Силовые транзисторные модули

терезисным циклам. В связи с этим особенно важное значение с точки зрения уменьшения массы и объема ИПН имеют вопросы исследования и оптимального проектирования этих элементов. Методы расчета дросселей и трансформаторов, изложенные в литературе, как правило, не учитывают или учитывают весьма приблизительно их реальные электромагнитные режимы. Так, например, индуктивность обмотки накопительного дросселя ИПН рассчитывается по величине начальной магнитной проницаемости материала сердечника. Средняя магнитная проницаемость на частном гистере-зисном цикле (а, следовательно, и фактическая индуктивность дросселя) в рабочем режиме может значительно отличаться от начальной, что приводит к существенному возрастанию тока в силовом ключе.

Для более точного расчета дросселей и трансформаторов необходимо учитывать их электромагнитный режим. Учет этого режима возможен с помощью аналитического описания закономерностей перемагничивания материала сердечника по частным гистерезисным циклам - математических моделей гистерезиса. Следует отметить, что применение таких моделей позволяет производить более точный расчет не только накопительных дросселей, но и импульсных трансформаторов, коммутирующих и сглаживающих дросселей полупроводниковых преобразователей, дросселей фильтров выходного напряжения инверторов, то есть может применяться для решения проблемы миниатюризации ИПН в свете оптимизации проектирования их силовой части -задачи особенно важной для электрооборудования подвижных объектов.

В качестве ключевых элементов ИПН в основном используются биполярные и полевые транзисторы. Отсутствие коммутирующих элементов и уменьшенные динамические потери при переключениях позволяют создавать преобразователи с высокими массогабаритными и энергетическими показателями. Наиболее широко распространено в настоящее время построение силового ключа в виде модуля, включающего собственно силовой транзистор, схему защиты и корректирующие цепи. В литературе, в том числе и в наших работах, приводятся некоторые схемные решения силовых транзисторных модулей, направленные на снижение коммутационных потерь и повышение надежности их работы.

CONVERTING TECHNICS IN POWER SYSTEMS OF WATER TRANSPORT OBJECTS

V. V. Alexandrov

The basic requirements to a ship electric equipment and, in particular, to the static converter of the electric power are considered. The new design procedures of high-frequency converters are offered.

УДК 621.314

В. В. Александров, к. т. п., профессор.

В. В. Гуляев, к. т. н., доцент, ВГАВТ.

603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.

СИЛОВЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ МОДУЛИ

Рассматриваются вопросы применения силовых модулей на базе полевых и биполярных транзисторов в устройствах преобразовательной техники.

Силовые модули получили активное развитие в связи с увеличением мощности силовых устройств и нашли применение в схемах, в которых использование дискретных эле-

ментов было неприемлемо из-за их недостаточной мощности либо сложности реализации самой схемы на дискретных элементах. Использование силовых модулей позволило уменьшить массу и габариты устройств преобразовательной техники и повысить их КПД.

В большинстве случаев силовой модуль состоит из транзисторов МОЗЕЕТ или ЮВТ и силовых высокочастотных диодов.

В настоящее время промышленность располагает широкой номенклатурой дискретных силовых элементов, разработанных с применением современных технологий производства полупроводниковых кристаллов и их корпусирования.

Характеристики силовых высокочастотных диодов приведены в литературе. Анализ этих данных показывает, что при широком диапазоне токов (от 3 до 10000 А), достаточном для применения в мощных преобразователях электроэнергии, максимальное обратное напряжение достигает 600 В и более (от 200до 3000 В), что позволяет использовать такие диоды в схемах выпрямителей и инверторов при напряжении однофазных и трехфазных цепей переменного тока 380 В.

Как известно, применение полностью управляемых ключей позволяет применять законы управления с различными вариантами широтно-импульсной модуляции и получать более качественную работу преобразователя. В качестве таких ключей принципиально можно использовать мощные биполярные транзисторы в ключевом режиме, полевые транзисторы МОБРЕТ и биполярные транзисторы с изолированным затвором ЮВТ.

Из рис. 1 следует, что в мощных преобразователях электроэнергии преимущества имеют транзисторы ЮВТ, при низких напряжениях питания конкуренцию им могут составить МОБРЕТ.

MOSFET

НИЗКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

биполярный

ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ^ МАЛЫЕ-ТОКИ

ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИ

БОЛЬШИЕ ТОКИ

ЮВТ

Очень малое

Очень высокая частота

Контролируемое напряжение затвора -легко управляем

Малые потери при ВКЛ Высокая частота (до 100 кГц) при малых токах Сложное управление

Потери при ВКЛ много меньше, чем у MOSFET Средняя частота Сдо 20 кГц)

Контролируемое напряжение затвора -легко управляем_______

Рис.1. Свойства транзисторов МОБРЕТ, биполярных и ЮВТ транзисторов

Биполярные транзисторы уже давно используются в импульсных источниках электропитания. При этом они работают в ключевом режиме, находясь попеременно в двух состояниях: насыщения и отсечки. Чем сильнее будет насыщен транзистор, тем меньше напряжение коллектор-эмиттер удается получить, тем меньше будут тепловые потери. Однако чрезмерное насыщение чревато большой неприятностью - в таком состоянии база транзистора накапливает большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора. Выключить транзистор, т. е. перевести его в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения, в результате чего ток базы меняет свое направление. Пока происходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе, ток не меняет своего значения.

Это время называется временем рассасывания. После окончания процесса рассасывания происходит спад тока базы. В течение времени рассасывания транзистор остается открытым и коллекторный ток не меняет своего значения. Спад тока коллектора начинается одновременно со спадом тока базы, и заканчиваются они почти одновременно. Для ускорения рассасывания в базу, как уже отмечалось выше, иногда подают обратный закрывающий ток. Однако прикладывать к базе обратное напряжение опасно, так как может произойти пробой перехода эмиттер-база.

Если к базе транзистора в процессе запирания не прикладывать обратное напряжение, а просто замыкать базу на эмиттер, то такое запирание, в отличие от рассмотренного активного, называется пассивным. При пассивном запирании время рассасывания увеличивается, но этот режим не требует для своей реализации дополнительных элементов и поэтому достаточно широко используется в импульсной силовой схемотехнике.

При включении транзистора (когда он переводится из режима отсечки в состояние насыщения) ток коллектора достигает установившегося значения не сразу после подачи тока в базу, а спустя некоторое время задержки, после чего коллекторный ток плавно нарастает.

Коммутационные процессы в транзисторе очень важны, так как определяют динамические потери при его переключении. Слишком большие активные потери могут перегреть транзистор, и он выйдет из сгроя. Кроме того, эти потери существенно уменьшают КПД устройства.

В мощных импульсных источниках питания в ключевых цепях необходимо иметь токи, которые невозможно обеспечить одним транзистором. Тогда используется параллельное включение транзисторов, при этом общий ток распределяется между отдельными транзисторами. Особенностью биполярных транзисторов является то, что невозможно параллельно соединить их электроды, необходимо обязательно включать в эмиттерные цепи небольшие резисторы, выравнивающие токи. Необходимо отметить, однако, что на выравнивающих резисторах рассеивается дополнительная мощность, которая снижает КПД преобразователя.

В литературе приводятся основные характеристики биполярных транзисторов.

В настоящее время биполярные транзисторы используются в мощных импульсных преобразовательных устройствах все реже и реже. Их место активно занимают полевые транзисторы МОБРЕТ и комбинированные транзисторы ГСВТ. имеющие в этой области электроники несомненные преимущества.

Широкое распространение в силовых модулях высокочастотных преобразователей электроэнергии получили мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (МОБРЕТ). Управление такими транзисторами осуществляется через затвор, который намеренно изолирован от силового перехода тонким слоем окисла, следовательно сопротивление постоянному току цепи управления очень велико. Для того, чтобы перевести транзистор МОБРЕТ из открытого состояния в закрытое и наоборот, нужно приложить к затвору относительно истока напряжение. При этом ток в цепи затвора практически отсутствует.

Отметим основные преимущества полевых транзисторов:

1. Так как транзистор управляется не током, а напряжением (электрическим полем), то существенно упрощается схема управления и снижается затрачиваемая на управление мощность.

2. В полевых транзисторах нет неосновных носителей, поэтому они могут переключаться с гораздо более высокой скоростью.

3. Повышенная теплоустойчивость полевых транзисторов, что обусловливает возможность включать параллельно достаточно большое их число без выравнивающих резисторов в силовых цепях, не опасаясь рассиметрирования токов.

4. Полное отсутствие вторичного пробоя, что позволяет эффективнее использовать полевой транзистор по передаваемой мощности.

Основные параметры некоторых транзисторов МОБРЕТ приведены в литературе.

Сто* Исток

Истох Сток

р-канал

Рис. 2. Транзисторы МОЭРЕТ

При необходимости полевые транзисторы, как уже отмечалось, можно включать параллельно без выравнивающих резисторов в силовых цепях, однако для параллельного соединения нужно использовать приборы с близкими значениями порогового напряжения, т. е. нельзя соединять транзисторы разных типов. Кроме того, транзисторы следует устанавливать на один радиатор по возможности близко друг к другу для обеспечения их равномерного прогрева.

Если соединить затворы полевых транзисторов непосредственно, то при включении транзисторы, влияя друг на друга через затворы, будут произвольно открываться и закрываться, не подчиняясь сигналу управления. Для предотвращения этого эффекта в цепи затворов включаются одинаковые резисторы сопротивлением десятки-согни Ом (рис. 3).

Рис. 3. Параллельное включение МОЗНЕТтранзисторов

При параллельном соединении очень важно выполнить связи между электродами транзисторов как можно короче, минимизировав паразитные индуктивности монтажа. Для обеспечения защиты преобразовательных устройств от токов короткого замыкания используют транзисторы МОБРЕТ с датчиками тока (рис. 4).

Практически полевой транзистор с датчиком тока, как видно из рис. 4, состоит из двух параллельных полевых транзисторов, называемых “силовым” и “считывающим”. Главным параметром такого транзистора является отношение тока, протекающего через

вывод истока, и тока, протекающего через вывод датчика. Это отношение будет немного отличаться от истинного, поскольку ток стока является суммой силового и измерительного токов. Но это не принципиально - считывающий транзистор введен не для точного измерения тока, а для фиксирования состояния перегрузки транзистора.

* ¥ Сток

1

^ ЧУ о ДТ И К

Условное

обозначение

К мзмерктслъ-ному угтрпйгглу

Т ермохомпен-

СирОПОІПП/Ш

вывод

Кельвина

Исток

Рис. 4. МОБРЕТ транзисторы с датчиками тока

Дальнейшим развитием технологии полупроводниковой электроники является создание транзисторов МОБРЕТ со встроенной системой самоконтроля.

Рис. 5. Блок-схема МОВРЕТ транзистора со встроенной системой самоконтроля Структура интеллектуального МОБРЕТ приведена на рис. 6.

Сток

Управление О

300

7.5Э.П

Г

-й-

100к

47 В

80

мкЛ

С

-С£1

Датчик

тока

Исток

Рис. 6. Структурная схема интеллектуального транзистора МОвРЕТ

Как видно из рис. 6, в нормальном режиме работы ключ К1 замкнут, К2 - разомкнут. Если температура кристалла транзистора превысит установленный предел (165°), сработа-

ет температурный датчик, который установит триггерную схему в новое положение -отключит К1 и замкнет К2. Таким образом, транзистор потеряет управление и закроется. То же самое произойдет, если ток через силовую цепь транзистора превысит допустимое техническими условиями значение. Для точной фиксации тока транзистор выполняется со считывающим электродом, к которому подключен резистивный датчик тока.

В начале 1980 годов были проведены успешные эксперименты по созданию комбинированного транзистора, состоящего из управляющего МОБРЕТ и выходного биполярного каскада. Наибольшее распространение получили транзисторы схемотехники ЮВТ, в которых наиболее удачно удалось соединить особенности полевых и биполярных транзисторов, работающих в ключевом режиме. Технология изготовления транзисторов ЮВТ позволила получить сочетание малых потерь в проводящем состоянии, сравнимых с потерями в обычных биполярных транзисторах, и относительно малого времени переключения, характерного для МОБРЕТ. Кроме того, при одинаковых выходных параметрах приборов площадь кремния у ЮВТ существенно меньше, чем у МОБРЕТ, что уменьшает габариты корпуса и снижает его стоимость. Частотные свойства ЮВТ позволяют использовать их при частотах до 20-50 кГц и более, что вполне достаточно для применения в силовой преобразовательной технике.

Основные параметры некоторых транзисторов ЮВ'Г приведены в литературе. Эти приборы могут использоваться в таких устройствах, как источники бесперебойного питания и ключевые источники питания общего назначения, работающие непосредственно от сети и при средних значениях частоты. Они оптимизированы по прямому падению напряжения и потерям при выключении и способны выдерживать токи короткого замыкания минимум 10 мкс. Для применений, где необходимо протекание обратного тока, антипараллельный диод с быстрым восстановлением помещается в корпусе прибора. Характеристики антипараллельного диода подобраны таким образом, чтобы обеспечить “мягкое восстановление” с минимумом перенапряжений и электромагнитного излучения. Диод, объединенный в корпусе с ЮВТ, также уменьшает перенапряжения, генерируемые в цепи от паразитной индуктивности. Для устройств, не гребующих диода, имеются соответствующие приборы меньшей стоимости. Индекс Б в конце обозначения ЮВТ в приложении означает наличие диода.

Поскольку ЮВТ управляются, как и МОБРЕТ, не током, а напряжением, транзисторы одного типономинапа можно соединять параллельно без выравнивающих резисторов в цепи эмиттера. Несколько простых рекомендаций помогут разработчику правильно выполнить параллельное соединение ЮВТ.

1) Схема управления затворами ЮВТ должна быть источником напряжения, т. е. иметь малое внутреннее сопротивление.

2) В цепь затвора каждого транзистора нужно включить резистор величина которого выбирается с помощью документации на транзистор.

3) Резистор необходимо разместить как можно ближе к управляющему выводу транзистора во избежание выбросов на паразитных индуктивностях в цепи затвора.

4) Важность близкого расположения элементов силовой части возрастает с увеличением рабочего тока и рабочей частоты. Длинные связи между элементами могут привести к чрезмерным перенапряжениям и низкой нагрузочной способности. Размещение элементов схемы должно быть компактным и по возможности симмегричным.

5) Для обеспечения равномерного прогрева транзисторов необходимо устанавливать их на общий радиатор.

6) Необходимо снизить рабочий ток, протекающий через параллельно соединенные транзисторы, относительно каждого прибора на 10-15 % по сравнению с одиночным транзистором.

При создании силовой части импульсного преобразователя электроэнергии в последнее время как-альтернативу дискретным приборам все чаще используют инте-

гральные гибридные модули, совмещающие в одном корпусе несколько силовых ключей и различные вспомогательные элементы. Применение гибридных модулей упрощает конструкцию преобразователя, повышает надежность его работы. Параметры и схемы некоторых модулей IGBT приведены в литературе. Как правило, один силовой модуль может состоять из небольшого числа компонентов - не больше 10, однако для повышения его функциональности возможна интеграция значительно большего числа компонентов.

В силовых модулях IGBT широко используются кристаллы, выполненные по технологии производства IGBT - NPT и Trench Gate. Устройства IGBT - NPT и Trench Gate способны работать на напряжениях от 600 В до 1700 В на частотах до 100 кГц в режимах жесткого переключения. Использование кристаллов, выполненных по этим технологиям, делает простым параллельное соединение. В таблице 1 представлены параметры доступных силовых модулей IGBT.

Транзисторы, на основе которых выполнены силовые модули MOSFET, являются новейшим поколением устройств с наименьшим сопротивлением в открытом состоянии, малым зарядом затвора и незначительными суммарными потерями. Технологии изменения полевых транзисторов PowerMOS7, PowerMOSV в силовых модулях уникальны тем, что устройства, выполненные по этим технологиям, обладают входной емкостью, высокой частотой переключения. А запатентованная структура с планарным полосковым металлическим затвором обеспечивает низкое сопротивление на затворе. В таблице 2 представлены параметры силовых модулей на основе полевых транзисторов серий PowerMOS7 и PowerMOSV.

Таблица /

Силовые модули IGBT

Конфигурация Диапазон напряжений, В Диапазон тока, А

3-х фазный мост 600-1700 10-150

3-х фазный мост + входной выпрямитель 600-1700 10-75

Несимметричный мост 600-1200 50-180

Повышающий преобразователь 600-1700 25-300

Пара повышающих преобразователей 600-1200 25-75

Понижающий преобразователь 600-1700 25-350

Пара понижающих преобразователей 600-1200 25-75

Пары устройств с общим истоком 600-1200 50-350

Три пары устройств с общим истоком 600-1700 50-90

Полный мост 600-1700 15-180

Цепь выпрямления фазы 600-1700 25-350

Утроенная цепь выпрямления фазы 600-1700 50-90

Одиночный ключ 600-1700 200-660

Одиночный ключ + последовательные диоды 1200 200-300

Одиночный ключ + интеллектуальный модуль 1200 70-300

Известно, что в высокоскоростных системах управления электродвигателями, преобразователях индукционного нагрева и сварочном оборудовании, импульсных источниках питания используются полу- и полномостовые топологические схемы размещения транзисторов.

Например, для реализации резонансного режима на частоте 500кГц жесткого переключения требуется использование полевых транзисторов, так как только им свойственно работать на повышенных частотах. Возникающие потери в процессе переключения транзисторов уменьшаются путем установки параллельно полевому тран-

зистору силовых диодов (рис. 7). По желанию могут использоваться диоды на основе карбида кремния (SiC) либо диоды с быстрым восстановлением (FRED). Диоды SiC обладают нулевым временем обратного восстановления, минимальными потерями на включение и высокой температурой перехода (175°С). Они способны работать с напряжением до 1200В. Динамические характеристики диодов на основе карбида кремния намного лучше характеристик диодов FRED. Поэтому замена FRED на диоды SiC привела к уменьшению потерь на включение транзистора в 2 раза.

Таблица 2

Силовые модули MOSFET

Конфигурация Диапазон напряжений, В Диапазон тока, А

Несимметричный мост 200-500 32-147

Повышающий преобразователь 100-1200 25-300

Пара повышающих преобразователей 500-1200 11-54

Понижающий преобразователь 100-1200 25-300

Пара понижающих преобразователей 500-1200 11-54

Пара устройств с общим истоком 200-1200 25-300

Три пары устройств с общим истоком 75-1200 13-100

Полный мост 200-1200 11-147

Полный мост с последовательными и параллельными диодами 200-1000 13-62

Полномостовой интеллектуальный модуль 500 32-37

Цепь выпрямления фазы 200-1200 25-300

Цепь выпрямления фазы + последовательные диоды 1000-1200 37-49

Цепь выпрямления фазы + последовательные и параллельные диоды 200-1200 37-225

Утроенная цепь выпрямления фазы 75-1200 13-100

Одиночный ключ 200-1200 77-434

Одиночный ключ + последовательные диоды 100-1200 86-160

Одиночный ключ + последовательные и параллельные диоды 200-1200 48-310

Промышленность предлагает широкий спектр силовых модулей МОБРЕТ и СооМОв, в состав которых входят карбидокремниевые диоды с рабочим напряжением 600В и 1200В. Силовые модули с диодами БіС доступны в конфигурациях повышающего преобразователя, цепи выпрямления фазы и полномостового соединения. Рабочее напряжение силовых модулей МОБРЕТ и СооІМОБ, использующих в своём составе диоды БіС, лежит в пределах от 500В до 1000В (табл. 3).

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что силовые транзисторы ЮВТ и МОБРЕТ и разработанные на их основе силовые модули стали основными элементами, применяемыми в мощных импульсных преобразователях. Их уникальные статические и динамические характеристики позволяют создавать устройства, отдающие в нагрузку сотни кВт при минимальных габаритах и КПД, превышающим 95 %.

Общим у ЮВТ и МОБРЕТ является изолированный затвор, в результате чего эти элементы имеют схожие характеристики управления. Благодаря отрицательному температурному коэффициенту тока короткого замыкания, появилась возможность создавать транзисторы, устойчивые к короткому замыканию.

Для ключевых элементов с управляющим затвором опасным так же является состояние, когда напряжение управления падает до значения, при котором транзистор может перейти в линейный режим и выйти из строя из-за перегрева кристалла.

увиз

<АЛЛ^>

Рис. 7. Силовой моду ль МО$ЬЕТ

Таблица 3

Силовые модули \10SFET и СооІМОЗ со встроенными диодами ЯіС

Конфигурация МССТЕТ

Напряжение, В Ток, Л Наименование

Повышающий преобразователь 500 67 АРТМ50АМ388СТ

Цепь выпрямления фазы 500 67 АРТМ50АМ388СТ

110 АРТМ 50 АМ248С

1000 27 АРТМ100А23 8СТ

49 АРТМЮОАІЗБС

Полный мост 500 34 АРТМ50НМ758СТ

1000 14 АРТМ 100Н458СТ

Повышающий преобразователь 600 107 АРТСбООАМ 18СТ

Цепь выпрямления фазы 600 54 АРТС60АМ358СТ

107 АРТСАМ188С

800 21 АРТС80А158СТ

32 АРТС80А108СТ

43 АРТС80АМ758С

Полный мост 600 29 АРТС60НМ708СТ

800 11 АРТС80Н298СТ

Отсутствие тока управления статических режимов и общее низкое потребление по цепям питания позволяет отказаться от гальванически изолированных схем управления на дискретных элементах и создавать интегральные схемы управления - драйверы. В настоящее время ряд фирм выпускают широкую гамму таких устройств, управляющих одиночными транзисторами, полумостами и мостами - двух и трехфазными. Кроме обеспечения тока затвора они способны выполнять и ряд вспомогательных функций, таких, как защита от перегрузки по току, падения напряжения управления и ряд других.

Основные характеристики драйверов затворов МОП и ЮВТ транзисторов и схемы их подключения приведены в литературе.

В заключение отметим, что силовые модули в настоящее время продолжают главенствовать в мире силовой электроники. Достоинствами применения модулей явля-

ется легкость монтажа, относительно низкая стоимость и, самое главное, простота их использования. Наличие силовых модулей позволяет снизить габаритные размеры преобразователя по сравнению с решениями на дискретных компонентах. Кроме того, силовые модули используют в своём составе дополнительные устройства для повышения их функциональности в целом.

Вместе с тем, надежность работы мощного полупроводникового ключа определяется не только его конструкцией и технологией изготовления, применением специализированной интегральной схемы драйвера, но также схемотехническими и конструктивными решениями. К ним можно отнести следующие:

1) Уменьшение длины цепи затвор-эмиттер и разделение обратных проводников цепи затвора и силовой цепи.

2) Использование витых пар и перекрывающихся проводников печатных плат для мощных цепей драйвера.

3) Применение кратчайшего расстояния от драйвера до ключа для уменьшения паразитных цепей.

4) Применение последовательного резистора в цепи затвора для ограничения di/dt и du/dt.

5) Применение отрицательного смещения для уменьшения проблем с du/dt, если это возможно.

Следуя этим рекомендациям, можно значительно уменьшить остроту большинства проблем, связанных с коммутацией больших токов и напряжений при проектировании мощных импульсных преобразователей во вторичных источниках питания и в электроприводах как постоянного, так и переменного тока.

POWER TRANSISTOR MODULES

V. V. Alexandrov, V. V. Gulyayev

Questions of the application ofpower modules on the basis offield and bipolar transistors in devices of converting equipment are considered in the article.

УДК 621.314

В. В. Александров, к. т. п., профессор.

В. И. Самулеев, к. т. н., профессор, ВГАВТ.

603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.

К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

В данной статье рассматриваются вопросы повышения эффективности импульсных преобразователей напряжения во вторичных источниках питания. Приводятся схемы, обеспечивающие повышение к. п. д. и коэффициента использования преобразователей.

На судах и других объектах водного транспорта достаточно часто возникает задача обеспечения работы приемников переменного тока (ЭП) от источника постоянного напряжения, в частности, от аккумуляторной батареи (АБ). Например, на судне с валогене-раторной электроэнергетической установкой необходимо обеспечить нормальную рабо-