А. Колпаков

    Силовая электроника раздел электронной техники, занимающийся управлением электроэнергетическими потоками посредством электронных приборов. Электронные элементы силовых приводов работают либо в линейных режимах (при небольших мощностях), либо в импульсных. Подавляющее большинство современных силовых устройств работает именно в импульсных режимах, так как только они обеспечивают высокий КПД при минимальных весогабаритных показателях.
    Революционный этап развития силовой техники начался в 80-е годы с появлением технологии мощных полевых транзисторов MOSFET, биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT, управляемых симисторов TRIAC, тиристоров с управляемым затвором GTO. Одновременно создавались интегральные схемы управления этими приборами драйверы, осуществляющие ряд сервисных функций: защита от перегрузки, формирование сигналов обратной связи, контроля и индикации.
    Развитие микропроцессорной техники позволило создать специализированные микроконтроллеры, предназначенные для работы совместно с драйверами и решения конкретных проблем, таких как, например, управление электроприводом. Специализированные микроконтроллеры на сегодняшний день выпускаются многими фирмами. Среди них MOTOROLA, Analog DeviceS и ряд других. Архитектура их адаптирована для выполнения рекуррентных полиномиальных вычислений, что сокращает время расчета. Хорошим примером может служить 16-разрядный цифровой сигнальный процессор ADSP-2181 фирмы Analog DeviceS. Время реализации алгоритма ПИД-регулятора у него в 10 раз меньше, чем у самых быстродействующих на сегодняшний день микроконтроллеров SAB80C166 фирмы SIEMENS.
    Однако, именно силовые каскады приводов, осуществляющие непосредственное управление исполнительными двигателями, остаются узлами, определяющими надежность всей системы, мощностные параметры и во многом стоимость. Поэтому разработка любого привода должна начинаться с оптимального выбора элементов для силового каскада, расчета режимов работы с учетом специфики их применения.
    Некоторое представления об областях применения различных силовых компонентов в зависимости от мощности и частоты, а также тенденциях развития, дает диа-грамма, приведенная на рис. 1. В общем случае для высокочастотных низковольтных каскадов наиболее подходят MOSFET, для высоковольтных сверхмощных GTO и промежуточное положение занимают IGBT наиболее динамично развивающийся класс силовых приборов. Это, конечно, не догма, а общие соображения, поскольку эти области часто пересекаются. Например, фирма IXYS выпускает полевые транзисторы по BIMOSFET технологии на напряжение 1600 В. Как правило, предпочтение в пользу того или иного компонента, предельные параметры которых близки, можно отдать только после расчета статических и динамических потерь.

Рис. 1

    Остановимся подробней на вопросах применения мощных компонентов, выполненных по различным технологиям. Говоря о MOSFET, необходимо в первую очередь упомянуть продукцию фирмы International Rectifier (IR), по лицензиям которой выпускается большинство полевых транзисторов в мире.
    Транзисторы IR третьего поколения, появившиеся 5 лет назад, имели улучшенные статические и динамические параметры. Эти транзисторы допускали лавинный пробой ограниченной энергии и имели внутренние диоды с малым временем обратного восстановления, что позволило строить надежные и экономичные мостовые и полумостовые схемы и работать на индуктивную нагрузку без защитного диода. Недавно фирма приступила к выпуску MOSFET пятого поколения, в которых за счет новой четырехслойной технологии изготовления основные параметры, в том числе и допустимая энергия лавинного пробоя, были улучшены еще на 30-50%!
    Наибольшей популярностью пользуются полевые транзисторы в корпусах для поверхностного монтажа (SM Surface Mount). Такие транзисторы могут устанавливаться на плату непосредственно рядом с контроллером, что обеспечивает минимальные паразитные параметры линий связи и позволяет строить сверхминиатюрные устройства. В таблице показаны разновидности SM корпусов, достижимое сопротивление открытого канала RDS(on) и максимальная мощность. Полевые транзисторы в микрокорпусах позволяют получить высочайшие значения плотности мощности.
    К ним относятся, например, N-канальный IRF7403, рассчитанный на напряжение 30 В, ток 8 А и имеющий сопротивление открытого канала 22 мОм или Р-канальный IRF7416 (30 В, 10 А и 20 мОм). В SM корпусах выпускаются также и сборки, включающие как транзисторы одного типа проводимости, так и N- и P-канальные транзисторы в одном корпусе (например, IRF7319). Предельная рассеиваемая мощность для таких корпусов 2 Вт при мощности, отдаваемой в нагрузку, более 200 Вт! Для больших мощностей выпускаются MOSFET модули на 600 Вт и более, например IRFK6H250 (Напряжение 200 В, ток 140 А, сопротивление канала 15 мОм).

Таблица

    В области высоких напряжений, больших мощностей (до сотен кВт) и частот до 50 кГц используются, в основном, биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT. Сейчас эти элементы занимают наибольший сектор рынка силовых полупроводников. Диапазоны коммутируемых напряжений и токов для сов-ременных IGBT простираются до 1700 В и 2400 А (FZ2400R17KF6 фирмы SIEMENS). Основной особенностью этих элементов, ограничивающей их применение на высоких частотах, является наличие так называемого "хвоста" остаточного тока коллектора при выключенном затворе из-за рассасывания неосновных носителей в области базы биполярной части транзистора. В среднем на частотах свыше 10 кГц допустимый ток коллектора падает более чем в три раза по сравнению с током на низких частотах.
    Однако, и с этим недостатком ведется успешная борьба. Недавно в производственной программе International Rectifier появились IGBT транзисторы класса WARP Speed, рассчитанные на рабочие частоты до 150 кГц, способные заменить MOSFET в ряде применений. Не занимаясь разработкой элементов для сверхмощных применений, фирма IR наибольшее внимание уделяет улучшению частотных свойств IGBT и созданию функциональных модулей, являющихся законченными силовыми устройствами. Это чопперы, полумосты, полные трехфазные мосты и драйверы трехфазных двигателей powlRtrain.

Рис. 2

    На рис. 2 показан модуль IRPT3054, объединяющий трехфазный выпрямитель, тормозной транзистор, полный трехфазный мост и датчики температуры и перегрузки по току. Транзисторы, примененные в модуле, рассчитаны на ток до 30 А и напряжение до 1200 В, что позволяет питать модуль от трехфазной сети напряжением до 480 В. В сочетании с драйвером полного трехфазного моста и контроллером модуль образует законченный малогабаритный силовой привод. Для связи контроллера и силового каскада фирма IR выпускает драйверы всех конфигураций, осуществляющие все необходимые сервисные функции, в том числе драйвер полного трехфазного моста на напряжение 1200 В, предназначенный для управления модуля, описанного выше.

Рис. 3

    Большое внимание уделяется также созданию так называемый "интеллектуальных силовых модулей", объединяющих в одном корпусе силовой элемент и драйвер и имеющих полную внутреннюю защиту. Примером таких устройств является серия PowlRSafe фирмы IR или серия PROFET фирмы SIEMENS. Структурная схема модуля IR6226 (напряжение 55 В, ток 20 А) приведена на рис. 3. Основные особенности:

• ограничение тока при перегрузке в ШИМ режиме;
• защита от перегрева;
• активное ограничение отрицательных выбросов;
• защита от обрыва силовой "земли";
• защита от падения напряжения управления;
• защита от статического электричества 4 кВ на всех выводах;
• изоляция логической и силовой "земли".

    Для связи процессора с однофазными исполнительными устройствами, рассчитанными на работу от промышленной сети, служат драйверы симисторов с оптической развязкой. Одним из применений таких схем служат компьютерные системы регулирования освещения на крупных предприятиях, позволяющие резко снизить энергопотребление. В качестве примера можно назвать микросхемы серии MOC30** фирмы MOTOROLA. При токе управления 5-15 мА, они способны работать на симистор с напряжением до 800 В и током управления до 1 А. На рис. 4 приведена схема включения MOC308* вместе с силовым симистором.

Рис. 4

    Краткий обзор современных силовых элементов не позволяет рассказать обо всех компонентах, доступных сейчас на рынке, и об особенностях их применения. Однако об одном сказать необходимо. Проблемы создания силового привода отнюдь не исчерпываются составлением программы обработки сигнала для микроконтроллера. Разработчики, практически работающие с силовыми каскадами, наверняка испытывали ни с чем не сравнимое ощущение, когда собранная схема взрывается после включения, покрывая все пеплом. Естественно, анализировать причину отказа в таком случае невозможно. А возможная причина, как правило, кроется или в неправильном выборе силовых компонентов, или в некорректном расчете элементов схемы, либо в пренебрежении к правилам защиты от статического электричества. При кажущейся простоте современные силовые каскады требуют очень внимательного подхода к расчету и проектированию, как в схемотехнике, так и в топологии. При выборе элементов необходимо учитывать не только предельные режимы и частотные свойства (в том числе динамические потери, которые могут превышать статические), но и тепловые режимы работы. В руководствах по применению транзисторов IGBT фирмы International Rectifier указывается, что главным ограничением при эксплуатации являются не предельные токи, а температура кристалла, расчет которой представляет собой довольно сложную проблему, учитывая много взаимозависящих факторов.
    Только компьютерное моделирование схем, без которого немыслима современная разработка, позволяет учесть все требования по применению новых элементов и обеспечить необходимые режимы работы. Компьютерные средства разработки позволяют учесть даже паразитные емкости и индуктивности, вносимые печатными платами. Наиболее мощной программой, позволяющими осуществлять такой анализ, на сегодняшний день являются PSPICE, а математические SPICE модели, разработанные специалистами IR для MOSFET и IGBT транзисторов и диодов HEXFRED, позволяют производить моделирование с высокой степенью приближения.

Литература

• Иванов В.В., Колпаков А.И. Применение IGBT транзисторов// Электронные компоненты. 1996. ╧ 1.
• Колпаков А.И. Автоматизация теплового расчета оконечных каскадов на IGBT транзисторах// Экспресс-Электроника. 1998. ╧ 5,6.

Фирма "Мега-Электроника"
Санкт-Петербург
Тел. (812) 232-1298
E-mail: andy@megachip.spb.su
http://www.mega-electronica.spb.ru