Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 4’2009<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
мации (на телеэкране) было продемонстриро<strong>в</strong>ано<br />
экологически чистое, целиком работающее<br />
на солнечных батареях малое над<strong>в</strong>одное<br />
судно <strong>в</strong>месте с пассажирами. США, Германия,<br />
Великобритания, Япония и другие страны приняли<br />
программы по ускоренному раз<strong>в</strong>итию<br />
и массо<strong>в</strong>ому <strong>в</strong>недрению экологически чистых<br />
источнико<strong>в</strong> энергии, <strong>в</strong> том числе на солнечных<br />
батареях и с использо<strong>в</strong>анием силы <strong>в</strong>етра.<br />
В настоящее <strong>в</strong>ремя <strong>в</strong> Японии и Германии целые<br />
жилые дома используют <strong>в</strong> качест<strong>в</strong>е единст<strong>в</strong>енного<br />
источника энергии только солнечные<br />
батареи и панели. Ветроэлектростанции и <strong>в</strong>етроэлектрогенераторы<br />
широко используются<br />
<strong>в</strong> Германии, Ш<strong>в</strong>еции, Нор<strong>в</strong>егии и других странах.<br />
Естест<strong>в</strong>енно, что <strong>в</strong> целях экономичности<br />
и надежности <strong>в</strong> них <strong>в</strong> различных сочетаниях<br />
широко используются интегриро<strong>в</strong>анные сило<strong>в</strong>ые<br />
модули.<br />
О применении IPM<br />
<strong>в</strong> аппаратуре <strong>в</strong>оенного назначения<br />
Из<strong>в</strong>естно, что уже с начала 2000 г. решением<br />
ВПК и затем Министерст<strong>в</strong>а обороны РФ было<br />
разрешено применение импортных компоненто<strong>в</strong><br />
<strong>в</strong> аппаратуре <strong>в</strong>оенного назначения. Это<br />
было сделано из-за отсутст<strong>в</strong>ия <strong>в</strong> требуемой номенклатуре<br />
отечест<strong>в</strong>енных компоненто<strong>в</strong>, аналогичных<br />
по параметрам, уро<strong>в</strong>ню и качест<strong>в</strong>у.<br />
Такое решение было с<strong>в</strong>язано также и с тем, что,<br />
<strong>в</strong>о-пер<strong>в</strong>ых, <strong>в</strong> России <strong>в</strong>о много раз сократились<br />
объемы <strong>в</strong>ыпуска компоненто<strong>в</strong> с приемкой «5»<br />
и <strong>в</strong>ыше; <strong>в</strong>о-<strong>в</strong>торых, многие предприятия оказались<br />
<strong>в</strong> ближнем зарубежье; <strong>в</strong>-третьих — и это<br />
гла<strong>в</strong>ное — после 1991 г. практически прекратились<br />
разработки и <strong>в</strong>недрение перспекти<strong>в</strong>ных<br />
электронных компоненто<strong>в</strong>. В аспекте рассматри<strong>в</strong>аемого<br />
<strong>в</strong>опроса это касалось <strong>в</strong> том числе<br />
и но<strong>в</strong>ых сило<strong>в</strong>ых компоненто<strong>в</strong> (MOSFET,<br />
IGBT), а также сило<strong>в</strong>ых модулей на их осно<strong>в</strong>е.<br />
Поскольку Military-электронные компоненты<br />
<strong>в</strong> Россию не поста<strong>в</strong>ляются, было принято<br />
решение использо<strong>в</strong>ать <strong>в</strong> аппаратуре <strong>в</strong>оенного<br />
назначения импортные компоненты промышленного<br />
исполнения. Пред<strong>в</strong>арительно они проходили<br />
сертификацию <strong>в</strong> соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ующих организациях<br />
(ЦНИИ-22 МО РФ, г. Моск<strong>в</strong>а, РНИИС<br />
«Электронстандарт», г. Санкт-Петербург и др.)<br />
и <strong>в</strong>ключались <strong>в</strong> соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ующие ограничительные<br />
перечни применения. Однако <strong>в</strong> настоящее<br />
<strong>в</strong>ремя положение несколько изменилось<br />
<strong>в</strong> лучшую сторону. Отечест<strong>в</strong>енные предприятия<br />
на осно<strong>в</strong>е <strong>в</strong>недрения но<strong>в</strong>ых зарубежных<br />
технологий и со<strong>в</strong>ременного <strong>в</strong>ысокопроиз<strong>в</strong>одительного<br />
оборудо<strong>в</strong>ания <strong>в</strong>полне успешно налажи<strong>в</strong>ают<br />
изгото<strong>в</strong>ление со<strong>в</strong>ременных MOSFET,<br />
IGBT и сило<strong>в</strong>ых, <strong>в</strong> том числе интеллектуальных,<br />
модулей.<br />
Со<strong>в</strong>ременный этап раз<strong>в</strong>ития интеллектуальной<br />
сило<strong>в</strong>ой электроники пройден. Его<br />
осно<strong>в</strong>ные приметы:<br />
• у<strong>в</strong>еренное раз<strong>в</strong>итие Smart Powers;<br />
• начало <strong>в</strong>недрения (<strong>в</strong>страи<strong>в</strong>ания) интеллектуальных<br />
сило<strong>в</strong>ых компоненто<strong>в</strong> <strong>в</strong> исполнительные<br />
устройст<strong>в</strong>а и механизмы, <strong>в</strong> частности<br />
<strong>в</strong> электрод<strong>в</strong>игатели на примере ШД (Smart<br />
motor);<br />
• значительные темпы раз<strong>в</strong>ития технологии<br />
произ<strong>в</strong>одст<strong>в</strong>а c улучшением параметро<strong>в</strong><br />
www.power-e.ru<br />
сило<strong>в</strong>ых компоненто<strong>в</strong> – MOSFET и IGBT,<br />
особенно IGBT;<br />
• со<strong>в</strong>ершенст<strong>в</strong>о<strong>в</strong>ание устройст<strong>в</strong> аналого<strong>в</strong>ого<br />
упра<strong>в</strong>ления (драй<strong>в</strong>еры, контроллеры),<br />
<strong>в</strong>страи<strong>в</strong>аемых <strong>в</strong> Smart Powers;<br />
• начало использо<strong>в</strong>ания цифро<strong>в</strong>ого упра<strong>в</strong>ления<br />
<strong>в</strong> сило<strong>в</strong>ых устройст<strong>в</strong>ах благодаря применению<br />
цифро<strong>в</strong>ых сило<strong>в</strong>ых драй<strong>в</strong>еро<strong>в</strong>, а также<br />
микропроцессоро<strong>в</strong> (микроконтроллеро<strong>в</strong>);<br />
• большее <strong>в</strong>нимание к проблемам по<strong>в</strong>ышения<br />
безотказности и долго<strong>в</strong>ечности, к <strong>в</strong>озможности<br />
применения модулей <strong>в</strong> усло<strong>в</strong>иях жестких<br />
механических и климатических <strong>в</strong>оздейст<strong>в</strong>ий<br />
(под<strong>в</strong>ижной соста<strong>в</strong>, аппаратура <strong>в</strong>оенного назначения);<br />
• успехи раз<strong>в</strong>ития отечест<strong>в</strong>енных фирм <strong>в</strong> разработке<br />
и произ<strong>в</strong>одст<strong>в</strong>е со<strong>в</strong>ременных IGBTмодулей.<br />
Прогноз дальнейшего<br />
раз<strong>в</strong>ития интегриро<strong>в</strong>анной<br />
сило<strong>в</strong>ой электроники<br />
На осно<strong>в</strong>е имеющейся информации попытаемся<br />
заглянуть <strong>в</strong> будущее интеллектуальной<br />
сило<strong>в</strong>ой электроники. Безусло<strong>в</strong>но, дальнейшее<br />
раз<strong>в</strong>итие получат архитектура (структуры) этих<br />
компоненто<strong>в</strong> и <strong>в</strong>ходящие <strong>в</strong> них узлы и устройст<strong>в</strong>а.<br />
Серьезно <strong>в</strong>озрастут объемы применения<br />
интеллектуальных сило<strong>в</strong>ых компоненто<strong>в</strong>: микросхем,<br />
IPS и IPM (SIPM). Следует отметить<br />
последние достижения <strong>в</strong> полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ой<br />
(MOSFET, IGBT, мощные <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтные диоды<br />
Шоттки) и микроэлектронной (чипы <strong>в</strong>ысокой<br />
степени интеграции, SMD-компоненты<br />
и т. д.) технологии. Оче<strong>в</strong>идны успехи компьютерной<br />
технологии (микроконтроллеры, цифро<strong>в</strong>ые<br />
сигнальные микроконтроллеры, флэшпамять<br />
большого объема), успехи <strong>в</strong> области<br />
полимеро<strong>в</strong>, планарных моточных изделий, «микропечатных»<br />
плат. Все это, наряду с успехами<br />
сило<strong>в</strong>ых компоненто<strong>в</strong>, дает мощный импульс<br />
дальнейшему раз<strong>в</strong>итию интеллектуальной сило<strong>в</strong>ой<br />
электроники. Рассмотрим подробнее <strong>в</strong>озможные<br />
напра<strong>в</strong>ления раз<strong>в</strong>ития.<br />
По оценкам специалисто<strong>в</strong>, реально можно<br />
прогнозиро<strong>в</strong>ать, что MOSFET прочно займут<br />
нишу мощностей примерно до 10 кВт при напряжениях<br />
сначала 1500 В, а затем и до 1700–<br />
2000 В. В то же <strong>в</strong>ремя IGBT у<strong>в</strong>еренно ут<strong>в</strong>ердятся<br />
<strong>в</strong> диапазоне мощностей на сотни-тысячи кило<strong>в</strong>атт<br />
при напряжениях до 6000–8000 В [28].<br />
Одно<strong>в</strong>ременно расширится частотный диапазон<br />
их работы, но уже без больших проры<strong>в</strong>о<strong>в</strong>.<br />
Будут предприняты шаги по интеграции<br />
<strong>в</strong> одном модуле сило<strong>в</strong>ых компоненто<strong>в</strong> различного<br />
<strong>в</strong>ида, благодаря чему, <strong>в</strong> частности,<br />
поя<strong>в</strong>ились сами IGBT. Уже сегодня <strong>в</strong> некоторых<br />
работах предложено комплексиро<strong>в</strong>ание<br />
MOSFET и IGBT <strong>в</strong> одном корпусе по схеме<br />
параллельного соединения [29]. Такая структура<br />
поз<strong>в</strong>оляет при сра<strong>в</strong>нительно небольших<br />
рабочих токах использо<strong>в</strong>ать канал (плечо)<br />
MOSFET для уменьшения статических потерь<br />
благодаря малой <strong>в</strong>еличине сопроти<strong>в</strong>ления<br />
открытого канала. При этом попутно улучшаются<br />
и динамические параметры сило<strong>в</strong>ого<br />
ключа. В то же <strong>в</strong>ремя при больших токах, <strong>в</strong> том<br />
числе <strong>в</strong> а<strong>в</strong>арийных режимах, дополнительно<br />
используется канал IGBT. Общая рассеи<strong>в</strong>аемая<br />
мощность комбиниро<strong>в</strong>анного ключа меньше,<br />
чем если бы использо<strong>в</strong>ался только один <strong>в</strong>ид<br />
транзисторо<strong>в</strong>. Следует ожидать, что <strong>в</strong> сило<strong>в</strong>ую<br />
часть модулей большой и очень большой<br />
мощности будет дополнительно <strong>в</strong>строен ряд<br />
датчико<strong>в</strong> для диагностики работоспособности.<br />
Возможны и другие <strong>в</strong>арианты со<strong>в</strong>ершенст<strong>в</strong>о<strong>в</strong>ания<br />
собст<strong>в</strong>енно сило<strong>в</strong>ой части IPS и IPM.<br />
При дальнейшем раз<strong>в</strong>итии следующее поколение<br />
этих и других IPM мы, <strong>в</strong>ероятно, будем<br />
усло<strong>в</strong>но назы<strong>в</strong>ать сило<strong>в</strong>ыми модулями <strong>в</strong>ысшей<br />
степени интеграции (Super IPM или SIPM).<br />
Скорее <strong>в</strong>сего, они будут предста<strong>в</strong>лять собой полностью<br />
«самозащищенные» сило<strong>в</strong>ые ключи.<br />
Нас ожидает переход IPM от аналого<strong>в</strong>ого<br />
на цифро<strong>в</strong>ое упра<strong>в</strong>ление при использо<strong>в</strong>ании<br />
более «прод<strong>в</strong>инутых» драй<strong>в</strong>еро<strong>в</strong> и контроллеро<strong>в</strong>.<br />
Номенклатура и <strong>в</strong>озможности сило<strong>в</strong>ых<br />
драй<strong>в</strong>еро<strong>в</strong> с цифро<strong>в</strong>ой передачей данных (таких<br />
как SKYPER52 фирмы Semikron) будет расширяться.<br />
Более широкое применение получит<br />
использо<strong>в</strong>ание микроконтроллеро<strong>в</strong> с раз<strong>в</strong>итой<br />
«инфраструктурой» (обрамлением) и большим<br />
объемом памяти. Это поз<strong>в</strong>олит реализо<strong>в</strong>ать некоторые<br />
функции, которые сейчас <strong>в</strong>ыполняются<br />
<strong>в</strong> простейшем <strong>в</strong>иде или <strong>в</strong>ообще отсутст<strong>в</strong>уют.<br />
Для примера укажем на работу [30], <strong>в</strong> которой<br />
описан <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтный импульсный источник<br />
питания большой мощности с упра<strong>в</strong>лением<br />
от микропроцессора. Источник типа<br />
ВИП35-350 предназначен для питания рентгено<strong>в</strong>ской<br />
трубки БХВ-18 и обеспечи<strong>в</strong>ает на <strong>в</strong>ыходе<br />
импульсное однополярное напряжение<br />
до 35 кВ, анодный ток — до 350 мА. Сило<strong>в</strong>ая<br />
часть <strong>в</strong>ыполнена на IGBT-модуле типа<br />
BSM300GA120DN2 (Infineon) или МТКИ2-<br />
300-12(ОАО «Электро<strong>в</strong>ыпрямитель»). И подобные<br />
применения не будут единичными.<br />
То же самое можно сказать и о цифро<strong>в</strong>ых<br />
сигнальных процессорах (DSP-контроллерах),<br />
которые фирма Texas Instruments успешно<br />
прод<strong>в</strong>игает для упра<strong>в</strong>ляемого интеллектуального<br />
электропри<strong>в</strong>ода [31]. Изменение пра<strong>в</strong>ил<br />
и алгоритмо<strong>в</strong> функциониро<strong>в</strong>ания интеллектуальных<br />
сило<strong>в</strong>ых объекто<strong>в</strong> осущест<strong>в</strong>ляется<br />
не аппаратно, а путем изменения программ,<br />
записы<strong>в</strong>аемых <strong>в</strong>о флэш-память.<br />
Дальнейшее расширение сферы<br />
применения интеллектуальных<br />
сило<strong>в</strong>ых компоненто<strong>в</strong><br />
Интеллектуальные сило<strong>в</strong>ые компоненты<br />
станут при<strong>в</strong>ычными электронными компонентами<br />
для разработчика, такими, какими<br />
на сегодняшний день я<strong>в</strong>ляются дискретные<br />
MOSFET, IGBT, драй<strong>в</strong>еры, ШИМ, ЧИМ и ККМ/<br />
PFC-контроллеры. В идеале можно предположить,<br />
как это ранее было показано на примере<br />
Smart motor, что для организации а<strong>в</strong>томатизиро<strong>в</strong>анных<br />
сило<strong>в</strong>ых систем потребуются<br />
только персональный компьютер (компьютерный<br />
комплекс), каналы с<strong>в</strong>язи (<strong>в</strong> том числе<br />
беспро<strong>в</strong>одные), источник(и) электропитания<br />
(при необходимости) и программное обеспечение.<br />
Возможно <strong>в</strong>страи<strong>в</strong>ание <strong>в</strong> IPM (SuperIPM)<br />
и модулей Ethernet, которые сегодня уже интегрируются<br />
<strong>в</strong> промышленные компьютеры.<br />
11
Change language