Силовая электроника №3'2005

Современная отечественная элементная база для силовых полупроводниковых приборов

Валентин Мартыненко
Вячеслав Мускатиньев
Владимир Чибиркин
Вячеслав Елисеев

Силовые полупроводниковые приборы являются важнейшей элементной базой каждого преобразовательного устройства. Так же, как и электронные компоненты схем управления, эти приборы оказывают большое влияние на эффективность всей преобразовательной системы.


Введение

Развитие силовых полупроводниковых приборов (СПП) в России определяется состоянием отечественного рынка преобразовательной техники, а также мировыми тенденциями развития силовой электроники. По-прежнему востребованы стандартные биполярные приборы (силовые диоды, тиристоры, динисторы, симисторы и др.). Они составляют основу отечественного преобразовательного оборудования, применяемого в таких областях, как электроэнергетика, транспорт, машиностроение, металлургия, нефте-и газодобыча, стройиндустрия, крупные коммунальные объекты, военная техника и др.

Вместе с тем за последние годы на основе полностью управляемых ключей (IGBT, GCT, IGCT, SIT и др.) созданы и эксплуатируются современные преобразователи, обеспечивающие наиболее качественное преобразование электроэнергии при минимальных потерях и материальных затратах. Рынок этих приборов, в первую очередь IGBT силовых модулей, является сегодня самым динамичным, причем его расширение происходит как за счет новых областей применения (медицинская и бытовая техника, ветроэнергетика, радиолокация и др.), так и за счет распространения в те сферы, где традиционно использовались мощные тиристоры. Причем GCT и IGCT уже сегодня достигли предельных коммутируемых мощностей (6000 А/8000 В), характерных для SCR, а IGBT приближаются к ним (3600 А/6500 В).

С учетом этих тенденций в ОАО «Электровыпрямитель» ведутся разработки и осваивается производство новых видов силовых полупроводниковых приборов в дискретных и модульных конструкциях в широком диапазоне токов, напряжений и рабочих частот.

Дискретные приборы

ОАО «Электровыпрямитель» выпускает дискретные силовые полупроводниковые приборы с диаметром кремниевых структур от 5 до 101 мм на базе 22 типов корпусов штыревой, таблеточной и фланцевой конструкций (рис. 1). Производится широкий ряд низкочастотных (для применения в промышленной сети) силовых диодов и тиристоров на токи от 10 до 6300 А и на рабочее напряжение от 200 до 6500 В. По заказам могут быть поставлены приборы с рабочим напряжением до 8000 Вив термодинамически устойчивых корпусах (Isc до 75 кА, Ji2dt = 13,5Ч106 А2с).

Рис. 1. Силовые полупроводниковые приборы штыревой, таблеточной и фланцевой конструкций
Рис. 1. Силовые полупроводниковые приборы штыревой, таблеточной и фланцевой конструкций

 По типу данная серия силовых полупроводниковых приборов одна из крупнейших в мире. По электрическим параметрам, габаритно-присоединительным размерам она соответствует зарубежным аналогам — выпускаемым фирмами ABB, Eupec, Semikron, Westcode и др.

На основе тех же конструкций разработана и поставляется серия быстродействующих силовых диодов и тиристоров, предназначенных для работы в частотно-импульсных режимах. Силовые диоды этой группы, в зависимости от рабочего напряжения и тока, имеют времена обратного восстановления от 0,1 до 5 мкс. Частотные тиристоры выпускаются с характеристиками времени выключения от 8 до 50 мкс. Рабочее напряжение этих приборов от 1000 до 2400 В. По требованиям заказчика предприятие поставляет подобные приборы и с более высокими рабочими напряжениями (до 4000 В и выше) с нормированными временем выключения, которое оптимизировано для инверторных применений.

В зависимости от назначения производятся следующие типы силовых диодов: низкочастотные, быстровосстанавливающиеся, лавинные, кроубарные, роторные. Этими высоконадежными приборами комплектуются выпрямители для питания тяговых и вспомогательных преобразователей электровозов и тепловозов, подстанций железных дорог и муниципального электротранспорта, бесщеточные системы возбуждения электрических машин, различные привода электродвигателей переменного и постоянного тока, преобразователи для электролиза алюминия, сварочное оборудование, источники питания и многие другие устройства.

ОАО «Электровыпрямитель» — известный поставщик мощных тиристоров. На предприятии производится целый ряд приборов тиристорного типа в широком диапазоне токов и напряжений:

  • тиристоры низкочастотные до 5000 А/6000 В;
  • тиристоры быстродействующие и частотно-импульсные до 2000 А/2400 В;
  • тиристоры асимметричные до 1000 А/2800 В;
  • тиристоры симметричные (симисторы) до 1000 А/ 1400 В;
  • оптотиристоры до 80 А/1200 В;
  • реверсивно включаемые динисторы (RSD) до 350 кА/4000 В.

Тиристоры широко используются в преобразователях ЛЭП и вставках постоянного тока, статических системах возбуждения крупных электрических машин, компенсаторах реактивной энергии, электроприводах, схемах плавного пуска, гальваники, электротермии, индукционного нагрева и во многих других областях применения.

Для нужд импульсной техники поставляются реверсивно включаемые динисторы, которыми комплектуются высоковольтные коммутаторы тока, способные переключать импульсные мощности в гигаваттном диапазоне. Последние разработки в этой области показали абсолютное превосходство RSD перед всеми другими типами полупроводниковых ключей. В настоящее время RSD выпускаются с диаметрами элементов от 8 до 76 мм с рабочим напряжением до 4000 В и коммутируемым током до 350 кА. Ведутся разработки по созданию мощного твердотельного ключа на импульсные токи до 500-1000 кА.

Перспективные области применения этих приборов: системы коммутации электрической энергии для мощных лазеров, ускорителей и накопителей заряженных частиц, рентгенографической аппаратуры и других мощных электрофизических установок.

ОАО «Электровыпрямитель» — единственное в России и одно из немногих предприятий в мире, выпускающих мощные симметричные тиристоры с однополярным и двухполярным управлением, которые весьма эффективны в качестве регуляторов переменного тока промышленной частоты. Они поставляются в стандартных штыревых и таблеточных корпусах, рассчитаны для работы в диапазоне токов от 10 до 1000 А и напряжения до 1400 В.

Разработаны и освоены в производстве оптотиристоры на токи от 20 до 80 А, напряжение до 1600 В в дискретном (штыревом) и модульном исполнениях с внутренней гальванической развязкой между цепью управления и силовыми выводами.

Диодно-тиристорные модули

На предприятии производится большое семейство диодно-тиристорных модулей с изолированным основанием на токи от 40 до 1250 А с рабочим напряжением до 4400 В в шести базовых конструкциях (рис. 2). Модули выполнены в прижимной конструкции с шириной медного основания 20, 34, 50, 60 и 70 мм. Достоинством этих приборов является высокая энерготермоциклостойкость, надежная работа в режиме больших токовых нагрузок и в тяжелых условиях эксплуатации.

Рис. 2. Диодно-тиристорные модули с прижимными контактами
Рис. 2. Диодно-тиристорные модули с прижимными контактами

 Конструкция модулей позволяет реализовать следующие варианты силовых схем с использованием силовых диодов, тиристоров, опто-тиристоров, симисторов, резисторов и других типов силовых полупроводниковых приборов:

  • единичный прибор;
  • два прибора, включенных параллельно;
  • два последовательно (полумост) или встречно (однофазный мост со средней точкой) соединенных прибора;
  • два тиристора, включенных встречно-параллельно (ключ переменного тока);
  • асимметричный тиристор с обратным диодом;
  • снабберные цепи (R-R, R-D, R-C-D) и др.

Силовые модули удобны для потребителей. При использовании охлаждающего устройства, выполненного в виде моноплиты, модульное исполнение силовых полупроводниковых приборов позволяет существенно упростить конструкцию силовой части преобразователя, снизить его массога-баритные параметры, уменьшить затраты на монтаж и обслуживание.

На основе разработанных конструкций на предприятии ведется разработка специализированных модулей с интегрированной в прибор системой охлаждения, предназначенных для мощного сварочного оборудования.

С этого года начат выпуск новой серии диодно-тиристорных модулей (низкочастотных и частотных) с паяными контактами на выходные токи от 40 до 500 А, напряжение до 1600 В, выполненных по схемам однофазных и трехфазных мостов (рис. 3). Они используются во входных и выходных выпрямителях инверторов на основе IGBT, источниках питания, зарядных устройствах и во многих других схемах. Эти компактные и дешевые приборы позволяют существенно снизить габариты и массу устройства, а также материальные затраты в производстве преобразователей широкого назначения мощностью до 250 кВт.

Рис. 3. Диодные однофазные и трехфазные мосты
Рис. 3. Диодные однофазные и трехфазные мосты

 Предприятие выпускает силовые беспотенциальные модули на основе высокочастотных силовых диодов с мягкими характеристиками обратного восстановления (SFRD-модули) на токи от 20 до 800 А, напряжение от 600 до 3300 В, напряжение изоляции от 2500 В до 15 кВ, имеющих конструктивные исполнения и технологию изготовления, аналогичные IGBT силовые модулям (рис. 4). Схемное исполнение данной серии — от одиночных ключей до трехфазных мостов. Особенностью этих приборов являются лавинные характеристики, очень низкие время (до 0,1 мкс) и заряд обратного восстановления, плавное восстановление и способность работать на высоких частотах.

Рис. 4. Быстровосстанавливающиеся диодные модули (SFRD-модули)
Рис. 4. Быстровосстанавливающиеся диодные модули (SFRD-модули)

 Области применения SFRD-модулей: инверторные и снабберные силовые диоды для IGBT, шунтирующие диоды для индуктивных нагрузок (FWD), выходные высокочастотные выпрямители для источников бесперебойного питания, электросварки и пр.

По специальному заказу поставляются высоковольтные диодные модули (рис. 5) на токи до 2 А и напряжение до 50 кВ (аналоги модулей 3HV50, 6HV50 американской фирмы HVCA). Модули имеют оригинальную конструкцию, позволяющую при обдуве корпуса в 2-3 раза увеличить рабочий ток. Приборы предназначены для развязки вспомогательных цепей в высоковольтных источниках питания лазеров, рентгеновского оборудования и др.

Рис. 5. Высоковольтный диодный модуль (URRM = 50 кВ)
Рис. 5. Высоковольтный диодный модуль (URRM = 50 кВ)

 IGBT силовые модули

Одним из главных направлений в ОАО «Электровыпрямитель» является производство наиболее быстро развивающегося класса силовых полупроводниковых приборов (СПП) — силовых модулей на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Освоено серийное производство IGBT силовых модулей на токи от 25 до 3600 А и напряжение до 3300 В, выполненных по схемам одиночных ключей, чопперов и полумостов (рис. 6).

Рис. 6. IGBT-модули с паяными и прижимными контактами
Рис. 6. IGBT силовые модули с паяными и прижимными контактами

 В силовых модулях предусмотрены защитные силовые диоды обратного тока с мягкими характеристиками обратного восстановления. Основная номенклатура этих приборов выпускается в стандартных корпусах и предназначена для статических преобразователей частоты, используемых в различных отраслях промышленности и в коммунальном хозяйстве. Модули являются прямыми или близкими аналогами зарубежных образцов как по параметрам, так и по габаритным и присоединительным размерам, что обеспечивает их хорошую взаимозаменяемость.

Серьезная конкуренция на рынке IGBT силовых модулей, в том числе и в России, заставляет искать новые технические решения, которые позволяют предприятию занимать определенную нишу в данной области. Кроме самых низких цен на подобную продукцию ОАО «Электровыпрямитель» имеет еще одно неоспоримое преимущество — возможность быстро осуществить поставку нестандартных IGBT силовых модулей. Гибкость производственной линии, унифицированная конструкция модулей и высокая квалификация персонала позволили в короткие сроки по индивидуальным заказам потребителей разработать более 20 новых типов IGBT силовых модулей нестандартного исполнения в серийных конструктивах. В их числе высоковольтные модули на напряжение 3300 В в корпусах 34 и 62 мм, модули по измененным электрическим схемам и др. В настоящее время в этих корпусах готовятся к пробной поставке IGBT силовые модули на ток 25 А и напряжение 6500 В.

В течение последних трех лет проведены работы по созданию IGBT силовых модулей для электроподвижного состава. По требованиям РЖД с учетом особенностей российских железных дорог разработаны IGBT силовые модули специального исполнения, предназначенные для эксплуатации в циклических режимах нагрузки, при низких отрицательных температурах, в условиях жестких механических воздействий. Для вспомогательных СПЧ бортового питания электровозов и пассажирских поездов разработаны модули с напряжением изоляции более 15 кВ. Ведутся работы по созданию мощных IGBT силовых модулей на напряжение 6500 В для тягового электропривода магистральных электровозов.

В рамках целевой федеральной программы «Национальная технологическая база» на предприятии проведена разработка базовой технологии производства температуро-стойких сильноточных высоковольтных управляемых ключей на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором на токи до 1400 А и напряжение до 2500 В в герметичных металлокерамических корпусах с прижимной конструкцией. Приборы имеют высокую энерготермоциклоустой-чивость и стойкость к механическим и климатическим воздействиям. Разработанные ключи предназначены для создания высоконадежных преобразовательных устройств мощностью до 100 МВт для топливно-энергетического комплекса (гибких линий электропередач, компенсаторов реактивной мощности, регулируемых приводов переменного тока, активных фильтров и т. п.); транспортных средств городского, пригородного и железнодорожного электротранспорта, большегрузных карьерных самосвалов, подводных и надводных судов и других устройств с повышенными требованиями к надежности.

Охлаждающие устройства и силовые блоки

ОАО «Электровыпрямитель» в течение многих лет разрабатывает и производит высокоэффективные охлаждающие устройства для всех типов выпускаемых силовых полупроводниковых приборов (рис. 7). Поставляются разнообразные охладители с воздушной и жидкостной системами охлаждения для приборов штыревой и таблеточной конструкций с односторонним и двухсторонним способами охлаждения, с системами прижима и контроля усилий сжатия, крепежом, силовыми шинами, изоляционными элементами.

Рис. 7. Серия охладителей с воздушной и жидкостной системами охлаждения
Рис. 7. Серия охладителей с воздушной и жидкостной системами охлаждения

 Из последних разработок следует отметить охладители, предназначенные для силовых полупроводниковых приборов большой мощности, которые позволяют реа-лизовывать проекты по созданию преобразователей мощностью до нескольких мегаватт. Это воздушные охлаждающие системы типа О273 с тепловым сопротивлением 0,035 °С/Вт и жидкостные охладители типа ОМ109 (Rth(ha) = 0,013 °С/Вт).

Для диодно-тиристорных и IGBT силовых модулей разработаны и поставляются охладители — моноплиты типа О55 (аналог охладителя Р3 фирмы Semikron), на которых легко можно собрать различные силовые схемы. Проводится разработка высокоэффективных экс-трузионных алюминиевых охладителей шириной до 600 мм с запрессованными ребрами, имеющими тепловое сопротивление до 0,015 °С/Вт.

Предприятие выпускает серию изоляционных теплопроводящих элементов таблеточной конструкции на основе оксида и нитрида алюминия с низкими внутренними тепловыми сопротивлениями (до 0,07 °С/Вт) и с напряжением изоляции не менее 10 кВ. Они предназначены для развязки силовой схемы, выполненной на таблеточных диодах и тиристорах, с охлаждающим устройством и корпусом преобразователя.

Кроме того, на ОАО «Электровыпрямитель» можно заказать проектирование и изготовление силовых блоков с использованием всей имеющейся на предприятии номенклатуры силовых полупроводниковых приборов и охладителей. Блоки изготавливаются как по стандартным силовым схемам (выпрямители, инверторы, регуляторы переменного тока и др.), так и по техническим требованиям заказчиков.

На рис. 8 представлены примеры силовых блоков, изготовленных по конкретным заказам:

а) трехфазный управляемый выпрямитель (100 кВт);

б) трехфазный регулятор переменного тока (100 и 300 кВт);

в) реверсивный трехфазный управляемый выпрямитель (360 кВт);

г) блок высоковольтного реверсивного моста (1,43 МВт),

д) однофазный регулятор переменного тока (1,5 МВт);

е) трехфазный управляемый мост с жидкостным охлаждением (500 кВт).

 Блоки предназначены для устройств плавного пуска и управления скоростью вращения электродвигателей, для регуляторов температуры и освещенности, для компенсации реактивной мощности, электросварки, индукционного нагрева, гальваники и для источников бесперебойного питания. Особенности силовых блоков: компактная конструкция, небольшая масса, изолированный охладитель, высокая плотность мощности на единицу объема, высокая надежность при работе в тяжелых режимах циклических нагрузок. По требованию заказчиков поставка силовых блоков производится в комплекте с вентиляторами, термодатчиками, драйверами управления, устройствами защиты от перенапряжений, токов перегрузки и коротких замыканий.

Заключение

ОАО «Электровыпрямитель» продолжает работы, направленные на дальнейшее развитие силовой полупроводниковой элементной базы, приведение ее структуры и уровня в соответствие с требованиями современной техники.

В соответствии с программой развития данного направления предприятием в ближайшие 2-3 года должны быть разработаны и освоены в производстве новые перспективные типы полупроводниковых приборов, проведена модернизация производства серийных силовых полупроводниковых приборов с целью дальнейшего повышения их технического уровня и резкого увеличения объемов выпуска.

К новым приборам прежде всего относятся полностью управляемые полупроводниковые ключи — новые высоковольтные биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT, запираемые тиристоры с интегрированным управлением IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor), мощные тиристорные ключи, управляемые светом, комплектные частотные силовые диоды таблеточной конструкции с мягким восстановлением, импульсные ограничители напряжения, полупроводниковые резисторы и др.

Использование в схемах преобразователей быстродействующих полностью управляемых мощных ключей позволит производить преобразование электроэнергии на высоких частотах, снизить общие потери в преобразователях, применить современные «интеллектуальные» системы управления, снизить массу и габариты преобразователей.

Предусматривается также расширение рабочих токов до 10 кА и напряжений до 12 кВ стандартных силовых полупроводниковых приборов — мощных силовых диодов и тиристоров c улучшенными характеристиками и с повышенной эксплуатационной надежностью.

Разрабатываемые в ОАО «Электровыпрямитель» новые приборы являются элементной базой перспективных преобразовательных систем, предназначенных для модернизации всех отраслей отечественной экономики.


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_03_12.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо