СИЛОВАЯ (ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ) ЭЛЕКТРОНИКА

11.2.1. ПЕРВЫЕ РТУТНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Силовая электроника была и остается наиболее энергоемким направлением развития промышленной электроники. Функции этого направления – регулируемое преобразование электрической энергии. Важнейшие виды преобразования энергии: выпрямление переменного тока, регулирование выпрямленного напряжения (тока), инвертирование постоянного тока, преобразование частоты, преобразование числа фаз. Основные задачи, которые решала и решает силовая электроника, – создание элементной и аппаратной базы; развитие схемотехники; создание теории вентильных цепей, методов анализа и проектирования преобразователей электроэнергии; развитие методов и технических средств управления преобразователями электроэнергии. Решение этих задач и составляет основные этапы развития и становления современной силовой электроники – важнейшей составной части промышленной электроники.

Эффект выпрямления переменного тока с использованием электрической дуги впервые был обнаружен и исследован В.Ф. Миткевичем в начале XX в. Им же были разработаны получившие широкое распространение двухполупериодная и трехфазная нулевая схемы выпрямления (1901 г.). Особенности работы схем при различных нагрузках исследовались А.Л. Гершуном (1901 г.), а одно‑ и двухполупериодное выпрямление с применением электронных вентилей – кенотронов – Н.Д. Папалекси (1911 г.) [11.1, 11.2].

Мощные выпрямители впервые были созданы на основе дугового разряда в парах ртути с холодным катодом. Патент на первый прибор был выдан в США Купер‑Хюиту в 1901 г. Затем в течение 20 лет произошел скачок в преобразовании тока в промышленных масштабах. Во многих странах, в том числе и в СССР, быстро развивалась теория газового разряда, создавались конструкции мощных ртутных вентилей, разрабатывались специальные виды трансформаторов, защитной и коммутационной аппаратуры. Нашими учеными и инженерами в короткий срок были созданы мощные преобразовательные агрегаты, не уступавшие зарубежным. Без этих агрегатов было невозможно промышленное производство стратегических материалов (алюминия, цинка, титана), не могли работать прокатные станы, не могла осуществляться электрификация городского и магистрального транспорта. Большие государственные вложения в развитие силовой электроники затрагивали сферы науки, производства и образования.

Исследования процессов в дуговом разряде, определение свойств материалов, способных работать в условиях высокого вакуума и в газоразрядной плазме, разработка конструкции силовых вентилей – таковы важнейшие вопросы, которые решались в лабораториях заводов «Электросила», «Светлана» и в электровакуумных лабораториях ВЭИ.

Преобразование тока с применением газоразрядных (ионных) приборов оказалось наукоемкой областью электротехники. Создание мощных приборов, способных работать в широком диапазоне токов, при различных температурах окружающей среды стало возможным лишь на основе глубоких представлений о физических процессах. Среди советских ученых, чей вклад в исследования физики газового разряда особенно заметен, назовем В.А. Фабриканта, исследовавшего оптические свойства разряда [11.6], В.Л. Грановского, изучавшего процессы деионизации разрядного промежутка в ионных приборах, Б.Н. Клярфельда, занимавшегося свойства‑

ми положительного столба разряда в приборах с накаленным и ртутным катодами. Их работы, впервые опубликованные в 1940 г., получили широкое признание во всем мире [11.5–11.8]. Автор ряда крупных работ в области ионных приборов и силовой схемотехники И.Л. Каганов обеспечил выпуск специалистов в области газового разряда, электротехники и импульсной техники [11.15].

Проектированием преобразовательных подстанций занимался проектный институт «Тяжпромэлектропроект». Важную роль сыграли работы Г. А. Ривкина – сотрудника этого института.

История развития преобразовательной техники в нашей стране начинается с создания первых стеклянных ртутных вентилей с ртутным катодом в Нижегородской лаборатории В.П. Вологдина в 1921 г. Стеклянные вентили выпускались для выпрямления напряжения промышленной сети; специальные конструкции высоковольтных вентилей использовались для питания радиопередающих устройств. Ртутные вентили зарекомендовали себя сравнительно надежными и долговечными. Конструкция ртутного вентиля подразумевала использование схем с общей нулевой точкой. Соединение трансформаторов в трехфазных схемах выполнялось по схеме звезда – звезда или звезда – зигзаг при бо льших мощностях [11.11].

Каскадные схемы выпрямительных агрегатов с последовательным включением отдельных изолированных выпрямителей, предложенные в 1921 г. В.П. Вологдиным, позволили разработать выпрямители высокого напряжения. На основе каскадных схем в 1926–1927 гг. был выполнен ртутно‑выпрямительный агрегат мощностью 120 кВт и напряжением 12 кВ для питания радиостанций.

Ограниченные токи и напряжения стеклянного ртутного вентиля заставили искать пути увеличения единичной мощности вентиля. Важным этапом на этом пути стало создание в 1926 г. на ленинградском заводе «Электросила» металлического многоанодного ртутного вентиля РВ‑5 на напряжение 600 В и ток 500 А (рис. 11.1). Это был разборный агрегат с непрерывно действующей двухступенчатой вакуумной откачной системой и с водяным охлаждением. Выпрямитель был оснащен электромагнитным устройством поджига дуги. На основе РВ‑5 была создана серия агрегатов, которая позволила довести выпрямленный ток до 1,6–1,8 кА при напряжении 825 В. Это позволило отказаться от электромашинных преобразователей для питания тяговых сетей уже на первых линиях метрополитена в Москве. Дальнейшее повышение вентильной прочности дало возможность перевести на ртутно‑выпрямительные агрегаты питание пригородных электропоездов напряжением 3,3 кВ [11.14–11.16].

^{Рис. 11.1. Ртутно‑выпрямительиый шестианодный агрегат с водяным охлаждением на ток 500 А и напряжение 600 В (1926 г.)}

В 1923 г. А.Н. Ларионовым была предложена трехфазная мостовая выпрямительная схема, которая стала самой популярной в эпоху полупроводниковых силовых преобразователей [11.24]. С ростом мощности агрегатов стали актуальными вопросы влияния преобразователей на питающую сеть. В дополнение к известному показателю энергетической эффективности – углу сдвига добавились такие, как коэффициент искажений формы потребляемого тока и фазовая асимметрия. Работа управляемого выпрямителя сопровождается ухудшением косинуса угла сдвига и коэффициента искажений. Влияние этих факторов могло быть улучшено лишь на основе анализа энергообмена между питающей сетью, нагрузкой и всеми реактивными элементами, входящими в преобразовательную систему. Вопросы такого энергообмена в нашей стране были изучены О.А. Маевским, Ф.И. Бутаевым, Е.Л. Эттингером. Были предложены схемы, в которых с целью повышения коэффициента мощности сочетались фазовые методы регулирования напряжения (изменением угла регулирования) с методами переключения питающего напряжения, применения нулевых вентилей и использованием так называемого несимметричного управления.

Дальнейшее развитие преобразовательной техники показало перспективность и актуальность этих исследований. В послевоенные годы доля преобразовательной нагрузки в энергетическом балансе и ее влияние на работу энергосистемы возросли. Более жесткие требования национальных стандартов на качество энергии стало возможно выполнять лишь на основе схем с принудительной коммутацией и на основе схем с двухоперационными силовыми ключами. Помимо преобразователей, ведомых сетью, возросла роль автономных преобразователей. Среди них следует выделить две группы: автономные преобразователи для индукционного нагрева и трехфазные автономные инверторы для электропривода.

Инверторы с повышенной частотой (сотни – тысячи герц) использовались в качестве источников питания для мощных (сотни киловатт) установок индукционного нагрева либо в качестве промежуточного звена для преобразователей постоянного напряжения. Они выполнялись по схемам с параллельной, последовательной или комбинированной конденсаторной коммутацией. Принципиальной особенностью этих инверторов является необходимый для преобразователей на однооперационных вентилях опережающий характер тока. Первым подобную схему предложил в 1938 г. немецкий ученый В. Остендорф (W. Ostendorf), в последующие годы автономные инверторы на повышенные частоты в нашей стране исследовались И.Л. Кагановым, А.Е. Слухоцким, А.С. Васильевым.

Инверторы для электропривода интенсивно разрабатывались в 50‑е годы. В эти годы в электроприводе стали очевидны как достоинства асинхронных двигателей, так и их принципиальное ограничение – необходимость изменения частоты питающей сети для регулирования скорости. В связи с этим большие надежды возлагались на трехфазные автономные инверторы с регулируемыми частотой и напряжением. Для асинхронного привода с глубоким регулированием характерно требование хорошего гармонического состава выходного напряжения. Принципы формирования трехфазного синусоидального напряжения методами широтно‑импульсной модуляции потребовали разработки новых классов преобразователей, основанных на принудительной коммутации однооперационных вентилей.

11.2.2. УПРАВЛЯЕМЫЕ РТУТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Важным качественным усовершенствованием ртутного выпрямителя стало появление управляющей сетки. Первоначальная (диодная) функция ртутных вентилей с повышением рабочих напряжений потребовала введения экранов, защищающих анод от интенсивной бомбардировки потоками ионов.

Развитие конструкции экрана и независимое управление его потенциалом позволило изменять момент возникновения дугового разряда на анод. Ртутный вентиль становится прибором с управляемым моментом отпирания. Первые публикации об исследованиях ртутных вентилей с сеточным управлением относятся к 1933–1935 гг. (М.М. Четверикова, Н.Н. Петухов, М.А. Асташев) [11.9, 11.10]. Они привлекли внимание к возможности регулирования напряжения и защиты агрегата в аварийных режимах. В 1935 г. появились первые работы по исследованию инверторного режима ионного преобразователя частоты (так стали называть управляемый преобразователь электрической энергии на основе дугового разряда в управляемом вентиле). Эти исследования связаны с именем И.Л. Каганова.

Расположение шести анодов по окружности вакуумного бака обусловило большие размеры, технологическую сложность обработки крышки на карусельных станках. Изоляция деталей осуществляется фарфоровыми кольцами с прокладками из вакуумной резины. Это дает дополнительные сложности при изготовлении, транспортировке, сборке выпрямителя с вакуумной двухступенчатой системой откачки. Сборка выпрямителей требует высокой степени чистоты, а следовательно, больших объемов помещения, оснащенного подъемным оборудованием. Наконец, помещение должно отвечать жестким требованиям по температуре, удалению ртути и ее паров. Все это повышало стоимость транспортировки, сборки, эксплуатации и ремонта ртутно‑выпрямительного оборудования. Поэтому в дальнейшем процесс совершенствования ртутно‑выпрямительных агрегатов шел по пути создания:

одноанодных вентилей, которые комплектовались в агрегаты по шесть штук для построения трехфазных систем «звезда – две обратные звезды с уравнительным реактором»;

неразборных безнасосных агрегатов, в которых вакуум создавался в процессе изготовления и поддерживался в течение всего времени эксплуатации благодаря тщательной предварительной

обработке деталей (обезгаживания) и проверке вакуумной плотности всех сварных соединений.

Разработанные комплекты одноанодных вентилей РМНВ200х6 и РМНВ500х6 (ртутный, металлический, насосный, с водяным охлаждением на токи соответственно 1200 и 3000 А) составили основу выпрямителей для электрической тяги и электрометаллургии в послевоенные годы (рис. 11.2).

На базе неразборных отпаянных (безнасосных) агрегатов с управляемыми выпрямителями оказалось возможным создание мощных реверсивных электроприводов постоянного тока. Преобразователь существенно упрощается, у него отсутствует вакуумная система; делаются успешные шаги к переходу от водяного охлаждения к воздушному. Таким образом, он становится конструктивно и функционально завершенным узлом регулируемой преобразовательной системы. На внешнем рынке лидирующее положение занимали фирмы «Westinghouse» (США), «Allis‑Chalmers», ASEA и «Brown‑Bowery», (Швейцария). Последние две ныне объединились в одну из крупных европейских фирм ABB.

Наряду с ртутными вентилями, в которых имеется постоянно горящая дуга возбуждения, получили развитие игнитроны – ртутные вентили, в которых катодное пятно возбуждается каждый период. Зажигание дуги производится путем пропускания импульса тока через опущенный в ртуть катода карборундовый полупроводниковый стержень – игнайтер (поджигатель) (рис. 11.3). Возникающий при этом высокий градиент потенциала в точке контакта поджигателя с ртутью инициирует возникновение дугового разряда при положительном аноде. Отсутствие постоянно горящей дуги возбуждения повышает вентильную прочность благодаря отсутствию плазмы в неработающем вентиле, дает возможность регулирования тока изменением угла запаздывания поджигающего импульса по отношению к моменту естественного отпирания.

Наиболее успешное применение игнитрона нашли в промышленных сварочных агрегатах для точечной и шовной сварки. Кроме того, предпринимались попытки решить с помощью игнитронов проблему тяговых выпрямителей электрифицированных железных дорог (токи 100–200 А на один анод, напряжение до 3 кВ, 1938–1942 гг.). Разработка преобразователей на основе игнитронов в нашей стране связана с именем Б.М. Шляпошникова. В 40‑е годы игнитроны успешно использовались в установках для индукционного нагрева [11.22, 11.23].

^{Рис. 11.2. Одноанодный ртутный вентиль с водяным охлаждением (1946 г.)}

^{Рис. 11.3. Игнитроны для однофазных сварочных машин (а) и игнитронный поджигатель (б)}

Помимо уже упомянутых ионных приборов с дуговым разрядом – ртутных выпрямителей появилось обширное семейство маломощных ионных приборов, получивших широкое распространение в преобразовательной технике и автоматике.

Основной целью применения ионных приборов в преобразователях малой и средней мощности было создание управляемых выпрямителей с более высокими технико‑экономическими показателями, чем у вакуумных кенотронных преобразователей и двигатель‑генераторных агрегатов. Основной возможностью повышения КПД в выпрямителях сравнительно низкого напряжения (на десятки – сотни вольт) является уменьшение прямого падения напряжения, что оказалось возможным благодаря компенсации объемного заряда электронов, эмитируемых накаленным катодом, зарядом положительных ионов, генерируемых в столбе разряда. Простейшие приборы этого класса – выпрямительные газотроны на напряжения в сотни вольт разрабатывались на заводе «Светлана» с 1929 г. (рис. 11.4). Совершенствование конструкции позволило к 1932 г. освоить выпуск газотронов для нужд радиопромышленности (питания мощных усилителей и радиопередатчиков) с предельными параметрами в несколько киловольт и токами до десятков ампер. Разряд существовал в парах ртути при относительно низком давлении, которое способствовало повышению вентильной прочности.

^{Рис. 11.4. Газотрон}

С 1932–1933 гг. завод «Светлана» начал серийный выпуск выпрямительных газотронов с наполнением аргоном и неоном при сравнительно высоком давлении (несколько миллиметров ртутного столба). Высокое давление газа позволило получить разряд при сравнительно низком падении напряжения (12–15 В). Приборы получили название «тунгар»: тунгстем (вольфрам)‑аргон – такими были материалы одного из родоначальников этого класса приборов. На другом полюсе шкалы напряжений находятся разработанные «Светланой» многосекционные газотроны на 100–200 кВ и ток 1–2 А.

Несмотря на высокие энергетические показатели, газотроны были ненадежны и капризны в эксплуатации, где требовалось неукоснительное выполнение последовательности операций пуска: вначале включается цепь накала катода, через несколько минут эмиссия катода достигает значения, превышающего ток нагрузки, только после этого можно включать питание анодных цепей. Нарушение этого правила либо случайный обрыв цепи накала приводили к быстрому уменьшению тока эмиссии, возрастанию прямого падения напряжения и разрушению катода ионной бомбардировкой. Тем не менее в течение 40–50‑х годов эти приборы занимали важную нишу массовых выпрямителей малой и средней мощности.

Большая потребность в управляемом газоразрядном приборе привела к созданию и быстрому росту промышленного выпуска других газоразрядных приборов – тиратронов, у которых в пространстве между анодом и катодом размещается управляющая сетка.

^{Рис. 11.5. Водородный импульсный тиратрон}

^{а – общий вид; б – разрез; 1 – генератор водорода; 2 – анод; 3 – сетка; 4, 5 – электрические экраны; б – катод; 7 – тепловой экран}

Разработчиков аппаратуры сразу привлекла возможность выполнения различных средств управления и регулирования на основе тиратронов. В 50‑х годах большие усилия были приложены к созданию ионных преобразователей частоты на основе тиратронов. По существу, большинство схемотехнических решений в области преобразователей родилось в эти годы. Вследствие того что время восстановления запирающих свойств сетки составляет сотни микросекунд, особое внимание было уделено автономным инверторам тока с рабочей частотой до сотен герц. Однако создание промышленных образцов преобразователей оказалось в те годы невозможным в силу несовершенства силовых приборов и устройств управления.

Потребности в мощных ключевых приборах с высоким быстродействием для нужд радиолокационной техники привели к разработке перспективного класса ионных приборов – импульсных водородных тиратронов (рис. 11.5). Малое время деионизации (доли микросекунды) позволило получить микросекундные импульсы тока в десятки и сотни ампер при напряжении несколько киловольт. Эти приборы разрабатывались на Московском электроламповом заводе (ныне объединение «МЭЛЗ»), в их создании важную роль сыграли работы Т.А. Ворончева.

Газоразрядные приборы заняли свою нишу не только в силовой электронике, но и в информационной технике. Ионные приборы на основе тлеющего разряда в инертных газах и парах ртути получили широкое распространение. Они до настоящего времени используются как средства индикации напряжения (сигнальные лампы), средства отображения цифровой информации. В послевоенные годы они широко использовались в качестве газоразрядных стабилизаторов напряжения – стабилитронов. Важным этапом в промышленной электронике стало появление трехэлектродных газоразрядных приборов с холодным катодом. Долговечные приборы с малыми габаритами и малым потреблением мощности в цепи управления, они стали важным средством автоматизации как управляемый логический элемент с памятью. На база этих приборов выполнялись бесконтактные реле, реле времени, пересчетные схемы и другие подобные узлы (рис. 11.6).

^{Рис. 11.6. Счетчик импульсов на тиратронах с холодным катодом (1960 г.)}

Массовым изделием стал разрядник – миниатюрный газоразрядный прибор, защищавший оборудование средств связи от перенапряжений. Промышленный выпуск разрядников с напряжением зажигания 280–430 В на ток до 30 А был освоен заводом «Светлана» в 1936 г.

11.2.3. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРНЫЕ ЛАМПЫ

Наряду с газоразрядными приборами в промышленной электронике достаточно широко используются вакуумные электронные лампы. Изобретение электронной лампы как электровакуумного прибора, действие которого основывается на управлении потоком электронов в вакууме электрическими полями, связано с именами Дж. Флеминга (J. Flaming, Англия, 1904 г.), предложившего диод, и Ли де Фореста (Lee di Forest, США, 1906), предложившего ввести сетку в вакуумный диод, т.е. создать триод.

Реальные конструкции вакуумных диодов и триодов были разработаны и начали использоваться в начале 20‑х годов и связаны в России с именами Н.Д. Папалекси, М.А. Бонч‑Бруевича. Теория движения электронных потоков в вакууме в большой степени определялась работами С.А. Богуславского и несколько позднее Г.А. Гринберга, B.C. Лукошкова.

Все многообразие конструктивных решений электронных ламп можно разделить на три основные группы:

1) приемно‑усилительные лампы (ПУЛ);

2) генераторные и мощные модуляторные лампы;

3) лампы сверхвысокочастотного (СВЧ) (свыше 100 МГц) диапазона.

По сложившейся классификации ПУЛ подразделяются на диоды, триоды, тетроды, пентоды и более сложные многосеточные лампы – гексоды, пептоды и октоды. Названия ламп содержат информацию о числе электродов. Двухэлектродные лампы этого класса имеют накаленный катод (прямого или косвенного накала), анод (диоды, кенотроны); для удобства пользователей выпускались двуханодные кенотроны. Управляемые лампы имели одну или несколько управляющих сеток, комбинированные лампы представляли собой комбинацию двух триодов с общим катодом либо комбинацию, например, триода – пентода. Лампы использовались как выпрямительные (детекторные) диоды; наиболее мощные – в источниках питания радиоаппаратуры (сотни миллиампер, сотни вольт). Триоды применялись в качестве регулировочных ламп в стабилизаторах напряжения (сотни миллиампер, сотни вольт); маломощные триоды с большим коэффициентом усиления использовались в балансных усилителях напряжения устройств промышленной электроники. Многосеточные лампы обычно применялись в усилителях радиочастотного диапазона, а также для усиления медленно изменяющихся сигналов (усилители постоянного тока). Для работы с особо малыми входными токами использовались электрометрические лампы. Для нужд радиотехники и радиосвязи выпускались пентоды с высокими показателями добротности; автоматическая регулировка усиления стала возможной благодаря использованию ламп с переменной крутизной.

Промышленные задачи потребовали увеличения максимальной выходной мощности ламповых усилительных каскадов для управления исполнительными механизмами (реле, контакторами, цепями возбуждения двигателей).

В промышленных электронных устройствах экранированные лампы (тетроды, пентоды) получили распространение благодаря более эффективному использованию напряжения источника питания. Желание улучшить энергетические характеристики мощных выходных усилительных каскадов стимулировало применение двухтактных каскадов, работающих в классе Б (каждая лампа выходного каскада формирует одну полуволну выходного тока при запертой другой лампе). Казалось бы, в наш век полупроводниковой электроники мощные ламповые усилительные каскады навсегда ушли в прошлое, но в последние годы появились сообщения, что любители особо высококачественного воспроизведения звука отдают предпочтение ламповым усилителям.

Генераторные и модуляторные лампы создавались в основном для радиовещания, телевидения и радиолокации. Уровень мощности, преобразуемой в этих лампах, уже на ранней стадии разработки составлял единицы и десятки киловатт, а в последующие годы вышли на уровень сотни киловатт – мегаватты. В отечественной электровакуумной промышленности эти разработки связаны наряду с уже упомянутыми учеными, с именами С.А. Векшинского, А.Л. Минца, С.А. Зусмановского, Б.М. Царева. Наиболее бурное развитие мощных ламп приходится на 30–40‑е годы, когда были заложены основные принципы конструирования и технологии этих приборов [11.58, 11.59].

Завод «Светлана» в г. Санкт‑Петербурге с начала создания электронной промышленности идо настоящего времени является основным разработчиком и изготовителем мощных генераторных ламп для радиовещания и индукционного нагрева в России.

Мощные импульсные модуляторные лампы, используемые в радиолокации, послужили основой для создания современных электронных ламп для систем питания высокого напряжения. Необходимость импульсной модуляции в радиолокационных системах на уровне потребления до 200 кВт привела к разработке модуляторных ламп на эти уровни напряжения при высоких значениях импульсного тока (до единиц килоампер). Достигнуты были подобные параметры в 50–60‑х годах за счет использования эффективных термокатодов, формирования электронных пучков и введения ряда специфических технологических операций. Разработчиками конструктивных и технологических решений выступали ученые и конструкторы НПО «Исток» и «Торий».

Развитие в конце 60‑х годов электронно‑лучевой и лазерной технологий, а также строительство ускорителей привели к необходимости создания специальной категории ключевых ламп («Switching tubes» и «Schaltung Rohre») служащих для модуляции длинных импульсов вплоть до секундных импульсов стабилизации тока нагрузки, быстрого (в десятки микросекунд) защитного отключения источника питания с повторным включением. Основой для создания этих приборов послужили мощные модуляторные лампы с улучшенным отводом теплоты от электродов. В настоящее время разработаны и выпускаются ключевые лампы на напряжение 150 кВ и ток в непрерывном режиме 100 А фирмами «Thompson» (Швейцария), «Varian» в США, НПО «Торий» в России.

Необходимость использования электронных ламп в непрерывных режимах привела к созданию нового типа ламп – электронно‑лучевых вентилей (ЭЛВ), предложенных и запатентованных Г.И. Будкером и В.И. Переводчиковым. Эти лампы, разработанные в ВЭИ, отличаются от традиционных тщательным формированием и торможением электронных потоков на аноде, что привело к уменьшению внутреннего сопротивления при большой коммутируемой мощности, а также «пентодной» вольт‑амперной характеристике, обеспечивающей независимость тока от анодного напряжения. Позднее в НПО «Торий» были разработаны для этих целей специальные коммутирующие лампы – пролетные пентоды (титроны) [11.60].

11.2.4. СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Качественный скачок в силовой электронике связан с появлением силовых полупроводниковых приборов. Они активно вторглись в средства разработки преобразовательных устройств, полностью вытеснив значительную часть газоразрядных приборов. Как и всякая новая элементная база, полупроводниковые вентили развивались многопланово: изменялись предельные параметры, функциональные возможности, динамические характеристики.

Более высокие возможности полупроводниковых приборов позволили ставить новые функциональные задачи: вместо традиционного выпрямления и инвертирования разрабатывать импульсные высокочастотные энергообменные устройства для реверсивной передачи энергии от одного объекта к другому.

В настоящее время силовые полупроводниковые вентили вытеснили все виды силовых приборов во всех областях применения, за исключением высоковольтных электротехнологических установок и установок большой мощности (десятки и сотни киловатт), работающих в радиочастотном диапазоне.

Созданию мощных полупроводниковых приборов (ППП) предшествовали весьма важные поначалу разрозненные шаги по изучению электрических свойств твердого тела, явлений на границах раздела материалов и сред.

На этом историческом пути отправными пунктами следует считать обнаружение в 1873 г. изменения проводимости селена под влиянием освещения – внутреннего фотоэффекта; открытие односторонней проводимости контакта металл‑полупроводник (К.Ф. Браун, Германия, 1874 г.); открытие генерации и усиления электромагнитных колебаний контактом металл‑полупроводник (О.В. Лосев, Россия, 1922 г.); изобретение в 1948 г. точечного транзистора (Дж. Бардин и У. Браттейн, США); последующая разработка теории p‑n‑перехода и создание плоскостного транзистора (У. Шокли, США, 1949–1951 гг.).

^{Рис. 11.7. Первые отечественные германиевые и кремниевые диоды (1960 г.)}

^{а – точечный диод; 1 – корпус; 2 – иглодержатель; 3 – игла; 4 – кристалл германия; 5 – кристаллодержатель; 6 – выводы; б – плоскостной диод}

По сути дела, именно эти изобретения определили бурное развитие полупроводниковой электроники во второй половине XX в. Начиная с первых лет создания полупроводниковых приборов, определились две ветви полупроводниковой электроники: силовая и информационная.

В 50‑е годы появились первые маломощные полупроводниковые диоды на базе германия и кремния (рис. 11.7).

Исследования по созданию отечественных мощных полупроводниковых диодов на основе германия были начаты в середине 50‑х годов. Они базировались на фундаментальных исследованиях в области физики твердого тела, выполненных в нашей стране А.Ф. Иоффе и его школой. Первые расчеты и экспериментальные образцы плоскостных p‑n‑переходов были получены Физико‑техническим институтом им. А.Ф. Иоффе, а затем продолжены ВЭИ и саранским заводом «Электровыпрямитель». Первые типы промышленных диодов (вентилей) были созданы С.Б. Юдицким (ВЭИ).

Методом сплавления германия с индием были созданы диоды серии ВГ – вентили германиевые на токи до 200 А (импульсные токи до 900 А) на напряжение до 200 В. Хотя прямые падения напряжения на таких диодах были около 1 В, принципиальная невозможность получения p‑w‑переходов на более высокие напряжения из‑за недостаточной ширины запрещенной зоны и низкого удельного электрического сопротивления ограничила применение германия.

С начала 60‑х годов выполнялись исследования и разработки силовых приборов на основе монокристаллического кремния. Результаты теоретического анализа физических явлений в p‑n‑ переходах в полупроводниках к этому времени уже позволяли проектировать диоды для преобразовательных устройств промышленной электроники.

В конце 50‑х годов в лабораториях ВЭИ были созданы первые отечественные кремниевые вентили на токи 200 А (ВК‑200). Основные функциональные элементы – p‑n‑переходы формировались методом сплавления алюминиевой фольги с кремниевыми дисками диаметром 25 мм. Малая толщина рекристаллизованного p‑слоя ограничивала пробивные напряжения таких p‑n‑переходов на уровне 300–400 В. Это сужало применение диодов серии ВК в сетях с промышленным уровнем напряжения и требовало их последовательного соединения, что диктовало применение выравнивающих RC‑цепочек, усложняло электрические схемы и конструкции выпрямительных устройств.

Необходимость повышения рабочих напряжений стимулировала исследования по разработке диффузных методов формирования многослойных структур с p‑n‑переходам и (В.Е. Челноков, В.М. Тучкевич).

В 1961 г. были разработаны вентили серии ВКД (вентили кремниевые диффузионные) на 200 А (диаметр кремниевого диска 25 мм) на напряжения около 1000 В. Это уже позволило комплектовать ими выпрямители электровозов и мотор‑вагонные секции электропоездов для эксплуатации на участках железных дорог, питаемых переменным напряжением около 25 кВ.

Уже через год (в 1962 г.) были созданы первые отечественные силовые тиристоры, называемые тогда управляемыми вентилями (например, ВКДУ‑150 – вентиль кремниевый диффузионный управляемый на ток 150 А). Вскоре счет модификаций, типоразмеров, типономиналов и конструкций вентилей пошел на десятки и сотни.

Несомненно, что особой вехой в развитии силовых полупроводниковых приборов (СПП) стало создание в середине 60‑х годов диодов и тиристоров таблеточной конструкции. Двусторонний отвод теплоты позволил практически удвоить нормальные токи приборов при тех же площадях выпрямительных элементов.

Специфика технологии производства СПП, их уникальные свойства (высокая коммутационная способность, быстродействие, простота обслуживания, высокие КПД, надежность и долговечность) привели к бурному развитию силового полупроводникового приборостроения. Оно стало особым звеном в полупроводниковой электронике.

Следует особо отметить, что развитие в 60–70‑х годах методов диффузионного легирования кремния бором, алюминием, фосфором и др. происходило с учетом свойств отечественного монокристаллического кремния. Жесткие требования к параметрам и характеристикам СПП привели к необходимости совершенствования технологии и повышения качества кремния.

Выращивание монокристаллов кремния методом Чохральского не позволяет достичь удельного сопротивления выше 100 Ом∙см. Кроме того, разброс значений удельного сопротивления на торцах и по длине таких монокристаллов составляет 10–30%. Все это существенно ограничило возможности проектирования и создания СПП с высокими параметрами.

Получивший распространение в технологии СПП метод бестигельной зонной плавки монокристаллов кремния дал возможность изготавливать исходный материал с высокими значениями удельного сопротивления. Появилась проблема однородности легирования монокристаллов кремния по их длине и сечению, которая была решена в 70–80‑х годах радиационными нейтронными методами.

Ядерная реакция, приводящая при облучении кремния медленными нейтронами к превращению атомов одного из изотопов кремния w атомы фосфора, позволила изготавливать однородные монокристаллы «‑типа (легированные фосфором) с заданными диапазонами удельных сопротивлений и достаточными временами жизни неосновных носителей. Именно радиационно‑легированный кремний (РЛК) позволил обойтись без импорта основного исходного материала и создать СПП, необходимые преобразовательной технике.

11.2.5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Линии передачи постоянного тока высокого напряжения предполагались как средство передачи энергии на большие расстояния. Первой опытно‑промышленной линией была передача Кашира – Москва; до настоящего времени эксплуатируется линия Волгоград – Донбасс. Разрабатывалась линия Экибастуз – Центр. В этот проект были вложены огромные материальные и интеллектуальные ресурсы. И хотя коренная перестройка нашей хозяйственной системы сделала невозможной в настоящее время реализацию подобных проектов, передача энергии постоянным током нашла применение для асинхронной связи энергосистем с различными частотами либо различными стандартами параметров электроэнергии. Убедительным примером такого рода служит выборгская вставка постоянного тока для передачи энергии России в Финляндию.

Первые передачи постоянного тока высокого напряжения были сооружены в нашей стране на основе ртутных вентилей (рис. 11.8). Однако ненадежность этих преобразовательных аппаратов в значительной степени затруднила их реализацию.

^{Рис. 11.8. Откачной высоковольтный ртутный вентиль с водяным охлаждением на ток 300 А и напряжение 130 кВ (1960 г.)}

С появлением силовых тиристоров, успешным опытом их применения появилась возможность создания высоковольтных тиристорных вентилей (ВТВ), которые имеют ряд преимуществ по сравнению с их ртутными предшественниками. Тиристорные вентили позволяют создавать преобразователи на широкий диапазон напряжений и токов, требуют минимального обслуживания. Начиная с середины 60‑х годов в СССР развернулись научно‑исследовательские работы и проектирование преобразовательных подстанций на основе ВТВ. За сравнительно короткое время были достигнуты значительные успехи, и уже в 1972 г. были прекращены работы по созданию ртутных вентилей.

Первоначально создаваемые ВТВ предназначались для замены ртутных вентилей на действующих линиях передачи. В 1969 г. впервые в инженерной практике было осуществлено включение в эксплуатацию тиристорного моста напряжением 100 кВ и мощностью 15 МВт на действующей линии электропередачи Кашира – Москва. Разработка была выполнена в ВЭИ. На этой же передаче прошли испытания вентили, разработчиками которых были Научно‑исследовательский институт постоянного тока (НИИПТ) и Энергетический институт Академии наук (ЭНИН).

В дальнейшем работы по созданию ВТВ сосредоточились в основном в ВЭИ. Они были направлены на создание оборудования для проектируемой сверхмощной линии передачи постоянного тока Экибастуз – Центр напряжением 1500 кВ и мощностью 6000 МВт.

В рамках этой программы совместно с заводом «Уралэлектроаппарат» был создан тиристорный мост напряжением 100 кВ и мощностью 90 МВт, предназначенный для работы в каскадной схеме на высшем потенциале по отношению к земле. С 1974 г. началась его опытно‑промышленная эксплуатация.

Одним из передовых технических решений было применение оптоэлектронной системы управления на линии передачи постоянного тока. Оптоэлектронные каналы радикальным образом решают проблемы изоляции и помехоустойчивости системы управления вентилем и тем самым прокладывают путь к созданию ВТВ на сверхвысокие напряжения. Основные элементы этих каналов (специально разработанный в нашей стране в НИИ «Полюс» крупнейший в мире полупроводниковый квантовый генератор световых сигналов мощностью свыше 200 Вт, световоды для работы на высоких напряжениях и длиной свыше 30 м) освоены отечественной промышленностью, и, как показала практика, имеют высокую эксплуатационную надежность. Эти элементы позволяют одновременно управлять сотнями тиристоров с потенциала земли. При этом источники света и системы регулирования преобразователей могут находиться в отдельном помещении и соединяться с вентильным залом лишь с помощью световодов.

^{Рис. 11.9. Вентильный зал преобразовательного устройства, параметры плеча мостовой схемы: ток 700 А, напряжение 120 кВ (1981 г.)}

Параметры разработанных управляемых тиристорных блоков по мощности и напряжению почти в два раза превышают все существующие зарубежные аналоги. Блоки предназначены для комплектации сверхмощных тиристорных мостов напряжением 375 кВ и мощностью до 750 МВт.

Проведенные в ВЭИ совместно с заводом‑изготовителем работы позволили в короткие сроки создать ВТВ для выборгской вставки постоянного тока и укомплектовать ими преобразовательные установки суммарной мощностью 1065 МВт (рис. 11.9). Эта работа была удостоена Государственной премии СССР (В.П. Фотин, И.П. Таратута, Ю.М. Резов, Р.А. Лытаев).

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.