Силовая электроника №2'2006

IGBT силовые модули производства ОАО «Электровыпрямитель»

Владимир Аксенов
Алексей Бормотов
Валентин Мартыненко
Вячеслав Мускатиньев
Владимир Чибиркин


Среди широкого ряда изделий силовой электроники, которые выпускает сегодня ОАО «Электровыпрямитель», заметное место занимают силовые модули IGBT. В этом году исполняется 10 лет с тех пор, как предприятие изготовило и поставило потребителям первые образцы этих популярных во всем мире приборов силовой электроники.


Введение

В первую очередь, следует отметить помощь, которую оказали нашему предприятию в развитии производства IGBT силовых модулей немецкие фирмы EUPEC и Infineon Technologies, а также представляющая их на российском рынке компания «Интех Электроникс».

Благодаря сотрудничеству с этими фирмами мы получили доступ к высоким технологиям в области силовой IGBT электроники и возможность производить эти уникальные приборы для российских потребителей.

Успешному освоению этих изделий способствовал многолетний опыт ОАО «Электровыпрямитель» в области силовой полупроводниковой техники, высококвалифицированный персонал, работающий в отделе новых разработок и в полупроводниковом производстве, действующая на заводе международная система менеджмента качества DIN EN ISO 9001:2000 (TÜV CERT).

В ОАО «Электровыпрямитель» разработаны и внедрены в производство IGBT силовые модули на токи от 25 до 3600 А и напряжение 600, 1200, 1700, 2500, 3300 и 6500 В, выполненные по схемам одиночных ключей, чопперов, полумостов и трехфазных инверторов (см. рисунок). Данная серия модулей реализована в десяти конструктивных исполнениях и включает в себя более 200 типов приборов. Они соответствуют требованиям международных стандартов и полностью взаимозаменяемы с зарубежными аналогами, представленными на российском рынке. В таблице (часть 1, часть2, часть 3)представлены основные типы выпускаемых ОАО «Электровыпрямитель» IGBT силовых модулей и их прямые аналоги от известных фирм.

Области применения

Выпускаемые ОАО «Электровыпрямитель» IGBT предназначены для работы в энергосберегающих преобразователях частоты широкого применения в диапазоне коммутируемых мощностей от 0,5 кВт до 10 МВт.

Десятки тысяч силовых модулей IGBT производства ОАО «Электровыпрямитель» работают в различном оборудовании на предприятиях заказчиков. С помощью этих модулей решены многочисленные задачи в промышленности, транспорте, связи.

Наши модули используются в современном медицинском оборудовании, высоковольтных источниках питания и модуляторах напряжения, источниках бесперебойного электроснабжения, электросварочном оборудовании, установках индукционного нагрева, различных видах систем автоматизированного управления. Модули применяются также в источниках питания лазерных установок, рентгеновском оборудовании, устройствах, имитирующих работу двигателей, испытательном оборудовании и др.

Постоянными заказчиками модулей являются свыше 200 предприятий в России и странах СНГ.

IGBT модули нашли широкое применение в энергосберегающих преобразователях частоты для низковольтных асинхронных электроприводов [1].

Преобразователи частоты на основе IGBT широко используются в промышленности (компрессоры, центрифуги, транспортеры, краны, металлообрабатывающие станки, экскаваторы), в нефтегазодобывающих отраслях (плунжерные насосы, вентиляторы, буровое оборудование), в коммунальном хозяйстве (насосы станций теплоснабжения, водоснабжения и очистных сооружений), в железнодорожном транспорте (тяговые электроприводы для электровозов и тепловозов, бортовое питание локомотивов, системы электроснабжения вагонов) и др.

В ОАО «Электровыпрямитель» разработаны и освоены в производстве IGBT модули транспортного исполнения, предназначенные для преобразовательного электрооборудования подвижного состава российских железных дорог. Модули этой серии созданы для применения в условиях жестких климатических и механических воздействий, в которых эксплуатируется российский транспорт.

По заказу ОАО «Российские железные дороги» разработаны новые IGBT модули с напряжением изоляции 13 кВ. В конструкции этих приборов реализованы схемы одиночных ключей, полумостов и чоп-перов. Они используются в высоковольтных блоках многоканальных преобразователей частоты собственного изготовления для бортового питания магистральных электровозов постоянного тока и электропоездов [2]. При создании этих приборов разработаны и запатентованы оригинальные технические решения, которые позволяют выпускать IGBT-модули в стандартных конструкциях с напряжением изоляции до 20 кВ, что значительно превышает мировой уровень (по имеющимся у нас данным, эффективное значение напряжения изоляции, достигнутое зарубежными производителями IGBT модулей, не превышает 10,5 кВ).

Создание подобных силовых модулей решает проблему преобразования напряжения контактной сети 3000 В в стабильное напряжение бортового питания электровозов независимо от всех возможных колебаний и перенапряжений в тяговых сетях. Эта разработка открывает большие возможности для внедрения на отечественном электротранспорте современного, компактного и надежного электрооборудования.

ОАО «Электровыпрямитель» приступило к выпуску высоковольтных преобразователей частоты (ВПЧА) на основе IGBT с выходной мощностью от 500 до 2000 кВт для электроприводов асинхронных двигателей с напряжениями 6,0 и 10,0 кВ [3]. Преобразователи рассчитаны на сравнительно небольшие выходные токи и поэтому не требуют применения высокомощных IGBT. Кроме того, в ШИМ-инверторе этих преобразователей необходимо последовательное соединение нескольких транзисторно-диодных модулей.

Эти особенности новых преобразователей определили необходимость применения специальных полупроводниковых ключей, оптимизированных к силовым схемам ВПЧА. Для них в ОАО «Электровыпрямитель» были выпущены высоковольтные IGBT / SFRD силовые модули на токи от 100 до 400 А и напряжение 3300 В, полностью учитывающие режимы работы ВПЧА.

Достоинством модулей является, во-первых, оптимальное сочетание важнейших параметров приборов (высокое рабочее напряжение, низкие напряжения насыщения, низкие энергии потерь при включении и выключении). При этом приборы имеют очень узкий разброс статических и динамических параметров, что обеспечивает надежную работу последовательно соединенных сборок IGBT в высоковольтных плечах инвертора. Приборы разработаны в стандартных корпусах, имеют низкую себестоимость изготовления и сравнительно низкие цены.

Производство

На предприятии был построен и введен в эксплуатацию специализированный цех по производству современных IGBT, включая приборы последних поколений. Неразрывно связанные процесс разработки IGBT модулей и быстро перестраиваемая гибкая производственная линия позволяют не только выпускать широкую номенклатуру серийных IGBT, но и оперативно изготавливать нестандартные модули по техническим требованиям потребителей. Данные модули производятся в типовых конструктивных исполнениях и могут быть изготовлены с различным сочетанием параметров элементов по разным схемам и расположению силовых и управляющих выводов.

В компании постоянно совершенствуется технологический процесс и конструкция модулей. Эта работа постоянно производится на основе анализа результатов надежностных испытаний, в том числе в циклических режимах, а также на основе опыта эксплуатации и обратной связи с потребителями.

Специалистами ОАО «Электровыпрямитель» разработан ряд новых технологических процессов, обеспечивающих требуемые параметры IGBT модулей. Проведена большая работа по оптимизации конструкции и параметров модулей, разработана технология изготовления этих приборов, включая полное техническое оснащение и подготовку производства. Разработана и внедрена система управления процессами изготовления силовых модулей на основе электрических, тепловых, механических, инфракрасных и рентгеновских методов межоперационного контроля. В производстве IGBT модулей задействовано современное технологическое и контрольно-измерительное оборудование ведущих в этой области зарубежных фирм, таких как Centrotherm, Orthodyne Electronics, Feinfocus, LEMSYS и др.

Техническая поддержка

На весь номенклатурный ряд IGBT силовых модулей разработан полный комплект информационных материалов, рекомендаций по монтажу и эксплуатации, в том числе методы расчета предельных нагрузочных параметров при заданных режимах работы у потребителей. Специалисты службы технической поддержки постоянно оказывают полноценную помощь по всем вопросам, связанным с эксплуатацией IGBT.

В модулях используются элементы IGBT и SFRD новейших поколений (NPT, SPT, Trench Gate). Принятие решения по выбору этих элементов в модулях может производиться индивидуально для каждого конкретного заказа — в зависимости от требований к прибору, предъявляемых потребителем, и с учетом режима, в котором он будет эксплуатироваться.

Мы готовы не только рассчитать режим работы модулей и сделать рекомендации по выбору оптимального типа прибора, но и оказать помощь в выборе драйверов управления, диодных и тиристорных модулей для входных и выходных выпрямителей, подобрать и изготовить высокоэффективные жидкостные или воздушные системы охлаждения. В настоящее время начались поставки заказных силовых блоков на основе IGBT силовых модулей — перспективного направления в развитии продукции на основе IGBT.

Литература

  1. Клоков А., Юнович В. и др. Энергосберегающие преобразователи частоты для низковольтных асинхронных электроприводов производства ОАО «Электровыпрямитель» // Силовая электроника. 2005. № 2.
  2. Суслов В., Живечков А., Арискин О., Шестоперов Г. Новые разработки статических преобразователей для электровозов переменного и постоянного тока // Компоненты и технологии. 2005. № 3.
  3. Чибиркин В., Минаев Г., Мустафа Г. и др. Преобразователи частоты производства ОАО «Электровыпрямитель» для высоковольтного асинхронного электропривода переменного тока // Силовая электроника. 2005. № 1.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_02_54.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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