Новое поколение полупроводниковых преобразователей электрической энергии с изоляционным барьером между выводами управления и выводами для подключения регулируемого напряжения

Евгений Горохов-Мирошников
Евгений Култыгин

Наряду с несомненными преимуществами перед другими силовыми приборами, у оптронов есть и свои минусы:

• временная нестабильность мощности излучения светодиода;
• значительная потребляемая мощность в цепи управления;
• недостаточная надежность при длительном воздействии высоких потенциалов;
• чувствительность параметров управления к воздействию температуры и проникающей радиации;
• конструктивные сложности, связанные с необходимостью объединения в одном приборе нескольких отдельных кристаллов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях.

Все эти недостатки не могли обеспечить надежное управление силовыми приборами, и поэтому авторы разработали в начале 2000 года компактные модули, позволяющие управлять полупроводниковыми преобразователями электрической энергии без использования оптоэлектронных приборов.

В основе наших приборов лежит вариант создания гальванической развязки, выполненной на основе трансформаторного узла и последовательно включенного детектора, которые передают сигнал управления выходному ключу и соответствующим периферийным устройствам.

Разработанная нами гальваническая развязка была запатентована. Изначально она создавалась для использования в преобразователях электропоездов вместо оптоэлектронных приборов, которые не могут обеспечить их надежную работу.

Основные параметры гальванической развязки (температурный диапазон эксплуатации, быстродействие), значительно выше, чем у известных приборов с оптопарой — как отечественных, так и зарубежных. Созданные на основе нашей разработки полупроводниковые модули, не имеющие оптопары, позволяют:

1. повысить надежность преобразователей;
2. отказаться от дорогостоящих высоковольтных оптотиристорных и тиристорных приборов, твердотельных реле, магнитных пускателей;
3. создать компактные высоконадежные устройства, обеспечивающие реверс трехфазных двигателей.

Наша разработка нашла практическое применение в изделиях, обеспечивающих надежную «связь без рисков» между системой управления и силовыми ключами, регулирующими энергию в промышленных силовых линиях.

Мы создали и начали серийно выпускать полупроводниковые модули, способные заменить оптотиристоры и оптореле, используемые в медицинской технике, АСУП, а также для управления электротранспортом.

Наши приборы могут эксплуатироваться в очень жестких климатических условиях: от крайнего севера до тропических широт. Также возможно их применение и в атомной энергетике, в зоне действия мощных потоков ионизирующего излучения.

В ходе работы определились два важных направления:

1. Проектирование и производство специализированных модулей драйверов управления.
2. Производство силовых функционально законченных модулей.

Нашими разработками заинтересовались такие крупные предприятия электротехнической промышленности, как концерн «Энергомера», производящий станции катодной защиты, и Ижевский завод медицинской техники, выпускающий дефибрилляторы для нужд МЧС.

На все изделия разработаны технические условия.
Ниже приведены варианты применения наших приборов для решения различных задач управления устройствами, требующими гальванической развязки между цепями управления и силовой исполнительной частью.

Драйвер управления тиристором ИЛТ1-1-12

Логические изоляторы потенциала типа ИЛТ1-1-12 совместно с диодным распределителем позволяют применить простое техническое решение для управления тиристорами большой мощности. Управление тиристорами осуществляется фазовым регулированием анодного напряжения путем шунтирования цепи «анод–управляющий электрод» выходным высоковольтным транзистором изолятора, работающим в режиме ограничителя тока.

Особенности:

• Длительность формируемого сигнала управления от 10 мкс до ∞.
• Не требуется дополнительный источник питания на выходе.
• Коммутируемое напряжение от 2 до 1200 В при du/dt до 2500 В/мкс.
• Средний коммутируемый ток до 1 А.
• Режим «КЗ» в течение 40 мкс при Uкз до 1200 В, после чего транзистор выключается. В аварийном режиме, при протекании силового тока через выходной транзистор изолятора, он останется целым.
• Напряжение питания входной секции 5–32 В при потребляемом токе до 15 мА.
• Изоляция от 4 кВ переменного напряжения.
• Температурный интервал эксплуатации от –50 до +125 °С при нестабильном входном напряжении питания изолятора.

Ограничения:

• Отпирающий ток управления и ток удержания тиристоров не более 800 мА.
• Класс тиристоров по напряжению (не более 12) определяется пробивным напряжением ограничительного диода на выходе изолятора.

Преимущества:

ИЛТ1-1-12, как изделия нового типа, являются хорошей перспективой для дальнейших разработок и обеспечивают:

• простоту использования;
• компактность монтажа;
• сокращение потерь силовой части;
• встроенные функции защиты;
• экономию электропитания;
• надежность системы в целом.

Схемы тиристорных преобразователей

Схема управления тиристором с помощью изолятора ИЛТ показана на рис. 1.

При подаче на вход вывода 2 логического нуля, то есть при включении управляющего транзистора VT2, выходной высоковольтный транзистор изолятора переходит в состояние высокой проводимости или режим импульсного ограничителя тока на уровне около 1 А. При этом ток протекает через нагрузку и управляющий электрод тиристора. При превышении отпирающего тока управляющего электрода тиристора и тока удержания происходит включение тиристора.

Если тиристор закроется при смене полярности напряжения на аноде, на аноде вновь появится положительное напряжение, а на выводе 2 будет сохранен логический ноль, то тиристор опять включится, как только его анодное напряжение превысит 1,5–2 В.

Скорость нарастания тока управления (di_G/dt), формируемого ИЛТ при напряжении на тиристоре U_ак = 100 В, — не менее 1,5 А/мкс. Допускается управление тиристорами любой мощности с отпирающими токами управления до 1 А при частоте сети до 1000 Гц. Максимальное значение амплитуды U_ак до 1200 В при (du/dt)_crit до 2500 В/мкс.

Для снижения влияния выходной емкости транзистора изолятора (около 20 пФ) на помехозащищенность тиристоров (что особенно важно в реверсивных схемах) управляющие электроды тиристоров шунтируются емкостью 0,1 мкФ × 16 В.

Высокая коммутационная устойчивость изолятора снижает требования к демпфирующим RC-цепям и другим элементам, ограничивающим коммутационные помехи (du/dt) тиристорного преобразователя.

К дополнительным преимуществам тиристорных выпрямителей относится невозможность подачи сигнала управления на тиристор, к которому приложено обратное напряжение (рис. 3–7).

Прямое напряжение с амплитудой более 2 В, установившееся на открытом тиристоре, вызывает протекание греющего тока через открытый выходной транзистор изолятора. Если он остается включенным длительное время, то может со временем разогреться. Для исключения отказа изолятора вследствие дрейфа тока через выходной транзистор предусмотрен режим «ограничения среднего тока». Этот режим включается при напряжении питания входной секции изолятора не менее 8 В.

При повышении напряжения на выводах 4 и 5 более 8 В и при включенном состоянии выходного транзистора более 40 мкс срабатывает логическая защита от перегрузок по току. Это предохраняет транзистор от пробоя даже в режиме короткого замыкания при напряжении на транзисторе до 1200 В. Сброс защиты от перегрузки на высоком напряжении происходит при смене логического уровня на входе изолятора.

Примером использования изолятора ИЛТ в качестве драйвера тиристора является работа регулируемого тиристорного выпрямителя для станции катодной защиты (рис. 8). Изоляторы ИЛТ управляют как входным тиристорным ключом в режиме «включено-выключено», так и выходным выпрямителем на тиристорных модулях в режиме фазового регулирования. Мощность станции катодной защиты составляет 4 кВт. Ее работоспособность лежит в диапазоне температур от –50 до +100 °С.

В результате внедрения в схему тиристорного выпрямителя изолятора ИЛТ повысилась надежность запуска тиристоров при низких температурах и упростилась схема станции. Удалось избавиться от модуляторов с импульсными трансформаторами, стабилизаторов тока управления, схемы распределения импульсов тока управления тиристорами. Появилась возможность снизить мощность трансформатора питания для схемы управления на 20 Вт.

При управлении выпрямителем станции катодной защиты с тиристорами на ток до 250 А средняя рассеиваемая мощность выходного транзистора изолятора ИЛТ не превышала 300 мВт.

Потребляемая мощность по питанию входной секции составляет от 100 до 300 мВт. Следовательно, для питания входной секции можно использовать любой источник постоянного тока напряжением от 5 до 32 В, например, источник +12 В (рис. 9) или –12 В (рис. 10).

Как было показано выше, сдерживающим фактором применения ИЛТ в высоковольтных цепях является ограничение по амплитуде перенапряжений регулируемой сети, которое определяется напряжением пробоя встроенного ограничительного диода. Схема дополнительной защиты приведена на рис. 11.

Недостатком данной схемы является то, что введение дополнительного резистора R_огр увеличивает порог отпирания тиристора на несколько вольт.

Изолятор ИЛТ1-1-12 предназначен для тиристорных схем с фазовым регулированием. Для применения в тиристорных схемах с управлением, основанным на моменте перехода напряжения сети через ноль, разработан логический изолятор ИЛТ2-1-12, имеющий аналогичные характеристики.

Технические характеристики логического изолятора ИЛТ удовлетворяют всем требованиям для его применения в фазовом управлении силовыми тиристорами, работающими с амплитудой анодного напряжения от 2 до 1200 В и отпирающим током управляющего до 800 мА с высокой точностью при любых углах регулирования.

Изолированный модуль запуска тиристоров ИМЗ 4 (драйвер тиристора)

Основные технические данные и характеристики

Модуль предназначен для формирования импульсов управления для тиристоров (симисторов) с отпирающим током управления до 350 мА и напряжением на управляющем электроде до 5 В.

Особенностями модуля являются:

• Наличие гальванической развязки между входной и выходной секциями модуля с низким значением проходной емкости.
• Один изолированный канал управления.
• Отсутствие в модуле оптоэлектронных компонентов.
• Высокая электромагнитная и коммутационная устойчивость.
• Корпус модуля, выполненный из прочного, термостойкого электроизоляционного материала.

Интегрированные в модуль активный токовый ограничитель А/D (на входе) и преобразователь формы D/A (на выходе) обеспечивают идентичность характеристик и стабильное управление за счет запатентованного способа преобразования сигнала (рис. 12).

Область применения модулей — управление тиристорами большой мощности.

Включение тиристора VS обеспечивается подачей логического нуля на вывод 2 (соединение выводов 2 и 3).

Графические зависимости и осциллограммы тока при напряжении питания U_in = 15 В приведены на рис. 13–17.