Силовые полупроводниковые элементы регулируемого электропривода

Выбор базового ключевого элемента играет решающую роль в конструировании преобразователя любого типа. Преобразование электроэнергии постоянно нуждается в идеальном ключе. Такой ключ должен иметь следующие основные характеристики:

· большой ток;

· высокое напряжение;

· малые потери (статические и динамические);

· высокую частоту (быстрое переключение);

· высокую надежность;

· компактную конструкцию (низкие потери).

Эти идеалы в разработке приборов реализуются двумя путями: через структуру транзистора и через структуру тиристора, при этом основным достоинством тиристора являются низкие статические потери, а транзистора – его хорошая способность к выключению.

В настоящее время основными приборами мощной силовой электроники являются:

· традиционные тиристоры SCR;

· запираемые тиристоры GTO;

· биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT;

· коммутируемые по электроду управления тиристоры IGCT.

На сегодня основные статические параметры GTO сравнимы с таковыми для обыкновенных тиристоров. Главный недостаток GTO – значительные токи управления, приводящие к необходимости создания громоздких и мощных блоков управления и систем передачи энергии на управляющий электрод тиристоров.

IGBT уступают GTO по статическим параметрам, но принципиально превосходят их по динамике (прежде всего, по времени включения и запирания). Кроме того, IGBT, имеющий в составе своего электрода управления полевой транзистор, не требует больших токов для запуска процессов включения и запирания, тем самым облегчая систему управления. В настоящее время транзисторы IGBT выпускаются, как правило, в виде модулей с односторонним прижимом и охлаждением, и только компания «Toshiba Semiconductur Group» сообщает о создании IGBT в таблеточном корпусе что позволяет осуществить таблеточном корпусе что позволяет осуществить двухстороннее охлаждение прибора.

В IGCT комплексно реализованы требования к силовому ключевому элементу. Он одновременно сочетает в себе симметричную таблеточную конструкцию с двухсторонним теплоотводом, имеет минимальное падение напряжения во включенном состоянии, не требует высокоэнергоемких цепей питания блоков управления, обладает достаточной помехоустойчивостью при невысоких динамических потерях и, в силу особенностей требуемого управляющего импульса (крутизна тока запирания до 3000 А/мкс) отличаются идентичностью динамических характеристик. В результате почти на порядок уменьшается (по сравнению с GTО) время коммутации, снижаются коммутационные потери. IGCT работают без снабберной емкости. Кроме того, в IGCT имеется интегрированный на одном кристалле обратный быстро восстанавливающийся диод.

Параметры и сравнительные потребительские характеристики мощных полупроводниковых силовых приборов различных типов приведены в таблицах.

2.8. Преобразователи на управляемых электронных приборах

Многообразию существующих преобразователей свойственно использование в качестве силовой схемы одной и той же классической структуры: трехфазный мостовой неуправляемый выпрямитель В, LC – фильтр звена постоянного тока, трехфазный мостовой автономный инвертор напряжения АИН с широтно-импульсной модуляцией ШИМ.

Неуправляемый режим работы выпрямителя и свойства силовых управляемых ключей инвертора снимают вопросы ограничения di/dt и du/dt в цепях вентилей, применения громоздких снабберов для защиты от перенапряжений и т.п.

Разнообразие силовых схем сводится лишь к различию типов и способов включения коммутационных и защитных аппаратов (электромагнитные пускатели, автоматические выключатели, предохранители, токоограничивающие реакторы), датчиков тока и напряжения, устройств торможения (сетевой инвертор для рекуперации, ключ электродинамического торможения). Акцент разработки силовой части преобразователей сместился из области схемотехники (существенной для тиристорных устройств) в область оптимизации конструкторско-компоновочных решений и теплофизических расчётов, повышения устойчивости к аварийным режимам.

Основное влияние на потребительские свойства преобразователей и электроприводов оказывает их информационный канал – используемые алгоритмы управления и регулирования и реализующие их микроконтроллерные системы МСУ. Именно последние определяют регулировочные свойства, динамические характеристики электропривода, его функциональность.

Автономный инвертор питается от постоянного напряжения с выхода неуправляемого диодного выпрямителя, либо от автономного источника постоянного напряжения. Емкость С сглаживает пульсации с выхода выпрямителя. Ключ состоит из биполярного ключа VТ с полевым управлением (IGBT-ключ) и диода VD, включенного противоположно питающему напряжению. Диод VD предназначен для возврата энергии в сеть в случае, когда ток через ключ имеет направление, противоположное направлению напряжения на нем. Подобная ситуация наблюдается при реактивно-активной нагрузке. Схема соединения диодов VD1-VD6 представляет собой трехфазный мостовой шестиполупериодный диодный выпрямитель, позволяющий осуществить возврат энергии от двигателя в сеть.

Для реализации режима рекуперации вместо неуправляемого выпрямителя используют управляемый реверсивный преобразователь на тиристорах. Режим электродинамического торможения осуществляется подключением внешнего реостата через дополнительный ключ IGBT параллельно автономному инвертору.

В типовой схеме автономного инвертора напряжения содержится 6 ключей. Транзисторные ключи, переключаясь в определенной последовательности, формируют на выходе инвертора периодический трехфазный сигнал. В таком инверторе фазы двигателя могут быть подключены к потенциалам постоянного напряжения 2³=8 различными способами. Результирующий вектор напряжения на выходе АИН имеет, соответственно, 8 положений, из которых 2 положения являются вырожденными, т.к. они приводят к нулевому значению результирующего вектора.

Регулирование частоты трехфазного напряжения на выходе АИН осуществляется путем изменения частоты переключений транзисторных ключей. Изменение амплитуды трехфазного напряжения производится с помощью широтно-импульсного регулирования.

В современных IGBT время переключения составляет менее одной микросекунды. Столь высокая скорость переключения позволяет в полной мере использовать достоинства метода широтно-импульсной модуляции: осуществлять коммутацию на частоте свыше 16 кГц, что решает проблему акустических шумов, уменьшает массу и габариты реактивных элементов – фильтров высших гармоник. Наконец при большой кратности частоты коммутации и низкой частоте выходного напряжения значительно повышается быстродействие системы регулирования, что позволяет улучшить динамические характеристики систем.

В то же время при повышении частоты коммутации значительно возрастает доля коммутационных потерь, из-за чего приходится снижать допустимые токи и напряжения при частотах 5 кГц и выше. Увеличение коммутационных потерь уменьшает перегрузочную способность транзисторов.

Быстрое переключение транзисторов из-за эффекта di/dt на паразитных индуктивностях в контуре коммутации приводит к появлению значительных перенапряжений на элементах схемы.

При быстрых переключениях транзисторов на выходе преобразователя скорость изменения напряжения может достигать значений 5000В/мкс. При длине соединительных кабелей более 10м и напряжения могут достигать двухкратных поотношению к номинальным значениям. В результате повреждается изоляция двигателя.

На рисунке представлена схема двухключевого «интеллектуального» силового IGBT-модуля с полными функциями защит от перегрузки по току, короткого замыкания, перенапряжений и перегрева силовых элементов.

В электроприводе постоянного тока основные способы управления осуществляются посредством изменения напряжения якоря и потока возбуждения. В общем случае требуется обеспечить управление двигателем постоянного тока во всех режимах работы, в том числе в реверсивном режиме с рекуперацией энергии в первичный источник питания. Наиболее эффективно все эти режимы реализуются в схеме, обеспечивающей работу в четырех квадрантах на стороне постоянного тока, выполненной на полностью управляемых ключах и регулируемой по способу широтно-импульсной модуляции.