Мощные тиристоры с прямым управлением светом и лазерные волоконно-оптические модули управления для высоковольтных применений

Введение

Одним из перспективных направлений развития элементной базы силовой электроники является создание высоковольтных тиристорных ключей, управляемых квантами света. Приборы такого типа, названные в соответствии с российскими стандартами фототиристорами, характеризуются целым рядом преимуществ по сравнению с тиристорами, управляемыми импульсами тока. Среди достоинств рассматриваемых устройств следует прежде всего отметить следующие: высоковольтная гальваническая развязка между цепью управления и силовой схемой преобразователя; стойкость к электромагнитным помехам, которые могут приводить к ложным включениям (особенно в системах, где неизбежны длинные кабели управления); точный временной контроль включения группы приборов; существенное упрощение системы запуска; сокращение количества элементов в схеме; простота и безопасность обслуживания устройства; большие интервалы между профилактическими работами и др.

Фототиристоры успешно используются в высоковольтных применениях, где требуется последовательное соединение тиристоров. Типичным примером являются линии передачи и вставки постоянного тока, статические компенсаторы реактивной мощности, преобразователи и устройства плавного пуска для высоковольтных электроприводов. Применение высоковольтных тиристоров с непосредственным световым управлением и интеграцией защиты от перенапряжений, а также использование оптоволоконных кабелей для распределения сигналов управления повышает надежность системы, снижает стоимость и размер преобразовательного оборудования, сокращает эксплуатационные расходы.

В последнее время наметилась хорошая перспектива применения высоковольтных фототиристоров в устройствах коммутации сверхбольших токов субмиллисекундной длительности для альтернативной энергетики (средства электропитания в установках термоядерного синтеза), в ускорителях элементарных частиц, разнообразных электрофизических устройствах для получения интенсивных электрических и магнитных полей, генерации ударных волн в жидкостях, в исследованиях электрической прочности диэлектриков и сред и т. д.

Фототиристоры

ОАО «Электровыпрямитель» совместно с ФГУП ВЭИ разработало и освоило производство двух видов высоковольтных фототиристоров, один из которых может использоваться для работы в электрических сетях с частотой 50 или 60 Гц, а другой — для импульсных применений. Тиристоры имеют одинаковую конструкцию корпуса и отличаются только топологией кремниевых структур. Кроме этого, имеются отличия в оптических драйверах управления ВОМ, обусловленные различиями в режимах работы приборов в конкретных схемах применения.

Внешний вид фототиристора 193-й серии с диаметром кремниевой структуры 4″ представлен на рис. 1. Здесь же показан оптический адаптер, соединяющий фотоокно тиристора через оптоволоконный кабель и ST-разъем с лазерным волоконно-оптическим модулем.

Рис. 1. Внешний вид фототиристора ТФ193-2500

В таблице 1 указаны основные параметры высоковольтных сетевых (phase control) фототиристоров, предназначенных для работы на частоте 50 Гц (60 Гц).

Важным в разработке этих приборов было достижение блокирующих напряжений, близ-ких к расчетным значениям. С этой целью использовался радиационно-легированный кремний с малым разбросом удельного сопротивления; разработана технология получения однородных диффузионных слоев и высоких времен жизни неосновных носителей заряда в базовых областях фототиристоров; про-ведено моделирование электрических полей на поверхности мезаструктур, и на этой основе реализован на практике оптимальный крае-вой контур для высоковольтных тиристоров с максимальным напряжением 8–9 кВ.

Блокирующие вольт-амперные характеристики высоковольтного фототиристора с повторяющим напряжением 7,4 кВ c краевым контуром типа НЛХ [1] представлены на рис. 2. Измерения были проведены на переменном токе с частотой 50 Гц при комнатной температуре. Здесь же показаны расчетные ВАХ в прямом и обратном направлениях. Видно, что экспериментальные ВАХ достаточно близки к расчетным. Наблюдаемые не-большие петли на экспериментальных ВАХ объясняются емкостными токами при нарастании блокирующего напряжения и поверхностными состояниями.

Рис. 2. Расчетные и экспериментальные блокирующие вольтамперные характеристики

Типичная зависимость токов утечки и обратных токов фототиристора ТФ183-2000 от температуры изображена на рис. 3.

Рис. 3. Типичная температурная зависимость токов утечки обратных токов фототиристора ТФ183-2000

Процесс включения фототиристора характеризуется малыми временами включения, что было достигнуто выбранной топологией фоточувствительной области [1]. Исследования процесса показали, что времена задержки включения фототиристоров и их разброс сильно зависят от оптической мощности управления и анодного напряжения (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость времени задержки включения фототиристоров ТФ183-2000:
а) от оптической мощности управления;
б) от анодного напряжения

Представленные на рис. 3 и 4 зависимости могут быть полезными для расчета цепей управления и защиты при последовательном соединении в силовом блоке нескольких приборов. Для надежной работы тиристоров в сборках с последовательным соединением важным также является уменьшение разброса заряда обратного восстановления QRR. Это достигается с помощью доводочного облучения тиристорных структур ускоренными электронами с энергией до 9 МэВ на электронном ускорителе, который входит в состав технологической линии производства высоковольтных тиристоров и фототиристоров ОАО «Электровыпрямитель».

На рис. 5 показаны осциллограммы тока при обратном восстановлении группы фототиристоров ТФ183-2000 в количестве 8 шт. до (рис. 5а) и после (рис. 5б) доводочного облучения электронами.

Рис. 5. Токи через фототиристоры ТФ183-2000 (8 шт.) при обратном восстановлении:
а) до доводочного облучения;
б) после доводочного облучения

На основе фототиристоров ТФ193-2500 разработан унифицированный модуль тиристорного ключа, который планируется использовать в качестве базового элемента преобразователей для электроэнергетики. В частности, он предназначен для работы в составе вентилей высоковольтных преобразователей для вставок постоянного тока. Внешний вид модуля тиристорного ключа представлен на рис. 6.

Рис. 6. Опытный образец модуля тиристорного ключа на основе фототиристоров ТФ193-2500

Вторым направлением развития тиристоров с прямым управлением светом является разработка импульсных фототиристоров [2, 3]. Импульсные фототиристоры — одни из перспективных твердотельных ключей для коммутации сверхбольших мощностей в микросекундном и субмиллисекундном диапазонах. В таблице 2 представлены основные параметры высоковольтных импульсных фототиристоров, предназначенных для коммутации повторяющихся импульсов тока I_TRM.

Ключи на основе импульсных фототиристоров находят применение в аппаратуре для создания сверхмощных электромагнитных полей, для питания мощных лазеров и в других схемах импульсной энергетики. На базе импульсных фототиристоров ТФИ193-2500 разработана серия блоков коммутаторов, предназначенных для емкостных накопителей энергии на импульсные токи амплитудой 100 кА и напряжение 12 кВ.

На рис. 7 представлен нереверсивный блок БК6ТФИ, который состоит из шести фототиристоров ТФИ193-2500-42, соединенных последовательно, плат управления и контроля состояния каждого фототиристора, снабберных цепей, драйвера одновременного запуска фототиристоров по оптоволоконному кабелю и стяжного приспособления на необходимое усилие сжатия.

Рис. 7. Блок коммутатора БК6ТФИ-100000-12,0 на основе импульсных фототиристоров ТФИ193-2500

Также разработан реверсивный блок БК12ТФИ-100000-12,0, состоящий из двенадцати фототиристоров ТФИ193-2500-42, соединенных последовательно в две группы по схеме полумоста со средним силовым выводом.

Оптические драйверы управления

Включение фототиристора производится импульсом света ИК-диапазона с длиной волны 900–980 нм. Управляющий импульс передается к светочувствительной области кремниевой структуры тиристора от полупроводникового инжекционного лазерного диода (ЛД) через фотоокно и оптический адаптер по оптоволоконному кабелю. Длина кабеля составляет от 0,5 до 30 м, но может быть и больше, исходя из требований потребителей.

На основе ЛД разработан лазерный волоконно-оптический модуль ИЛ-1М (рис. 8), предназначенный, в основном, для импульсного применения, и его модификация ИЛ-1М1 для универсального применения (импульсный режим плюс режим работы на частотах 50, 60 и 6000 Гц).

Рис. 8. Внешний вид лазерного волоконно оптического модуля ИЛ-1М

На рис. 9 приведена электрическая блок-схема универсального лазерного драйвера ИЛ-1M1. Эти модули представляют собой законченные изделия, в состав которых входят: ЛД; фотодиод; печатная плата формирователя импульса запуска c блоком обработки сигналов диагностики; источники питающего напряжения; входной разъем, на который выведены сигналы запуска и питания; выходной оптический разъем типа ST. Контроль работоспособности ЛД в процессе работы ВОМ осуществляется по двум выводам телеметрии. На корпусе модуля могут быть установлены два индикаторных светодиода, сигнализирующих о нормальной работе модуля и отклонении выходной оптической мощности от минимально и максимально допустимых значений. Имеется также возможность регулировки подстроечным резистором выходной мощности оптического излучения.

Рис. 9. Электрическая блок-схема универсального лазерного драйвера ИЛ-1M1

Импульсы входного сигнала необходимой длительности (10–400 мкс) с уровнями КМОП-логики подаются на вход драйвера управления MOSFET. Драйвер предназначен для преобразования уровня КМОП в уровень, необходимый для управления затвором транзистора. Когда транзистор включается, через ЛД протекает ток, ограниченный резистором R1. Лазерное излучение вводится в оптоволокно, часть его попадает в фотоприемник обратной связи и используется для диагностики. Компараторы диагностики распознают минимальный и максимальный уровни мощности излучения. Резистором R2 производится масштабирование, а выходные триггеры запоминают состояние уровня мощности прошедшего импульса. Таким образом, получаются два сигнала, и по состояниям лог. «0» или лог. «1» можно судить о величине мощности излучения: PL > Pmin, PL > Pmax.

В процессе длительной работы лазерных диодов со временем из-за старения может происходить уменьшение выходной мощности излучения. Введение такой диагностики позволяет системе управления обнаружить старение лазерного диода и дать команду на включение дублирующего драйвера, не прерывая работу силового преобразователя. Основные параметры драйверов управления приведены в таблице 3.

Оптический драйвер ИЛ-1М предназначен, в основном, для импульсного применения и, в отличие от ИЛ-1M1, имеет меньшие габариты, что позволяет легко строить многоканальные системы управления для высоковольтных сборок с последовательно соединенными фототиристорами. Для примера на рис. 10 показан шестиканальный оптический драйвер управления на базе модулей ИЛ-1M для коммутатора БК6ТФИ-100000-12,0, состоящего из шести последовательно включенных фототиристоров ТФИ193-2500.Применение более мощного лазерного диода в драйвере ИЛ-1М1 позволило увеличить длительность импульсов управления до 400 мкс и частоту следования до 6000 Гц, благодаря чему стало возможным использование оптических драйверов для управления фототиристорами в преобразователях линий передачи и вставок постоянного тока, компенсаторах реактивной мощности, импульсных коммутаторах, требующих длинных импульсов управления, и пр.

Рис. 10. Шестиканальная плата оптического драйвера для коммутатора импульсов тока субмиллисекундного диапазона

Дальнейшим шагом развития конструкции оптического драйвера является переход на автоматический контроль выходной мощности (APC), что позволит расширить диапазон рабочих температур от –40 до +70 °С и увеличить ресурс работы лазерного диода. Применение гибридных технологий позволит значительно уменьшить габариты драйвера (до 40×25×10 мм).