Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Силовая Электроника, № 4’2010 Силовая элементная база Окончание. Начало в 2’2010 Силовые сборки фирмы Infineon Часть 3 Андрей Копылов andrei.kopylov@symmetron.ru www.power-e.ru Введение Практически ни одна современная область применения силовой электроники в диапазоне мощностей от 100 кВА до нескольких МВА сейчас не может обойтись без использования силовых сборок на основе диодов или тиристоров. Благодаря своей универсальности указанные сборки находят широкое применение в таких промышленных устройствах, как: • выпрямители статических преобразователей систем электропривода; • устройства плавного пуска; • синхронные генераторы для ветроэнергетических турбин; • установки гальванизации и электроосаждения металлов; • преобразователи импульсной мощности (системы генерации импульсов напряжения большой амплитуды, импульсов магнитного поля высокой интенсивности, линейные ускорители частиц и т. д.). В качестве силовых диодных и тиристорных сборок фирма Infineon предлагает широкую номенклатурную группу продукции под названием BipSTACK (силовые биполярные сборки). Это следующее и заключительное большое семейство, которое можно выделить наряду с такими IGBT-сборками, как PrimeSTACK и ModSTACK [1, 2]. Что представляют собой силовые сборки BipSTACK Название семейства BipSTACK сложилось исторически. Bip в понимании фирмы Infineon означает «биполярный». Силовыми биполярными полупроводниковыми приборами (далее силовые п/п приборы) являются силовые диоды и тиристоры (англ. SCR). IGBT-транзисторы, правда, тоже относятся к классу биполярных приборов, но в силу историческиадминистративных причин их Infineon причисляет к несколько другой группе полупроводниковых приборов. Термин STACK в данном случае означает «сборка». Здесь под сборкой понимается объединение различных компонентов с целью подготовки одного или нескольких силовых п/п приборов для какого-то конкретного применения. В результате такого подхода механическая конструкция, например, снабжается системой охлаждения, а силовая цепь — защитой от перенапряжений, возникающих во время коммутации. Таким образом, конструктивно BipSTACK состоят из силовых сборок на основе диодов или тиристоров, которые оснащены необходимыми дополнительными, но недостаточными для самостоятельной работы силовой сборки компонентами (рис. 1). Силовая биполярная сборка, приведенная на рис. 1, состоит из 12 силовых дисковых тиристоров, вмонтированных в радиаторы охлаждения. Она содержит входную защитную цепь и силовые шины. Рис. 1. Пример исполнения биполярной сборки BipSTACK Внутреннее электрическое соединение в сборке осуществляется по схеме 2 независимых тиристорных выпрямителей (2B6C). Входная защитная электрическая цепь ограничивает возникающие перенапряжения для каждого из управляемых выпрямителей. Силовые медные шины обеспечивают подключение силовой сборки по цепям постоянного и переменного тока со стороны устройства заказчика. Основные технические характеристики силовых биполярных сборок BipSTACK Каждой сборке BipSTACK присваивается определенное стандартизованное типообозначение, которое никак не связано с ее рабочими условиями и отражает только компоновку силовой сборки с точки зрения элементов, входящих в нее. Данное типообозначение можно найти в технической спецификации на силовую сборку или на табличке с указанием ее заводской марки, при этом оно носит исключительно информативный характер. Посмотрим на примере 12 T1329N22 K008 B XXX, какие данные может содержать в себе стандартизованное типообозначение силовых биполярных сборок BipSTACK: • 12 — количество силовых п/п приборов (ключей); • T1329N22 — тип силового п/п прибора; • K008 — тип радиатора (здесь K0.08F); • B — топология силовой электрической цепи: – B — B6C/B6U; – W — W3C/W1C; – A — (B6C)A(B6C); – V — блок (не силовая сборка, т. е. просто силовой п/п прибор, установленный на радиатор); • 00 — опция для стандартной сборки; • В01 — защита от перенапряжений по входу (тип SEB); • В02 — наличие снабберной цепи для ограничения перенапряжений; 21
- Page 2 and 3: Силовая Электроник
- Page 4: Силовая Электроник
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 4’2010<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
Окончание. Начало <strong>в</strong> 2’2010<br />
Сило<strong>в</strong>ые сборки фирмы Infineon<br />
Часть 3<br />
Андрей Копыло<strong>в</strong><br />
andrei.kopylov@symmetron.ru<br />
www.power-e.ru<br />
В<strong>в</strong>едение<br />
Практически ни одна со<strong>в</strong>ременная область применения<br />
сило<strong>в</strong>ой электроники <strong>в</strong> диапазоне мощностей<br />
от 100 кВА до нескольких МВА сейчас не может обойтись<br />
без использо<strong>в</strong>ания сило<strong>в</strong>ых сборок на осно<strong>в</strong>е диодо<strong>в</strong><br />
или тиристоро<strong>в</strong>. Благодаря с<strong>в</strong>оей уни<strong>в</strong>ерсальности<br />
указанные сборки находят широкое применение<br />
<strong>в</strong> таких промышленных устройст<strong>в</strong>ах, как:<br />
• <strong>в</strong>ыпрямители статических преобразо<strong>в</strong>ателей систем<br />
электропри<strong>в</strong>ода;<br />
• устройст<strong>в</strong>а пла<strong>в</strong>ного пуска;<br />
• синхронные генераторы для <strong>в</strong>етроэнергетических<br />
турбин;<br />
• устано<strong>в</strong>ки галь<strong>в</strong>анизации и электроосаждения металло<strong>в</strong>;<br />
• преобразо<strong>в</strong>атели импульсной мощности (системы<br />
генерации импульсо<strong>в</strong> напряжения большой амплитуды,<br />
импульсо<strong>в</strong> магнитного поля <strong>в</strong>ысокой интенси<strong>в</strong>ности,<br />
линейные ускорители частиц и т. д.).<br />
В качест<strong>в</strong>е сило<strong>в</strong>ых диодных и тиристорных сборок<br />
фирма Infineon предлагает широкую номенклатурную<br />
группу продукции под наз<strong>в</strong>анием BipSTACK<br />
(сило<strong>в</strong>ые биполярные сборки). Это следующее и заключительное<br />
большое семейст<strong>в</strong>о, которое можно<br />
<strong>в</strong>ыделить наряду с такими IGBT-сборками, как<br />
PrimeSTACK и ModSTACK [1, 2].<br />
Что предста<strong>в</strong>ляют собой<br />
сило<strong>в</strong>ые сборки BipSTACK<br />
Наз<strong>в</strong>ание семейст<strong>в</strong>а BipSTACK сложилось исторически.<br />
Bip <strong>в</strong> понимании фирмы Infineon означает<br />
«биполярный». Сило<strong>в</strong>ыми биполярными полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ыми<br />
приборами (далее сило<strong>в</strong>ые п/п приборы)<br />
я<strong>в</strong>ляются сило<strong>в</strong>ые диоды и тиристоры (англ. SCR).<br />
IGBT-транзисторы, пра<strong>в</strong>да, тоже относятся к классу<br />
биполярных приборо<strong>в</strong>, но <strong>в</strong> силу историческиадминистрати<strong>в</strong>ных<br />
причин их Infineon причисляет<br />
к несколько другой группе полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ых приборо<strong>в</strong>.<br />
Термин STACK <strong>в</strong> данном случае означает «сборка».<br />
Здесь под сборкой понимается объединение различных<br />
компоненто<strong>в</strong> с целью подгото<strong>в</strong>ки одного или нескольких<br />
сило<strong>в</strong>ых п/п приборо<strong>в</strong> для какого-то конкретного<br />
применения. В результате такого подхода механическая<br />
конструкция, например, снабжается системой охлаждения,<br />
а сило<strong>в</strong>ая цепь — защитой от перенапряжений,<br />
<strong>в</strong>озникающих <strong>в</strong>о <strong>в</strong>ремя коммутации.<br />
Таким образом, конструкти<strong>в</strong>но BipSTACK состоят<br />
из сило<strong>в</strong>ых сборок на осно<strong>в</strong>е диодо<strong>в</strong> или тиристоро<strong>в</strong>,<br />
которые оснащены необходимыми дополнительными,<br />
но недостаточными для самостоятельной работы<br />
сило<strong>в</strong>ой сборки компонентами (рис. 1).<br />
Сило<strong>в</strong>ая биполярная сборка, при<strong>в</strong>еденная<br />
на рис. 1, состоит из 12 сило<strong>в</strong>ых диско<strong>в</strong>ых тиристоро<strong>в</strong>,<br />
<strong>в</strong>монтиро<strong>в</strong>анных <strong>в</strong> радиаторы охлаждения. Она<br />
содержит <strong>в</strong>ходную защитную цепь и сило<strong>в</strong>ые шины.<br />
Рис. 1. Пример исполнения биполярной сборки<br />
BipSTACK<br />
Внутреннее электрическое соединение <strong>в</strong> сборке осущест<strong>в</strong>ляется<br />
по схеме 2 неза<strong>в</strong>исимых тиристорных<br />
<strong>в</strong>ыпрямителей (2B6C). Входная защитная электрическая<br />
цепь ограничи<strong>в</strong>ает <strong>в</strong>озникающие перенапряжения<br />
для каждого из упра<strong>в</strong>ляемых <strong>в</strong>ыпрямителей.<br />
Сило<strong>в</strong>ые медные шины обеспечи<strong>в</strong>ают подключение<br />
сило<strong>в</strong>ой сборки по цепям постоянного и переменного<br />
тока со стороны устройст<strong>в</strong>а заказчика.<br />
Осно<strong>в</strong>ные технические характеристики<br />
сило<strong>в</strong>ых биполярных сборок BipSTACK<br />
Каждой сборке BipSTACK прис<strong>в</strong>аи<strong>в</strong>ается определенное<br />
стандартизо<strong>в</strong>анное типообозначение, которое<br />
никак не с<strong>в</strong>язано с ее рабочими усло<strong>в</strong>иями и отражает<br />
только компоно<strong>в</strong>ку сило<strong>в</strong>ой сборки с точки<br />
зрения элементо<strong>в</strong>, <strong>в</strong>ходящих <strong>в</strong> нее. Данное типообозначение<br />
можно найти <strong>в</strong> технической спецификации<br />
на сило<strong>в</strong>ую сборку или на табличке с указанием ее за<strong>в</strong>одской<br />
марки, при этом оно носит исключительно<br />
информати<strong>в</strong>ный характер. Посмотрим на примере<br />
12 T1329N22 K008 B XXX, какие данные может содержать<br />
<strong>в</strong> себе стандартизо<strong>в</strong>анное типообозначение<br />
сило<strong>в</strong>ых биполярных сборок BipSTACK:<br />
• 12 — количест<strong>в</strong>о сило<strong>в</strong>ых п/п приборо<strong>в</strong> (ключей);<br />
• T1329N22 — тип сило<strong>в</strong>ого п/п прибора;<br />
• K008 — тип радиатора (здесь K0.08F);<br />
• B — топология сило<strong>в</strong>ой электрической цепи:<br />
– B — B6C/B6U;<br />
– W — W3C/W1C;<br />
– A — (B6C)A(B6C);<br />
– V — блок (не сило<strong>в</strong>ая сборка, т. е. просто сило<strong>в</strong>ой<br />
п/п прибор, устано<strong>в</strong>ленный на радиатор);<br />
• 00 — опция для стандартной сборки;<br />
• В01 — защита от перенапряжений по <strong>в</strong>ходу (тип SEB);<br />
• В02 — наличие снабберной цепи для ограничения<br />
перенапряжений;<br />
21
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 4’2010<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
• В03 — снабберная цепь плюс предохранители<br />
для каждого п/п прибора;<br />
• В04 — снабберная цепь плюс предохранители<br />
на каждую <strong>в</strong>ет<strong>в</strong>ь электрической цепи;<br />
• В05 — SEB-защита плюс предохранители<br />
для каждого п/п прибора;<br />
• В06 — SEB-защита плюс предохранители<br />
на каждую <strong>в</strong>ет<strong>в</strong>ь электрической цепи;<br />
• Х — дополнительные элементы для нестандартных<br />
сборок.<br />
Также каждой сило<strong>в</strong>ой сборке BipSTACK назначается<br />
наимено<strong>в</strong>ание для ее продажи заказчикам.<br />
Это наимено<strong>в</strong>ание очень похоже на стандартизо<strong>в</strong>анный<br />
тип, но не содержит данных,<br />
детализирующих технические параметры.<br />
Наиболее <strong>в</strong>ажные электрические характеристики<br />
сило<strong>в</strong>ых сборок BipSTACK, которые перечисляются<br />
<strong>в</strong> их технических спецификациях:<br />
• Входное напряжение подключения сило<strong>в</strong>ой<br />
сборки. Это дейст<strong>в</strong>ующее значение <strong>в</strong>ходного<br />
рабочего напряжения сило<strong>в</strong>ой сборки<br />
синусоидальной формы. Допускается, что<br />
со стороны сети данное значение может<br />
быть пре<strong>в</strong>ышено на 10% <strong>в</strong> течение длительного<br />
<strong>в</strong>ремени, <strong>в</strong> то <strong>в</strong>ремя как номинальный<br />
ток сило<strong>в</strong>ой сборки не должен пре<strong>в</strong>ышать<br />
его номинального значения.<br />
• Напряжение постоянного тока. Это среднее<br />
значение <strong>в</strong>ыходного напряжения постоянного<br />
тока сило<strong>в</strong>ой сборки, <strong>в</strong> которой реализо<strong>в</strong>ан<br />
полностью упра<strong>в</strong>ляемый <strong>в</strong>ыпрямитель, получаемое<br />
при соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ующих значениях<br />
<strong>в</strong>ходного напряжения, номинального постоянного<br />
тока и полного угла упра<strong>в</strong>ления для<br />
открытого состояния п/п ключей.<br />
• Постоянный ток (для сило<strong>в</strong>ых сборок<strong>в</strong>ыпрямителей).<br />
Максимальное среднее значение<br />
тока сборки <strong>в</strong> про<strong>в</strong>одящем состоянии<br />
сило<strong>в</strong>ых п/п приборо<strong>в</strong>. Данное значение рассчиты<strong>в</strong>ается<br />
на осно<strong>в</strong>е максимальных средних<br />
значений тока <strong>в</strong> про<strong>в</strong>одящем состоянии<br />
самих п/п приборо<strong>в</strong> и тока, обусло<strong>в</strong>ленного<br />
сило<strong>в</strong>ой цепью. Во избежание перегре<strong>в</strong>а сило<strong>в</strong>ой<br />
сборки необходимо обеспечи<strong>в</strong>ать беспрепятст<strong>в</strong>енное<br />
прохождение охлаждающего<br />
<strong>в</strong>оздуха между <strong>в</strong>ходом и <strong>в</strong>ыходом системы<br />
охлаждения. Максимальное среднее значение<br />
тока <strong>в</strong> про<strong>в</strong>одящем состоянии п/п приборо<strong>в</strong><br />
<strong>в</strong> полностью упра<strong>в</strong>ляемых <strong>в</strong>ыпрямителях я<strong>в</strong>ляется<br />
дейст<strong>в</strong>ительным для рабочих усло<strong>в</strong>ий<br />
сборки, при которых сило<strong>в</strong>ые п/п приборы<br />
полностью открыты и нагружены на акти<strong>в</strong>ную<br />
нагрузку. Данный постоянный ток может<br />
протекать через упра<strong>в</strong>ляемые <strong>в</strong>ыпрямители<br />
сколь угодно долго — при усло<strong>в</strong>ии, что<br />
этот ток будет достаточно отфильтро<strong>в</strong>ан.<br />
Если <strong>в</strong> технической спецификации будет<br />
идти речь о переменном токе (<strong>в</strong> случае преобразо<strong>в</strong>ателей<br />
переменного тока), то <strong>в</strong>се <strong>в</strong>ышесказанное<br />
про постоянный ток спра<strong>в</strong>едли<strong>в</strong>о<br />
и для переменного тока за исключением того,<br />
что будет при<strong>в</strong>одиться дейст<strong>в</strong>ующее значение<br />
тока и ток может протекать при различных<br />
углах откры<strong>в</strong>ания сило<strong>в</strong>ых п/п приборо<strong>в</strong>.<br />
• Допустимый ток нагрузки <strong>в</strong>о <strong>в</strong>ремя <strong>в</strong>озникно<strong>в</strong>ения<br />
перегрузок по току. Это такое<br />
значение тока, которое не при<strong>в</strong>одит к пре<strong>в</strong>ышению<br />
максимальнодопустимой температуры<br />
нагре<strong>в</strong>а сило<strong>в</strong>ых п/п приборо<strong>в</strong>.<br />
• Потери мощности <strong>в</strong> сило<strong>в</strong>ой сборке при<br />
номинальных рабочих усло<strong>в</strong>иях. При расчете<br />
<strong>в</strong>о <strong>в</strong>нимание принимаются только статические<br />
потери мощности <strong>в</strong> про<strong>в</strong>одящем<br />
состоянии. Динамические потери не учиты<strong>в</strong>аются.<br />
Несколько сло<strong>в</strong> стоит сказать о способах<br />
охлаждения сило<strong>в</strong>ых биполярных сборок<br />
BipSTACK. Для этой цели используются <strong>в</strong>оздушные<br />
и <strong>в</strong>одяные радиаторы. В за<strong>в</strong>исимости<br />
от рабочих усло<strong>в</strong>ий сборок BipSTACK <strong>в</strong>ыбирается<br />
один из типо<strong>в</strong> радиаторо<strong>в</strong>, технические<br />
параметры которого находят с<strong>в</strong>ое отражение<br />
<strong>в</strong> технической спецификации на сборку. При<br />
пре<strong>в</strong>ышении <strong>в</strong>ходных температур <strong>в</strong>оздуха или<br />
<strong>в</strong>оды номинальный ток сило<strong>в</strong>ой сборки должен<br />
быть зано<strong>в</strong>о рассчитан, а точнее — пересчитано<br />
значение его снижения.<br />
Возможные топологии<br />
электрических цепей сило<strong>в</strong>ых<br />
сборок BipSTACK<br />
Ниже будут описаны наиболее <strong>в</strong>ажные топологии<br />
сило<strong>в</strong>ых электрических цепей, предлагаемые<br />
фирмой Infineon <strong>в</strong> исполнениях сило<strong>в</strong>ых<br />
биполярных сборок BipSTACK.<br />
B-конфигурация<br />
Электрические цепи конфигурации B (например,<br />
B2U, B6U, B6C) я<strong>в</strong>ляются мосто<strong>в</strong>ыми<br />
электрическими цепями для <strong>в</strong>ыпрямления<br />
переменного тока (рис. 2, 3). Такие цепи<br />
наиболее часто используются для решения<br />
задач <strong>в</strong> области <strong>в</strong>ыпрямления переменного<br />
тока, так как они требуют наименьшего<br />
преобразо<strong>в</strong>ания энергии из <strong>в</strong>сех из<strong>в</strong>естных<br />
разно<strong>в</strong>идностей схем. Поочередно соединяя<br />
конфигурации 3-фазных полностью упра<strong>в</strong>ляемых<br />
тиристорных <strong>в</strong>ыпрямителей (B6C) или<br />
<strong>в</strong>ключая их антипараллельно ((B6C)A(B6C)),<br />
можно получить ин<strong>в</strong>ертор.<br />
Рис. 2. Электрическая схема конфигурации<br />
B2, B2C (однофазный <strong>в</strong>ыпрямительный мост)<br />
Рис. 3. Электрическая схема конфигурации<br />
B6, B6C (3-фазный <strong>в</strong>ыпрямительный мост)<br />
M-конфигурация<br />
Цепи конфигурации M (например, M3U,<br />
M3C) я<strong>в</strong>ляются электрическими цепями<br />
со средней точкой (рис. 4–8). Они нашли<br />
гораздо меньшее применение, чем схемы<br />
с B-конфигурацией, и, как пра<strong>в</strong>ило, используются<br />
там, где приходится работать с низкими<br />
значениями <strong>в</strong>ходного напряжения.<br />
Рис. 4. Электрическая схема конфигурации<br />
M1, M1C<br />
Рис. 5. Электрическая схема конфигурации<br />
M2, M2C<br />
Рис. 6. Электрическая схема конфигурации<br />
M3, M3C<br />
Рис. 7. Электрическая схема конфигурации<br />
M6, M6C<br />
Рис. 8. Электрическая схема конфигурации<br />
M3.2, M3.2C<br />
22 www.power-e.ru
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 4’2010<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
W-конфигурация<br />
Электрические цепи конфигурации W (например,<br />
W1C, W3C) используются для построения<br />
преобразо<strong>в</strong>ателей переменного тока,<br />
которые поз<strong>в</strong>оляют регулиро<strong>в</strong>ать дейст<strong>в</strong>ующее<br />
значение напряжения переменного тока<br />
<strong>в</strong> соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ии с техническими требо<strong>в</strong>аниями<br />
конкретного применения или кратко<strong>в</strong>ременно<br />
переходить <strong>в</strong> режим перегрузки по току<br />
(рис. 9). Такие цепи очень широко используются<br />
для реализации устройст<strong>в</strong> пла<strong>в</strong>ного<br />
пуска.<br />
Рис. 9. Электрическая схема конфигурации<br />
W1C, W3C<br />
Цепи для обработки<br />
импульсной мощности<br />
Данные цепи нельзя как-либо классифициро<strong>в</strong>ать.<br />
Осно<strong>в</strong>ное их предназначение — обеспечить<br />
потребителя импульсами тока или<br />
напряжения <strong>в</strong>ысокой мощности, обычно<br />
<strong>в</strong> диапазоне с<strong>в</strong>ыше 1 кА и 1 кВ.<br />
Компоненты упра<strong>в</strong>ления<br />
и защиты сило<strong>в</strong>ых сборок<br />
BipSTACK<br />
Для защиты сило<strong>в</strong>ых п/п приборо<strong>в</strong> от перенапряжений<br />
служат снабберные цепи. Здесь<br />
обычно различают д<strong>в</strong>а типа защиты: защита<br />
от перенапряжений по <strong>в</strong>ходу (SEB) и инди<strong>в</strong>идуальная<br />
защита цепей от импульсных перенапряжений<br />
(TSE).<br />
Так как защитные цепи от перенапряжений<br />
я<strong>в</strong>ляются дополнительными компонентами,<br />
то при заказе сборок необходимо точно указы<strong>в</strong>ать<br />
их тип, а если защитная цепь уже <strong>в</strong>строена<br />
<strong>в</strong> стандартную сборку BipSTACK, то ее разно<strong>в</strong>идность<br />
можно узнать из типообозначения.<br />
При расчете и проектиро<strong>в</strong>ании снабберных<br />
цепей используются следующие допущения:<br />
• Номинальные рабочие усло<strong>в</strong>ия соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>уют<br />
стандарту DIN 57558.<br />
• Номинальная мощность трансформатора<br />
<strong>в</strong>ыпрямителя примерно ра<strong>в</strong>на мощности<br />
подключаемой <strong>в</strong>ыпрямительной сборки.<br />
Напряжение короткого замыкания трансформатора<br />
приблизительно 4%.<br />
• Для регуляторо<strong>в</strong> переменного тока снабберная<br />
цепь назначается по отношению<br />
к одной нагрузочной цепи с углом сд<strong>в</strong>ига<br />
по фазе ϕ≤30° (cos ϕ≥0,866).<br />
Снабберная инди<strong>в</strong>идуальная<br />
защитная цепь от импульсных<br />
перенапряжений (TSE)<br />
Параметры данной снабберной цепи за<strong>в</strong>исят<br />
от применяемых сило<strong>в</strong>ых п/п приборо<strong>в</strong>.<br />
www.power-e.ru<br />
При таком <strong>в</strong>иде защиты от перенапряжений<br />
каждый сило<strong>в</strong>ой компонент, <strong>в</strong>ходящий<br />
<strong>в</strong> соста<strong>в</strong> сборки BipSTACK, имеет отдельную<br />
собст<strong>в</strong>енную снабберную цепь. TSE-снаббер<br />
предста<strong>в</strong>ляет собой RC-цепочку, которая<br />
<strong>в</strong>ключается параллельно сило<strong>в</strong>ому п/п прибору<br />
(рис. 10). Выбор такой снабберной цепи<br />
осно<strong>в</strong>ы<strong>в</strong>ается на электрических параметрах<br />
сило<strong>в</strong>ого компонента, таких как:<br />
• обратное рабочее напряжение V RRM ;<br />
• коммутируемое напряжение (обычно<br />
им я<strong>в</strong>ляется сете<strong>в</strong>ое напряжение);<br />
• заряд обратного <strong>в</strong>осстано<strong>в</strong>ления Q R ;<br />
Рис. 10. Снабберная цепочка типа TSE<br />
Защита от перенапряжений по <strong>в</strong>ходу<br />
(SEB)<br />
Характер данной защитной цепи за<strong>в</strong>исит<br />
от типа биполярной сборки. Для одной 3-фазной<br />
сборки требуется одна такая снабберная<br />
цепь. Как и предполагает ее наз<strong>в</strong>ание, <strong>в</strong> случае<br />
применения этой защитной цепи со<strong>в</strong>местно<br />
с <strong>в</strong>ыпрямителем она подключается к сило<strong>в</strong>ым<br />
клеммам по стороне переменного тока.<br />
В защитную цепь такого типа <strong>в</strong>ходит <strong>в</strong>спомогательный<br />
<strong>в</strong>ыпрямитель (B6U), который<br />
подключается к 3-фазному <strong>в</strong>ходу сборки<br />
и заряжает конденсатор (рис. 11). Снабберная<br />
цепь <strong>в</strong>ключается между осно<strong>в</strong>ным <strong>в</strong>ыпрямителем<br />
и сетью и с помощью конденсатора пода<strong>в</strong>ляет<br />
перенапряжения, <strong>в</strong>озникающие при<br />
номинальном режиме работы. Конденсатор,<br />
<strong>в</strong> с<strong>в</strong>ою очередь, разряжается посредст<strong>в</strong>ом резистора,<br />
<strong>в</strong>ключенного параллельно ему, тем<br />
самым обеспечи<strong>в</strong>ая гото<strong>в</strong>ность к ограничению<br />
следующего импульса перенапряжения.<br />
Рис. 11. Снабберная цепочка типа SEB<br />
Температурное реле<br />
Температурное реле <strong>в</strong> данном случае служит<br />
для контроля работы <strong>в</strong>ентилятора. Оно<br />
реализуется на осно<strong>в</strong>е температурного датчика,<br />
который срабаты<strong>в</strong>ает при достижении<br />
определенной пред<strong>в</strong>арительно заданной<br />
температуры: замыкает <strong>в</strong>спомогательную<br />
электрическую цепь, если он находился<br />
<strong>в</strong> нормально-разомкнутом состоянии, и размыкает<br />
ее, если он находился <strong>в</strong> нормальнозамкнутом<br />
состоянии. Контакты <strong>в</strong>спомогательной<br />
цепи делаются доступными для<br />
пользо<strong>в</strong>ателя, чтобы он мог наблюдать за их<br />
состоянием и <strong>в</strong>о<strong>в</strong>ремя предпринять соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ующие<br />
дейст<strong>в</strong>ия. В данном случае текущее<br />
значение температуры нагре<strong>в</strong>а радиатора сило<strong>в</strong>ой<br />
сборки отдельно не <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одится.<br />
Порого<strong>в</strong>ое значение температуры нагре<strong>в</strong>а<br />
для срабаты<strong>в</strong>ания реле задается <strong>в</strong> за<strong>в</strong>исимости<br />
от рабочих усло<strong>в</strong>ий сило<strong>в</strong>ой сборки.<br />
Температурное реле используется только <strong>в</strong> сило<strong>в</strong>ых<br />
биполярных сборках с принудительным<br />
<strong>в</strong>оздушным охлаждением, а <strong>в</strong> случае <strong>в</strong>одяного<br />
охлаждения целесообразно следить за потоком<br />
протекания <strong>в</strong>оды. Температурное реле служит<br />
для предот<strong>в</strong>ращения перегре<strong>в</strong>а сило<strong>в</strong>ого п/п<br />
прибора при его работе на низкие нагрузки без<br />
участия <strong>в</strong>ентилятора <strong>в</strong> охлаждении, например<br />
при <strong>в</strong>ыходе его из строя. Наблюдая за замыканием<br />
или размыканием электрических контакто<strong>в</strong><br />
температурного реле, пользо<strong>в</strong>атель получает<br />
только лишь у<strong>в</strong>едомление о том, что <strong>в</strong>озросла<br />
температура нагре<strong>в</strong>а сило<strong>в</strong>ого п/п прибора<br />
или сило<strong>в</strong>ой сборки BipSTACK <strong>в</strong> целом и что<br />
предельные температурные характеристики,<br />
регламентируемые технической спецификацией<br />
на сило<strong>в</strong>ую сборку, будут нарушены.<br />
Температурные датчики реле устана<strong>в</strong>ли<strong>в</strong>аются<br />
непосредст<strong>в</strong>енно на радиатор или <strong>в</strong>озле<br />
сило<strong>в</strong>ого п/п прибора. Они удо<strong>в</strong>лет<strong>в</strong>оряют<br />
требо<strong>в</strong>аниям по изоляции и инди<strong>в</strong>идуально<br />
испыты<strong>в</strong>аются <strong>в</strong> соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ии с этими требо<strong>в</strong>аниями.<br />
Температурные реле я<strong>в</strong>ляются дополнительными<br />
комплектующими для стандартных<br />
сило<strong>в</strong>ых сборок BipSTACK и поэтому<br />
должны отдельно и точно ого<strong>в</strong>ари<strong>в</strong>аться при<br />
их заказе, за исключением тех случае<strong>в</strong>, когда<br />
они уже <strong>в</strong>строены <strong>в</strong> сило<strong>в</strong>ую биполярную<br />
сборку, например при исполнении сборки<br />
BipSTACK с принудительным <strong>в</strong>оздушным<br />
охлаждением.<br />
Предохранители<br />
Предохранители служат для защиты сило<strong>в</strong>ых<br />
сборок BipSTACK от коротких замыканий<br />
по току. Они рассчиты<strong>в</strong>аются и <strong>в</strong>ыбираются,<br />
исходя из номинальных электрических характеристик<br />
сило<strong>в</strong>ых п/п приборо<strong>в</strong>.<br />
Следует различать предохранители, которые<br />
защищают отдельные компоненты<br />
и <strong>в</strong>ет<strong>в</strong>и сило<strong>в</strong>ой электрической цепи.<br />
Предохранители <strong>в</strong>ет<strong>в</strong>ей электрических цепей<br />
защищают, как пра<strong>в</strong>ило, соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ующую<br />
полумосто<strong>в</strong>ую схему и <strong>в</strong>ключаются непосредст<strong>в</strong>енно<br />
<strong>в</strong> участок цепи по переменной стороне.<br />
В осно<strong>в</strong>ном они используются <strong>в</strong> сборках<br />
BipSTACK на осно<strong>в</strong>е сило<strong>в</strong>ых биполярных<br />
модулей. Такие предохранители не защищают<br />
сило<strong>в</strong>ую сборку от <strong>в</strong>нутренних коротких<br />
замыканий.<br />
Наоборот, предохранители для отдельных<br />
компоненто<strong>в</strong> подключаются непосредст<strong>в</strong>енно<br />
к сило<strong>в</strong>ому п/п прибору. Они обычно используются<br />
с сило<strong>в</strong>ыми диско<strong>в</strong>ыми биполярными<br />
п/п приборами.<br />
При проектиро<strong>в</strong>ании предохранительных<br />
цепей защиты сборок BipSTACK должны<br />
23
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 4’2010<br />
Сило<strong>в</strong>ая элементная база<br />
учиты<strong>в</strong>аться следующие наиболее <strong>в</strong>ажные<br />
критерии:<br />
• напряжение <strong>в</strong>озникно<strong>в</strong>ения дуги <strong>в</strong> предохранителе<br />
не должно пре<strong>в</strong>ышать амплитуду<br />
максимальнодопустимого напряжения<br />
обратного <strong>в</strong>осстано<strong>в</strong>ления сило<strong>в</strong>ых п/п<br />
приборо<strong>в</strong>;<br />
• при длительной работе сборки через сило<strong>в</strong>ые<br />
компоненты протекает номинальный ток;<br />
• напряжение короткого замыкания питающей<br />
сети или трансформатора ≥2%;<br />
• попра<strong>в</strong>очные коэффициенты (например,<br />
по температуре окружающей среды и т. д.).<br />
Предохранители я<strong>в</strong>ляются дополнительными<br />
комплектующими для стандартных <strong>в</strong>ерсий<br />
сило<strong>в</strong>ых сборок BipSTACK, поэтому при заказе<br />
они должны ого<strong>в</strong>ари<strong>в</strong>аться отдельно, за исключением<br />
тех случае<strong>в</strong>, когда предохранители<br />
уже <strong>в</strong>строены <strong>в</strong> сило<strong>в</strong>ые сборки.<br />
Сило<strong>в</strong>ые сборки на осно<strong>в</strong>е сило<strong>в</strong>ых диско<strong>в</strong>ых<br />
биполярных п/п приборо<strong>в</strong>, снабженные<br />
предохранителями, как пра<strong>в</strong>ило, обеспечи<strong>в</strong>аются<br />
<strong>в</strong>озможностью контроля за ними путем<br />
коммутации специально устано<strong>в</strong>ленного<br />
микропереключателя через механическое<br />
устройст<strong>в</strong>о контроля.<br />
Импульсные трансформаторы<br />
Импульсные трансформаторы используются<br />
<strong>в</strong> сило<strong>в</strong>ых тиристорных сборках. Их осно<strong>в</strong>ное<br />
предназначение — обеспечение галь<strong>в</strong>анической<br />
раз<strong>в</strong>язки между упра<strong>в</strong>ляющим <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одом<br />
сило<strong>в</strong>ого тиристора и его драй<strong>в</strong>ером.<br />
Импульсные трансформаторы я<strong>в</strong>ляются<br />
дополнительными комплектующими для<br />
сило<strong>в</strong>ых сборок BipSTACK, их заказ <strong>в</strong>сегда<br />
ого<strong>в</strong>ари<strong>в</strong>ается отдельно.<br />
Механическая конструкция<br />
сило<strong>в</strong>ых биполярных сборок<br />
BipSTACK<br />
По механической конструкции сило<strong>в</strong>ые<br />
сборки BipSTACK усло<strong>в</strong>но можно разделить<br />
на д<strong>в</strong>е большие группы:<br />
• сборки BipSTACK с модульными сило<strong>в</strong>ыми<br />
п/п приборами, которые используются<br />
<strong>в</strong> области низких токо<strong>в</strong> и напряжений;<br />
• сборки BipSTACK с диско<strong>в</strong>ыми сило<strong>в</strong>ыми<br />
п/п приборами, которые используются<br />
<strong>в</strong> области низких и <strong>в</strong>ысоких напряжений<br />
среднего мощностного диапазона, а также<br />
<strong>в</strong> диапазоне очень больших мощностей<br />
и областях применения со с<strong>в</strong>ерхмощными<br />
пределами по току и напряжению, таких<br />
как, например, импульсная преобразо<strong>в</strong>ательная<br />
техника большой мощности.<br />
Внутри этих д<strong>в</strong>ух осно<strong>в</strong>ных групп сило<strong>в</strong>ые<br />
сборки можно подразделить на сборки с <strong>в</strong>оздушным,<br />
<strong>в</strong>одяным и масляным охлаждением.<br />
В конечном итоге <strong>в</strong>ыбор сило<strong>в</strong>ого п/п прибора<br />
будет определять область применения сборки,<br />
а по нему уже, <strong>в</strong> с<strong>в</strong>ою очередь, будет подбираться<br />
подходящий радиатор охлаждения.<br />
Пример механической конструкции <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтной<br />
сило<strong>в</strong>ой биполярной сборки при<strong>в</strong>еден<br />
на рис. 12.<br />
Сборки BipSTACK с модульными<br />
сило<strong>в</strong>ыми п/п приборами<br />
Модульные сило<strong>в</strong>ые п/п приборы имеют<br />
корпуса, у которых для электрических соединений<br />
предусмотрены сило<strong>в</strong>ые контактные<br />
клеммы, а для обеспечения надежного тепло<strong>в</strong>ого<br />
контакта с радиатором устано<strong>в</strong>лено<br />
металлическое осно<strong>в</strong>ание. Сило<strong>в</strong>ые клеммы<br />
и осно<strong>в</strong>ание модуля электрически между собой<br />
никак не с<strong>в</strong>язаны, следо<strong>в</strong>ательно, электрический<br />
потенциал радиатора не за<strong>в</strong>исит от потенциала<br />
сило<strong>в</strong>ых клемм и лежит <strong>в</strong> пределах<br />
допустимого регламента по изоляционным<br />
с<strong>в</strong>ойст<strong>в</strong>ам модуля.<br />
Сборки BipSTACK на осно<strong>в</strong>е модульных<br />
сило<strong>в</strong>ых п/п приборо<strong>в</strong> позиционируются<br />
на применение <strong>в</strong> диапазоне мощности <strong>в</strong> несколько<br />
сотен кило<strong>в</strong>атт. При хорошем охлаждении<br />
максимальное дейст<strong>в</strong>ующее значение<br />
тока <strong>в</strong> про<strong>в</strong>одящем состоянии ограничи<strong>в</strong>ает<br />
скорее не сам полупро<strong>в</strong>одник, а <strong>в</strong>нутренняя<br />
конструкция его модульного корпуса.<br />
Пре<strong>в</strong>ышение максимального дейст<strong>в</strong>ующего<br />
значения тока <strong>в</strong> про<strong>в</strong>одящем состоянии, даже<br />
при достаточно эффекти<strong>в</strong>ном охлаждении,<br />
при<strong>в</strong>одит к тому, что <strong>в</strong> модульном п/п приборе<br />
<strong>в</strong>ыделяется настолько большая мощность<br />
потерь, что тепло может передаться обратно<br />
<strong>в</strong> п/п кристалл прибора.<br />
Сборки BipSTACK с диско<strong>в</strong>ыми<br />
сило<strong>в</strong>ыми п/п приборами<br />
Сило<strong>в</strong>ые диско<strong>в</strong>ые п/п приборы, <strong>в</strong> отличие<br />
от модульных, имеют д<strong>в</strong>усторонний контакт<br />
Рис. 12. Пример механической конструкции<br />
<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтной сило<strong>в</strong>ой биполярной сборки<br />
(30 кВ, 40 кА, длительность рабочего<br />
импульса 10 мс) на осно<strong>в</strong>е <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных<br />
сило<strong>в</strong>ых оптотиристоро<strong>в</strong> для преобразо<strong>в</strong>ателя<br />
импульсной мощности<br />
для охлаждения. Такие п/п приборы могут<br />
быть устано<strong>в</strong>лены <strong>в</strong> радиатор охлаждения<br />
между д<strong>в</strong>умя его поло<strong>в</strong>инками. В за<strong>в</strong>исимости<br />
от типа радиатора и размера диско<strong>в</strong>ого<br />
п/п прибора <strong>в</strong> радиатор охлаждения может<br />
быть устано<strong>в</strong>лено несколько сило<strong>в</strong>ых п/п<br />
приборо<strong>в</strong>.<br />
Заключение<br />
В заключение можно отметить, что фирма<br />
Infineon предлагает разработчикам устройст<strong>в</strong><br />
сило<strong>в</strong>ой электроники широкие <strong>в</strong>озможности<br />
<strong>в</strong> области решения <strong>в</strong>опросо<strong>в</strong> по расчету<br />
и проектиро<strong>в</strong>анию сило<strong>в</strong>ых биполярных сборок.<br />
Семейст<strong>в</strong>о BipSTACK, несмотря на функциональную<br />
простоту, за счет электрической<br />
конфигурируемости и конструкти<strong>в</strong>ной гибкости<br />
практически полностью покры<strong>в</strong>ает <strong>в</strong>се<br />
технические потребности, имеющиеся у заказчико<strong>в</strong>.<br />
Для расчета сило<strong>в</strong>ых биполярных<br />
сборок BipSTACK инженеру необходимо<br />
просто заполнить несложный опросный технический<br />
лист, предоста<strong>в</strong>ляемый фирмой<br />
Infineon, и отпра<strong>в</strong>ить его <strong>в</strong> адрес фирмыизгото<strong>в</strong>ителя.<br />
Литература<br />
1. Копыло<strong>в</strong> А. Сило<strong>в</strong>ые сборки фирмы Infineon.<br />
Часть 1 // Сило<strong>в</strong>ая <strong>электроника</strong>. 2010. № 2.<br />
2. Копыло<strong>в</strong> А. Сило<strong>в</strong>ые сборки фирмы<br />
Infineon. Часть 2 // Сило<strong>в</strong>ая <strong>электроника</strong>.<br />
2010. № 3.<br />
3. www.infineon.com.<br />
4. BipSTACK. Rectifiers and AC-Controllers.<br />
Documentation and Operating Instructions.<br />
Infineon Technologies AG. March, 2009.<br />
24 www.power-e.ru
Change language