управления, введение задержек между сигналами управления.

Система интегральных модулей: микроконтроллеры — драйверы — силовые интегральные модули — образует замкнутую технологическую цепь управляемого преобразования электрической энергии.

Следующим шагом в развитии элементной базы силовой электроники стали так называемые интеллектуальные (разумные) силовые модули.

Интеллектуальный силовой модуль представляет собой сложную интегральную силовую схему (размер корпуса соизмерим с размером калькулятора). Модуль содержит управляемую силовую схему, например трехфазный мост, систему драйверов силовых ключей, внутренние схемы защиты от перегрузок по току и от перегрева, узлы потенциальных развязок между управляющими цепями, силовыми цепями и элементами конструкции модуля.

Интеллектуальные модули комплектуются в силовой части биполярными транзисторами, оптотиристорами, транзисторами с полевым управлением, быстродействующими триристорами и т.д.

Современная силовая электроника развивается в направлениях, которые отражают общие тенденции высокотехнологичного производства. Преобразователь электрической энергии представляет собой одно из звеньев в системе управляемого преобразования энергии и информации. Он ориентирован на удовлетворение запросов пользователя и обычно должен отвечать следующим требованиям:

простое подключение к источнику питания, которым обычно служит одно- или трехфазная сеть напряжением 220–380 В, частотой 50 или 60 Гц;

микропроцессорное управление (автоматизация основных операций, наглядная индикация, защита от некорректных действий и пр.);

продуманная конструкция и дизайн, отсутствие опасных, отвлекающих или раздражающих факторов, простота обслуживания, ремонта, контроля и диагностики.

Применение интеллектуальных силовых модулей позволяет осуществить защиту наиболее дорогостоящих узлов внутренними средствами модуля, минуя внешнюю обработку информации в контуре обратной связи.

Практически все преобразовательные устройства в настоящее время представляют собой замкнутые системы с обратной связью по одному или нескольким существенным параметрам. Таким образом, в этих устройствах должны быть интегрированы узлы силовых и информационных систем. Силовые модули с драйверами, микроконтроллеры с датчиками контролируемых параметров и внешние управляющие устройства образуют тот набор функциональных узлов, на основе которого разработчик может создавать управляемые преобразовательные устройства самого различного назначения. В последние годы активно разрабатываются узлы силовой электроники для источников бесперебойного электропитания; локальных систем регулируемого электропривода (например, частотно-регулируемый асинхронный привод насосов, вентиляторов); корректоров коэффициента мощности для компенсации влияния реактивных и нелинейных нагрузок; преобразователей для источников возобновляемой энергии (солнце, ветер и пр.), а также для утилизации вторичных энергоресурсов; преобразователей для нового вида приводов Switched Reluctance Drive — вентильно-индукторного привода (SRD — ВИП). Этот перечень можно продолжать, однако в наши дни очевидно, что интегрированные силовые и интеллектуальные устройства характеризуются быстрыми темпами развития, расширением сферы применения.

Ведущими зарубежными фирмами в области силовой электроники, в частности силовых модулей последних поколений, являются «Motorola» (США), «Siemens» (Германия), «Mitsubishi» (Япония), «Semikron» (Германия), IR («International Rectifier», США).

Рынок средств силовой электроники в настоящее время оказался одним из наиболее динамичных в электротехнике и наиболее интегрированных с рынком микроэлектроники.