Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 4’2009<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
ненную схемами упра<strong>в</strong>ления, и был <strong>в</strong>ыполнен<br />
<strong>в</strong> миниатюрных герметичных толстопленочных<br />
модулях. Практически это была пер<strong>в</strong>ая<br />
законченная схема импульсного источника<br />
<strong>в</strong>торичного электропитания (ИВЭ) без моточных<br />
элементо<strong>в</strong>.<br />
Начальный этап раз<strong>в</strong>ития интеллектуальных<br />
сило<strong>в</strong>ых компоненто<strong>в</strong> усло<strong>в</strong>но за<strong>в</strong>ершился к<br />
середине 1990-х. Как уже упоминалось, чрезмерный<br />
оптимизм относительно быстрого роста<br />
рынка сбыта этих приборо<strong>в</strong> не опра<strong>в</strong>дался.<br />
Причины этого, по нашему мнению, кроются<br />
<strong>в</strong> следующем:<br />
• неподгото<strong>в</strong>ленность широкого круга специалисто<strong>в</strong><br />
и потребителей к <strong>в</strong>осприятию но<strong>в</strong>ых<br />
идей и продукто<strong>в</strong>, а гла<strong>в</strong>ное — к их применению<br />
(пришлось бы отказаться от наработанных<br />
годами схемно-конструкти<strong>в</strong>ных<br />
решений и гото<strong>в</strong>ых СУ);<br />
• сра<strong>в</strong>нительно не<strong>в</strong>ысокий, по со<strong>в</strong>ременным<br />
<strong>в</strong>оззрениям, уро<strong>в</strong>ень параметро<strong>в</strong> мощных<br />
сило<strong>в</strong>ых ключей с преобладанием <strong>в</strong> их массе<br />
биполярных транзисторо<strong>в</strong>;<br />
• гораздо более <strong>в</strong>ысокие цены на Smart Power,<br />
как на более сложные изделия (зачастую заказные).<br />
В техническом аспекте отметим, что <strong>в</strong> то <strong>в</strong>ремя<br />
уро<strong>в</strong>ень интеграции микросхем и микроузло<strong>в</strong><br />
(РЭА) еще не достиг <strong>в</strong>ысокого уро<strong>в</strong>ня.<br />
В самом деле, <strong>в</strong> <strong>в</strong>ычислительной технике были<br />
еще широко распространены микропроцессоры<br />
пер<strong>в</strong>ого поколения iN86AT (i286AT, i386AT,<br />
i486AT) с рабочими частотами 16–120 МГц<br />
и операти<strong>в</strong>ной памятью 1–16 Мбайт. Пер<strong>в</strong>ые<br />
микропроцессоры iPentium с но<strong>в</strong>ой структурой<br />
<strong>в</strong>ычислений кон<strong>в</strong>ейерного типа (iPentium 66<br />
и iPentium 75) только начали поя<strong>в</strong>ляться <strong>в</strong> 1990-х.<br />
В аналого<strong>в</strong>ой технике дело не прод<strong>в</strong>инулось<br />
дальше создания сд<strong>в</strong>оенных и счет<strong>в</strong>еренных<br />
операционных усилителей (ОУ), компараторо<strong>в</strong>,<br />
таймеро<strong>в</strong>. В дополнение ко <strong>в</strong>сему а<strong>в</strong>торы<br />
придержи<strong>в</strong>аются мнения, что раз<strong>в</strong>итию этого<br />
напра<strong>в</strong>ления микроэлектроники препятст<strong>в</strong>о<strong>в</strong>али<br />
произ<strong>в</strong>одители «рассыпных» компоненто<strong>в</strong>:<br />
транзисторо<strong>в</strong>, диодо<strong>в</strong>, микросхем и т. п.,<br />
опасаясь уменьшения объемо<strong>в</strong> налаженного<br />
произ<strong>в</strong>одст<strong>в</strong>а, потерь прибыли, к тому <strong>в</strong>ремени<br />
немалой. Таким образом, устройст<strong>в</strong>а Smart<br />
power несколько обогнали с<strong>в</strong>ое <strong>в</strong>ремя, но их<br />
разработка и применение заложили осно<strong>в</strong>у<br />
дальнейшего раз<strong>в</strong>ития интегриро<strong>в</strong>анных сило<strong>в</strong>ых<br />
компоненто<strong>в</strong>.<br />
На следующем этапе, то есть к середине<br />
1990-х годо<strong>в</strong>, зарубежные фирмы параллельно<br />
с интеллектуальными сило<strong>в</strong>ыми микросхемами<br />
стали созда<strong>в</strong>ать модели «самозащищенных»<br />
интеллектуальных сило<strong>в</strong>ых ключей.<br />
Такие ключи, также назы<strong>в</strong>аемые IPS (Integrating<br />
Power Switches), созда<strong>в</strong>ались на более со<strong>в</strong>ершенных<br />
мощных и надежных MOSFET, а не на<br />
биполярных транзисторах. К их числу относятся<br />
низко<strong>в</strong>ольтные (50–70 В) IPS: так назы<strong>в</strong>аемые<br />
TOPFET (Temperature and Overload<br />
Protection), PROFET (PROtected) и другие.<br />
В них <strong>в</strong> сило<strong>в</strong>ой MOSFET-ключ был <strong>в</strong>строен<br />
узел защиты от различных перегрузок: токо<strong>в</strong>ое<br />
ограничение сило<strong>в</strong>ого <strong>в</strong>ыхода и защита от КЗ,<br />
защита от перегре<strong>в</strong>а, а также защита от перенапряжений<br />
и КЗ по цепи питания упра<strong>в</strong>ления.<br />
www.power-e.ru<br />
Кроме того, могли быть <strong>в</strong>строены функции<br />
диагностики разры<strong>в</strong>а цепи нагрузки, быстрого<br />
размагничи<strong>в</strong>ания сердечника индукти<strong>в</strong>ной нагрузки<br />
(например, трансформатора). В качест<strong>в</strong>е<br />
примеро<strong>в</strong> можно при<strong>в</strong>ести следующие низко<strong>в</strong>ольтные<br />
IPS: VNP20N07 (STMicroelectronics),<br />
BUK106-50L (Philips), BTS442E2 (Infineon/<br />
Siemens) [5]. Наиболее широко они стали применяться<br />
<strong>в</strong> а<strong>в</strong>томобильной электронике и для<br />
упра<strong>в</strong>ления различными электромеханическими<br />
устройст<strong>в</strong>ами (электрод<strong>в</strong>игатели, соленоиды,<br />
заслонки).<br />
В то же <strong>в</strong>ремя <strong>в</strong>едущие фирмы сило<strong>в</strong>ой<br />
электроники Siemens, Motorola, International<br />
Rectifier и другие начинают <strong>в</strong> большом объеме<br />
произ<strong>в</strong>одить сило<strong>в</strong>ые модули на осно<strong>в</strong>е<br />
MOSFET- и IGBT-транзисторо<strong>в</strong>. Сило<strong>в</strong>ые<br />
модули разделяются на стандартные и интеллектуальные<br />
(интегриро<strong>в</strong>анные) — Integrating<br />
Power Switches (IPM). В статье [6] предложено<br />
определение IPM: устройст<strong>в</strong>о <strong>в</strong>ысокой<br />
степени интеграции, объединяющее <strong>в</strong> одном<br />
корпусе или на одном кристалле сило<strong>в</strong>ой каскад<br />
и схему упра<strong>в</strong>ления зат<strong>в</strong>орами. Модули<br />
предста<strong>в</strong>ляли собой комбинацию (полумосты<br />
и мосты, одно- и трехфазные) только мощных<br />
<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных MOSFET (500B) <strong>в</strong>месте с сило<strong>в</strong>ыми<br />
диодами (антипараллельными), произ<strong>в</strong>одст<strong>в</strong>о<br />
которых уже было хорошо ос<strong>в</strong>оено.<br />
Аналогично поя<strong>в</strong>ляются сборки но<strong>в</strong>ого<br />
класса сило<strong>в</strong>ых полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ых приборо<strong>в</strong><br />
— биполярных транзисторо<strong>в</strong> с изолиро<strong>в</strong>анным<br />
зат<strong>в</strong>ором IGBT (Insulated Gate Bipolar<br />
Transistor) на напряжение 600–1200 B. Модули<br />
<strong>в</strong>ыполнялись <strong>в</strong> специальных корпусах, <strong>в</strong> которых<br />
<strong>в</strong>се <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>оды электрически изолиро<strong>в</strong>аны<br />
от металлического корпуса (осно<strong>в</strong>ания).<br />
Фирма Power Integrations (PI) <strong>в</strong> раз<strong>в</strong>итие идей<br />
IPS и интеллектуальных сило<strong>в</strong>ых микросхем (но<br />
уже с <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтным ключом) предложила но<strong>в</strong>ые<br />
продукты для AC/DC-преобразо<strong>в</strong>ателей. Это<br />
были IPS средней «<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтности» (700 В),<br />
<strong>в</strong> частности, различные модификации так назы<strong>в</strong>аемых<br />
TOP Switches [7]. По с<strong>в</strong>оей структуре<br />
они предста<strong>в</strong>ляют комбинацию MOSFET, интегриро<strong>в</strong>анного<br />
<strong>в</strong> одном SIPMOS-чипе с несложным<br />
ШИМ-контроллером. Также имеется<br />
схема защиты от токо<strong>в</strong>ых перегрузок, перегре<strong>в</strong>а<br />
и перенапряжения на <strong>в</strong>ыходе. Пер<strong>в</strong>ое поколение<br />
семейст<strong>в</strong>а импульсных преобразо<strong>в</strong>ателейстабилизаторо<strong>в</strong><br />
TOPSwitches-204–214 было<br />
<strong>в</strong>ыполнено <strong>в</strong> стандартных транзисторных<br />
корпусах ТО-220 и рассчитано на создание<br />
импульсных ИВЭ на осно<strong>в</strong>е обратноходо<strong>в</strong>ых<br />
преобразо<strong>в</strong>ателей. Рабочая частота 90–110 кГц.<br />
Выходная мощность 10–100 Вт (при <strong>в</strong>ходном<br />
сете<strong>в</strong>ом напряжении 176–264 В, 50(60) Гц).<br />
Модели чет<strong>в</strong>ертого поколения семейст<strong>в</strong>а TOP<br />
Switches-GX (TOP242–250) при частоте преобразо<strong>в</strong>ания<br />
100–130 кГц поз<strong>в</strong>олили реализо<strong>в</strong>ать <strong>в</strong>ыходную<br />
мощность ИВЭ уже от 10 до 260 Вт (при<br />
тех же усло<strong>в</strong>иях).<br />
Обзор со<strong>в</strong>ременного<br />
состояния интегриро<strong>в</strong>анных<br />
сило<strong>в</strong>ых компоненто<strong>в</strong><br />
Российский рынок сило<strong>в</strong>ых компоненто<strong>в</strong><br />
<strong>в</strong> осно<strong>в</strong>ном заполнен продукцией импортного<br />
произ<strong>в</strong>одст<strong>в</strong>а. В работе [8] <strong>в</strong> этом аспекте<br />
для сило<strong>в</strong>ых модулей при<strong>в</strong>одится показатель<br />
95%, хотя при этом сущест<strong>в</strong>уют и российские<br />
аналоги. Поэтому при изложении материала<br />
а<strong>в</strong>торы <strong>в</strong>ынуждены больше опираться<br />
на достижения <strong>в</strong>едущих зарубежных фирм<br />
<strong>в</strong> указанной области, хотя и отечест<strong>в</strong>енным<br />
успехам будет спра<strong>в</strong>едли<strong>в</strong>о уделено <strong>в</strong>нимание.<br />
Пред<strong>в</strong>арительно укажем, что на со<strong>в</strong>ременном<br />
этапе многие фирмы значительно усо<strong>в</strong>ершенст<strong>в</strong>о<strong>в</strong>али<br />
технологию изгото<strong>в</strong>ления (HEXFET,<br />
CoolMOS, TrenchMOS, HiPerFET) мощных <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных<br />
(≥500–1200 В) MOSFET и технологии<br />
(SPT, WARP, …) IGBT на напряжения<br />
600, 1200, 1700 В, что поз<strong>в</strong>олило улучшить<br />
их сило<strong>в</strong>ые параметры. Кроме того, удалось<br />
добиться серьезных успехо<strong>в</strong> и <strong>в</strong> улучшении<br />
параметро<strong>в</strong> быстродейст<strong>в</strong>ующих диодо<strong>в</strong>. Все<br />
это также способст<strong>в</strong>о<strong>в</strong>ало успехам <strong>в</strong> раз<strong>в</strong>итии<br />
сило<strong>в</strong>ых модулей, <strong>в</strong> том числе и интеллектуальных.<br />
Интегриро<strong>в</strong>анные сило<strong>в</strong>ые модули<br />
В настоящее <strong>в</strong>ремя объемы <strong>в</strong>ыпуска интегриро<strong>в</strong>анных<br />
сило<strong>в</strong>ых модулей (IPM) непреры<strong>в</strong>но<br />
растут, постоянно расширяются их области<br />
применения:<br />
• пер<strong>в</strong>ичные системы и источники электропитания<br />
(<strong>в</strong>етроэлектроэнергетика, солнечная<br />
электроэнергетика);<br />
• <strong>в</strong>торичные системы и источники электропитания,<br />
<strong>в</strong> том числе системы и источники<br />
гарантиро<strong>в</strong>анного и бесперебойного питания;<br />
• смешанные (гибридные) системы электропитания<br />
(на осно<strong>в</strong>е угле<strong>в</strong>одородных и биотопли<strong>в</strong>ных<br />
элементо<strong>в</strong>);<br />
• железнодорожный и городской рельсо<strong>в</strong>ый<br />
транспорт;<br />
• промышленное оборудо<strong>в</strong>ание (обрабаты<strong>в</strong>ающие<br />
центры, металлургическое электрооборудо<strong>в</strong>ание<br />
и т. д.);<br />
• с<strong>в</strong>арочные агрегаты;<br />
• <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтные модуляторы, рентгено<strong>в</strong>ские<br />
аппараты и лазеры;<br />
• изделия оборонной техники и др.<br />
Конкретные технические реализации аппаратуры<br />
на осно<strong>в</strong>е IPM:<br />
• устройст<strong>в</strong>а регулиро<strong>в</strong>ания электропри<strong>в</strong>ода<br />
постоянного и переменного тока;<br />
• ин<strong>в</strong>ерторы, преобразо<strong>в</strong>атели энергии;<br />
• коммутационная и защитная аппаратура.<br />
В IPM используются следующие полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ые<br />
структуры:<br />
• диодно-тиристорные, <strong>в</strong> том числе с запираемыми<br />
тиристорами (IGCT);<br />
• MOSFET: чопперы, полумосты и мосты<br />
с антипараллельными диодами <strong>в</strong> ключах;<br />
• IGBT: чопперы, полумосты, одно- и трехфазные<br />
(6 IGBT) мосты (с антипараллельными<br />
диодами <strong>в</strong> ключах);<br />
• комбинация <strong>в</strong>ыпрямительного диодного<br />
моста с ин<strong>в</strong>ертором <strong>в</strong> одно- и трехфазном<br />
(6 IGBT) исполнении с доба<strong>в</strong>лением «тормозного»<br />
ключа (7-й IGBT);<br />
• более интегриро<strong>в</strong>анные MOSFET- и IGBTструктуры<br />
со <strong>в</strong>страи<strong>в</strong>анием сило<strong>в</strong>ых упра<strong>в</strong>ляющих<br />
драй<strong>в</strong>еро<strong>в</strong>.<br />
7
Change language