Рубрики
Электрическая сопоставимость

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей частоты систем индукционного нагрева

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей частоты систем индукционного нагрева Алексей Гришанин Вячеслав Мускатиньев Алексей Бормотов В данной статье представлены результаты

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей частоты систем индукционного нагрева Алексей Гришанин Вячеслав Мускатиньев Алексей Бормотов

В данной статье представлены результаты работы в области проектирования силовых полупроводниковых ключей для преобразователей частоты, используемых в технологии индукционного нагрева металлов. Новые разработки профессионалов ОАО «Электровыпрямитель» позволяют потребителю более правильно реализовывать схемотехнические решения при построении источников питания систем индукционного нагрева, улучшив их эффективность, минимизировав цена и габариты преобразователей.

Введение

Индукционный нагрев как высокоэффективный метод термической обработки при воздействии на металл переменных токов высочайшей частоты обширно всераспространен в разных областях индустрии (пайка, закалка, плавка, литье и т. д.). В качестве источников питания систем индукционного нагрева для всего обилия технологических процессов используются частотные преобразователи со звеном неизменного тока на базе композиции сетевого выпрямителя и однофазового автономного инвертора. Автономные инверторы таких схем могут быть выполнены в качестве инвертора тока либо напряжения, с внедрением разных типов силовых полупроводниковых ключей [1–3].

Более действенное регулирование электронных режимов электротермических установок большой и средней мощности обеспечивается применением тиристорных преобразователей завышенной частоты (от 500 Гц до 22 кГц) на базе автономных инверторов тока. Часто автономный инвертор в тиристорных преобразователях частоты выполнен по несимметричной схеме на одном тиристоре с диодиком оборотного тока, показавшей высшую эффективность в установках индукционного нагрева [1]. Другой тип автономных инверторов характеризуется внедрением генератора неизменного напряжения на входе, что дает возможность более просто воплотить схемы источников питания для индукционных систем, работающих на больших частотах (66–440 кГц) при сравнимо низких мощностях. Схемы инверторов напряжения, обычно, строятся на стопроцентно управляемых ключах [2].

Силовые полупроводниковые приборы (диоды, тиристоры, транзисторы с изолированным затвором) являются главными элементами инверторной части схем преобразователей частоты для систем индукционного нагрева. Исследования и опыт эксплуатации таких систем демонстрируют, что уровень надежности преобразователей частоты в главном определяется надежностью силовых полупроводниковых устройств и находится в зависимости от их характеристик и черт, эффективности остывания и схемы управления [4]. Целью данной статьи является короткое знакомство разработчиков преобразователей частоты для питания систем индукционного нагрева с новыми изделиями силовой электроники производства ОАО «Электровыпрямитель», нацеленными на применение в данной технологии.

Тиристоры с асимметричной блокирующей чертой

В качестве коммутирующих частей силовой части несимметричной одноячейковой схемы автономного инвертора с удвоением частоты, получившей обширное распространение в схемотехнике источников питания массивных систем индукционного нагрева, употребляется встречно-параллельное соединение частотных тиристора VS и оборотного диодика VD (рис. 1). Силовые коммутирующие элементы — конденсатор С и индуктивность нагрузки L — обеспечивают колебательный нрав выходного тока. Работа автономного инвертора характеризуется наличием резонансного режима, при котором реализуется нужная продолжительность интервала протекания тока через оборотный диодик. Этот интервал обеспечивает коммутационную устойчивость автономного инвертора во время восстановления тиристора [5]. Таким макаром, оборотные диоды в тиристорном инверторе «сбрасывают» излишнюю реактивную мощность колебательного контура нагрузки и стабилизируют напряжение на силовых элементах тиристорного преобразователя частоты при переменной нагрузке [6].

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей частоты систем индукционного нагрева

Рис. 1. Четвертьмостовой инвертор тока

Частота является очень принципиальным параметром при индукционном нагреве, так как она, сначала, определяет глубину проникания тока и, как следует, глубину нагрева. Частота также является принципиальным параметром при проектировании источников питания индукционного нагрева, потому что силовые полупроводниковые приборы этих источников выбираются зависимо от частоты, на которой они работают [7]. Развитие силовой полупроводниковой электроники, а именно, в области проектирования частотных быстродействующих тиристоров, изготовляемых на базе четырехслойных полупроводниковых p-n-p-n-структур, связано с одновременным увеличением быстродействия и коммутируемой мощности. Но эти требования противоречивы: повышение напряжения ограничивается критичной величиной напряженности поля, превышение которой приводит к электронному пробою кремниевой структуры, а понижение напряженности за счет роста базисных слоев полупроводниковой структуры приводит, обычно, к утрате быстродействия устройств и завышенным энергетическим потерям во включенном состоянии.

Как видно из схемы, приведенной на рис. 1, от тиристора не требуется оборотного блокируемого напряжения, так как присоединенный встречно-параллельно диодик будет выводить оборотный ток нагрузки, минуя тиристор. В согласовании с особенностями схемы оборотное напряжение на тиристоре будет складываться из прямого падения напряжения на диодике и падения напряжения, обусловленного паразитной индуктивностью шин, соединяющих тиристор и диодик. Таким макаром, тиристорам, используемым в схожих схемах, нет необходимости иметь высшую блокирующую способность в оборотном направлении.

Одним из действенных решений увеличения рабочих частот является создание тиристоров с асимметричной блокирующей чертой на базе пятислойной кремниевой структуры p+-n’-n-p-n+-типа. Схемотехническая особенность использования тиристоров со встречно-параллельным диодиком позволяет значительно сделать лучше главные электронные характеристики тиристора за счет сотворения в слаболегированной n-базе буферного n’-слоя. Буферный n’-слой предутверждает проникновение области пространственного заряда коллекторного p-n-перехода вглубь n-базы до смыкания с анодным p+-эмиттером (эффект «прокола»), что позволяет существенно понизить суммарную толщину n-базы при данном значении величины блокируемого напряжения, уменьшить значение импульсного напряжения в открытом состоянии и время выключения, понизить коммутационные утраты и сделать лучше частотные свойства. Но при всем этом значительно понижается величина оборотного напряжения. Это напряжение, обычно, составляет 5–10 В. Тиристоры с n+-p-n-n’-p-структурами, допустимые оборотные напряжения которых намного меньше допустимых напряжений в закрытом состоянии, получили заглавие «асимметричные».

На рис. 2 представлены структура и рассредотачивание электронного поля тиристора с симметричной блокирующей способностью и асимметричного тиристора, спроектированных для эксплуатации при схожих блокирующих напряжениях.

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей частоты систем индукционного нагрева

Рис. 2. Структура и рассредотачивание электронного поля n+-p-n-p-тиристора с симметричной блокирующей способностью и асимметричного n+-p-n-n’-p-тиристора: а) тиристор с симметричной блокирующей способностью; б) асимметричный тиристор

Номенклатура асимметричных тиристоров производства ОАО «Электровыпрямитель» и их главные характеристики приведены в табл. 1.

Таблица 1. Главные характеристики асимметричных тиристоров

Тип VDRM/VRRM IT(AV) (TC, °C) ITSM (10мс) VT(TO) (TVJM) rT (TVJM) (diT/dt)cr (TVJM) (dvD/dt)cr (TVJM) tqt tq (TVJM) Rth(j–c) TVJM В А кА В мОм A/мкс В/мкс мкс мкс °C/Вт °C ТАИ123-250 600–1500/7 250(92) 3,0 1,20 0,95 1000 1000 2,0–3,2 8–16 0,070 125 ТАИ133-500 600–1500/7 500(93) 6,5 1,10 0,55 1000 1000 2,0–3,2 8–16 0,035 125 ТАИ143-800 600–1500/7 800(86) 10,5 1,10 0,25 1000 1000 2,0–3,2 8–16 0,028 125 ТАИ153-800 2400–3400/7 815(85) 16,0 1,65 0,40 1000 1000 2,0–3,2 40–63 0,020 125 ТАИ253-1000 1000–1500/7 1000(80) 16,0 1,60 0,25 1000 1000 2,0–3,2 8–12,5 0,020 125

Приборы сделаны на кремниевых структурах поперечником 24, 32, 40, 56 мм и собраны в металлокерамические корпуса таблеточной конструкции (рис. 3). Вид погодных выполнений тиристоров УХЛ и Т по ГОСТ 15150. Спектр рабочих температур –60…+125 °С. Тиристоры владеют завышенной механической прочностью, накрепко работают при воздействии вибрационных нагрузок в спектре частот 1–2000 Гц с ускорением 200 м/с2, также при одиночных и неоднократных ударах с ускорением, подходящим 10000 и 1500 м/с2. В данной серии частотных тиристоров употребляются новые конструктивные решения и передовые технологические процессы производства: имплантация фосфора при разработке однородного буферного n’-слоя и разработка электрического облучения с целью регулирования времени выключения тиристора.

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей частоты систем индукционного нагрева

Рис. 3. Частотные тиристоры серии ТАИ

Улучшение частотных черт получается из-за понижения энергии утрат не только лишь в процессе выключения, да и в процессе включения, так как употребляется уникальная топология управляющего разветвленного электрода с внутренним усилением, которая наращивает область начального включения и уменьшает продолжительность шага распространения включенного состояния. Благодаря надежному включению и малым коммутационным потерям тиристоры серии ТАИ способны работать на частотах до нескольких 10-ов килогерц. Действенная шунтировка катодного эмиттера обеспечивает прибору долгосрочную эксплуатацию в режиме больших скоростей нарастания прямого напряжения (dvD/dt≥1000 В/мкс). Улучшение черт асимметричных тиристоров по сопоставлению с частотными тиристорами с симметричной блокирующей чертой тем заметнее, чем выше их напряжение переключения.

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей частоты систем индукционного нагрева

Рис. 4. а) Суммарная энергия утрат тиристора ТАИ153-800 на один импульс тока синусоидальной формы; б) зависимость рабочей частоты тиристора ТАИ153-800 от продолжительности импульсов тока синусоидальной формы

На рис. 4 приведены частотные свойства тиристора ТАИ153-800-34 — самого массивного из представленной серии.

Тиристорно-диодный модуль на базе асимметричного тиристора

Современный рынок преобразователей для индукционного нагрева просит неизменного понижения цены и габаритных размеров преобразователей. Для удачного решения этих задач нужно увеличивать эффективность работы силовых ключей. Основными направлениями развития силовой электроники являются рост коммутируемой единичным ключом мощности, повышение степени интеграции и эффективности систем остывания. Значимый эффект в схемах автономных инверторов тока может дать переход на модульное выполнение встречно-параллельного соединения тиристор–диодик. Модульное выполнение имеет определенные достоинства перед дискретными асимметричными тиристорами и быстровосстанавливающимися диодиками, соединенными встречно-параллельно: удобство монтажа (один корпус заместо 2-ух), сокращение паразитной индуктивности шин, соединяющих полупроводниковые элементы, наименьшая цена.

Специально для внедрения в источниках питания систем индукционного нагрева разработан частотный тиристорно-диодный модуль на базе асимметричного импульсного тиристора и быстровосстанавливающегося диодика с поперечником полупроводникового элемента 40 мм (рис. 5).

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей частоты систем индукционного нагрева

Рис. 5. Частотный тиристорно-диодный модуль МТАИДЧ-400-16

Модуль МТАИДЧ-400-16 рассчитан на ток 400 А, прямое напряжение до 1600 В и оптимизирован для внедрения в схемах источников питания преобразователей завышенной частоты для индукционного нагрева. Главные характеристики модуля приведены в табл. 2.

Таблица 2. Главные характеристики модуля МТАИДЧ-400-16

Тип VDRM VRRM IT(AV) (TC, °C) ITSM (10мс) VT(TO) (TVJM) rT (TVJM) (diT/dt)cr (TVJM) (dvD/dt)cr (TVJM) tq/trr (TVJM) Rth(j-c) TVJM Visol В В A кА В мОм A/мкс В/мкс мкс °C/Вт °C В МТАИДЧ-400 1200–1600 71) 400 (69) 7,0 1,80 0,53 1000 1000 12/1,5 0,060/0,030 125 3000 1200–16002) Примечание: 1) для встречно-параллельного соединения тиристора и диодика;
2) для поочередного соединения тиристора и диодика

Приборы имеют низкие времена выключения тиристора и оборотного восстановления диодика, высшую стойкость к (diT/dt)cr, (dvD/dt)cr. Частотные свойства модуля МТАИДЧ-400-16 приведены на рис. 6.

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей частоты систем индукционного нагрева

Рис. 6. а) Суммарная энергия утрат модуля МТАИДЧ-400-16 на один импульс тока синусоидальной формы; б) зависимость рабочей частоты модуля МТАИДЧ-400-16 от продолжительности импульсов тока синусоидальной формы

На рис. 7–10 приведены главные свойства модуля и зависимости характеристик от режимов работы в схеме.

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей частоты систем индукционного нагрева

Рис. 7. Предельные вольт-амперные свойства модуля МТАИДЧ-400-16 в открытом состоянии

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей частоты систем индукционного нагрева

Рис. 8. Очень допустимая температура корпуса модуля МТАИДЧ-400-16 при разных углах управления и разных формах тока

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей частоты систем индукционного нагрева

Рис. 9. Зависимость заряда оборотного восстановления диодика модуля МТАИДЧ-400-16 от скорости спада тока

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей частоты систем индукционного нагрева

Рис. 10. а) Зависимость времени выключения тиристора модуля МТАИДЧ-400-16 от температуры перехода; б) зависимость времени выключения от скорости спада тока в открытом состоянии

Приборы выполнены в крепких пластмассовых корпусах, основание изолировано от силового и управляющего выводов при помощи теплопроводящей керамики из нитрида алюминия. Напряжение изоляции более 3 кВ. Ширина медного основания модуля 60 мм. Модульная конструкция соединения тиристора и диодика в купе с внутренней изоляцией позволяет значительно упростить конструкцию силовой схемы, понизить издержки монтажа и обслуживания преобразовательного устройства. Прецизионные прижимающие контактные соединения в модулях обеспечивают надежную работу при долговременной эксплуатации в повторяющемся режиме.

Новый тип модуля позволяет разработчику схем частотных преобразователей воплотить два вероятных варианта соединения тиристора и диодика — встречнопараллельное и последовательное. Для встречно-параллельного нужно при помощи шины соединить силовые выводы катода тиристора и анода диодика. С целью минимизации паразитных индуктивностей нужно использовать мультислойные силовые шины. Применение модуля по данной схеме соединения позволяет проектировать вентильные ячейки, проводящие ток в оборотном направлении в преобразователях с естественной коммутацией без приложения оборотного напряжения.

Для реализации вентильной ячейки с оборотной блокирующей способностью силовые выводы модуля не закорачиваются. Благодаря этому можно получить последовательное соединение асимметричного тиристора и быстровосстанавливающегося диодика.

Низкие утраты разработанных устройств открывают широкие способности для разработки новых устройств источников питания с огромным коэффициентом полезного деяния преобразуемой мощности.

IGBT-модуль с SiC-диодами Шоттки

Совместно с развитием полупроводниковых компонент силовой электроники совершенствуется и схемотехника преобразователей частоты для индукционного нагрева [8]. Согласно явлению электрической индукции, эффект нагрева вырастает с повышением частоты переменного тока. Разработка транзисторных преобразователей в спектрах мощностей (сотки кв) и больших частот (10-ки килогерц) представляет собой сложную техно делему. Для решения намеченной цели требуются более быстродействующие, чем выпускаемые сейчас, силовые электрические составляющие, способные отлично работать на больших частотах.

Основными элементами массивных высокочастотных преобразователей являются стопроцентно управляемые ключи — биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Производимые сейчас массивные IGBT-модули предусмотрены в главном для обычных применений (электропривод, электроэнергетика, агрегаты бесперебойного питания) и остаются сравнимо низкочастотными. В ОАО «Электровыпрямитель» разработана и внедрена в создание серия IGBT-модулей на токи 25–4800 А, напряжения 600–6500 В. Модули выпускаются по схемам одиночных ключей, чопперов, полумостов и трехфазных инверторов. Они соответствуют требованиям интернациональных эталонов и взаимозаменяемы со многими забугорными аналогами, продающимися на русском рынке. В текущее время предприятием выполняются IGBT-модули на базе кристаллов нескольких поколений, отличающихся технологией производства. В модулях предусмотрены защитные диоды оборотного тока с мягенькими чертами оборотного восстановления. Основная номенклатура этих устройств выпускается в стандартных корпусах и создана для статических преобразователей частоты, применяемых в разных отраслях индустрии, транспорте, в энергетических системах [9].

Значительно сделать лучше частотные характеристики IGBT технологическими приемами не получится в силу особенностей конструкции кристаллов. Потому создавать высокочастотные преобразователи большой мощности для питания систем индукционного нагрева с высочайшими технико-экономическими чертами на серийных IGBT-модулях нужно за счет внедрения новейшей схемотехники и новых методов управления.

Большая часть схемотехнических решений инверторов устройств питания употребляют оборотные SFRD-диоды. Энергия утрат IGBT-транзистора при его включении находится в зависимости от свойства оборотного восстановления встречно-параллельного SFRD-диода. Применение диодов на базе SiC в купе с новейшей схемотехникой позволяет отлично использовать IGBT-модули в массивных преобразователях для технологий индукционного нагрева на частотах 20–100 кГц.

Одной из последних разработок в данном направлении является частотный IGBT-модуль с диодиками Шоттки М2ТКИ-50-12ЧШ (рис. 11) для преобразователей частоты систем индукционного нагрева с частотой комм
утации до 50 кГц. Модуль выполнен по схеме полумоста с частотным IGBT и интегрированным быстродействующим SiC-диодом Шоттки на ток 50 А и напряжение 1200 В.

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей частоты систем индукционного нагрева

Рис. 11. Модуль М2ТКИ-50-12ЧШ

Достоинства разработанного модуля М2ТКИ-50-12ЧШ с SiC-диодами Шоттки по отношению к аналогичному модулю М2ТКИ-50-12Ч с комплектными SFRD-диодами на базе Si:

  • понижение энергии коммутационных утрат при включении транзистора Eon на 65%;
  • понижение энергии коммутационных утрат при оборотном восстановлении диодика Erec в 13 раз;
  • фактически нулевой заряд оборотного восстановления диодика Qrr.

На рис. 12 приведены сравнительные осциллограммы в период коммутационных переключений вышеуказанных модулей.

Силовые полупроводниковые ключи для преобразователей частоты систем индукционного нагрева

Рис. 12. Сравнительные осциллограммы тока и напряжения при коммутации IGBT-модулей

За счет внедрения разработанных модулей в источниках питания систем индукционного нагрева и, а именно, за счет уменьшения утрат в силовых ключах и демпферных цепях можно достигнуть увеличения выходной мощности, понижения габаритных размеров преобразователя и уменьшить его цена.

Заключение

Выставленные разработки силовых полупроводниковых ключей производства ОАО «Электровыпрямитель» позволяют потребителю более правильно реализовывать схемотехнические решения при построении источников питания систем индукционного нагрева, увеличив их эффективность, минимизировав цена и габариты преобразователей. Более подробная информация о производимых компанией СПП представлена в разделе «Полупроводниковые приборы силовой электроники» на веб-сайте www.elvpr.ru. Не считая того, по мере надобности спецы ОАО «Электровыпрямитель» имеют возможность создать СПП по требованиям потребителя для определенных критерий работы и оказать помощь в комплектации сопутствующими компонентами (драйверами управления, системами прижима и остывания, датчиками температуры и пр.).