Силовые привода. Компоненты для выходных каскадов

   
А. Колпаков
Силовые привода. Компоненты для выходных каскадов

Силовая электроника — раздел электронной техники, занимающийся управлениемэлектроэнергетическими потоками посредством электронных приборов. Электронные элементы силовыхприводов работают либо в линейных режимах (при небольших мощностях), либо в импульсных. Подавляющеебольшинство современных силовых устройств работает именно в импульсных режимах, так как только ониобеспечивают высокий КПД при минимальных весогабаритных показателях.
    Революционный этап развития силовой техники начался в 80-е годы с появлением технологии мощных полевыхтранзисторов MOSFET, биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT, управляемых симисторов TRIAC,тиристоров с управляемым затвором GTO. Одновременно создавались интегральные схемы управления этимиприборами — драйверы, осуществляющие ряд сервисных функций: защита от перегрузки, формирование сигналовобратной связи, контроля и индикации.
    Развитие микропроцессорной техники позволило создать специализированные микроконтроллеры, предназначенныедля 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-2181фирмы Analog DeviceS. Время реализации алгоритма ПИД-регулятора у него в 10 раз меньше, чем у самыхбыстродействующих 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. Поэтомуразработка любого привода должна начинаться с оптимального выбора элементов для силового каскада, расчета режимовработы 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 высокочастотныхнизковольтных каскадов наиболее подходят MOSFET, для высоковольтных сверхмощных — GTO и промежуточное положениезанимают IGBT — наиболее динамично развивающийся класс силовых приборов. Это, конечно, не догма, а общиесоображения, поскольку эти области часто пересекаются. Например, фирма IXYS выпускает полевые транзисторыпо 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), полицензиям которой выпускается большинство полевых транзисторов в мире.
    Транзисторы IR третьего поколения, появившиеся 5 лет назад, имели улучшенные статические и динамическиепараметры. Эти транзисторы допускали лавинный пробой ограниченной энергии и имели внутренние диоды с малымвременем обратного восстановления, что позволило строить надежные и экономичные мостовые и полумостовые схемыи 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 допустимаяэнергия 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 максимальнаямощность. 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 сопротивлениеоткрытого 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 Тип SM корпуса RDS, Ом Максимальная мощность, Вт MICR03 0,25 0,54 MICR06 0,1 1,7 MICR08 0,035 1,8 SOT-223 0,031 2,0 S0-8 0,011 2,5

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 рынкасиловых полупроводников. Диапазоны коммутируемых напряжений и токов для сов-ременных IGBT простираются до 1700В 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 InternationalRectifier появились IGBT транзисторы класса WARP Speed, рассчитанные на рабочие частоты до 150 кГц, способныезаменить MOSFET в ряде применений. Не занимаясь разработкой элементов для сверхмощных применений, фирма IRнаибольшее внимание уделяет улучшению частотных свойств IGBT и созданию функциональных модулей, являющихсязаконченными силовыми устройствами. Это чопперы, полумосты, полные трехфазные мосты и драйверы трехфазныхдвигателей powlRtrain.


Рис. 2

На рис. 2 показан модуль IRPT3054, объединяющий трехфазный выпрямитель, тормозной транзистор, полныйтрехфазный 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 напряжениемдо 480 В. В сочетании с драйвером полного трехфазного моста и контроллером модуль образует законченныймалогабаритный силовой привод. Для связи контроллера и силового каскада фирма IR выпускает драйверы всехконфигураций, осуществляющие все необходимые сервисные функции, в том числе драйвер полного трехфазногомоста на напряжение 1200 В, предназначенный для управления модуля, описанного выше.


Рис. 3

Большое внимание уделяется также созданию так называемый “интеллектуальных силовых модулей”, объединяющихв одном корпусе силовой элемент и драйвер и имеющих полную внутреннюю защиту. Примером таких устройствявляется 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 отпромышленной сети, служат драйверы симисторов с оптической развязкой. Одним из применений таких схемслужат компьютерные системы регулирования освещения на крупных предприятиях, позволяющие резко снизитьэнергопотребление. В качестве примера можно назвать микросхемы серии MOC30** фирмы MOTOROLA. При токеуправления 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, доступныхсейчас на рынке, и об особенностях их применения. Однако об одном сказать необходимо. Проблемы созданиясилового привода отнюдь не исчерпываются составлением программы обработки сигнала для микроконтроллера.Разработчики, практически работающие с силовыми каскадами, наверняка испытывали ни с чем не сравнимоеощущение, когда собранная схема взрывается после включения, покрывая всё пеплом. Естественно, анализироватьпричину отказа в таком случае невозможно. А возможная причина, как правило, кроется или в неправильномвыборе силовых компонентов, или в некорректном расчете элементов схемы, либо в пренебрежении к правиламзащиты от статического электричества. При кажущейся простоте современные силовые каскады требуют оченьвнимательного подхода к расчету и проектированию, как в схемотехнике, так и в топологии. При выбореэлементов необходимо учитывать не только предельные режимы и частотные свойства (в том числе динамическиепотери, которые могут превышать статические), но и тепловые режимы работы. В руководствах по применениютранзисторов IGBT фирмы International Rectifier указывается, что главным ограничением при эксплуатацииявляются не предельные токи, а температура кристалла, расчет которой представляет собой довольно сложнуюпроблему, учитывая много взаимозависящих факторов.
    Только компьютерное моделирование схем, без которого немыслима современная разработка, позволяет учестьвсе требования по применению новых элементов и обеспечить необходимые режимы работы. Компьютерные средстваразработки позволяют учесть даже паразитные емкости и индуктивности, вносимые печатными платами. Наиболеемощной программой, позволяющими осуществлять такой анализ, на сегодняшний день являются PSPICE, аматематические SPICE модели, разработанные специалистами IR для MOSFET и IGBT транзисторов и диодовHEXFRED, 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: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.