Рубрики
Технологии силовой электроники

Надежность силовых устройств в Рф: легенды и реалии, трудности и пути решения. Часть 3

Надежность силовых устройств в Рф: легенды и реалии, трудности и пути решения. Часть 3 Владимир Ланцов Саркис Эраносян Создатели приводят общие черты и особенности устройств силовой

Надежность силовых устройств в Рф: легенды и реалии, трудности и пути решения. Часть 3 Владимир Ланцов Саркис Эраносян

Создатели приводят общие черты и особенности устройств силовой электроники, также докладывают об их воздействии на обеспечение надежности. Рассмотрена информация о соответствующих отказах и дефектах силовых устройств, обусловленных как отказами компонент силовой электроники, устройств управления, так и недостающим учетом реальных критерий эксплуатации. Приведены главные предпосылки их появления, также причины воздействия. Посреди последних и просчеты при проектировании устройств силовой электроники, недостающий объем испытаний и другие причины. В общем виде рассмотрены главные мероприятия, содействующие улучшению надежности разрабатываемых устройств силовой электроники. Отмечены особенности внедрения силовых полупроводниковых устройств и даны примеры их выбора в определенных изделиях.

В части 1 [1] истинной статьи указывалось, что, невзирая на заслуги в развитии электрических и электротехнических компонент за рубежом и в Рф, в то же время в электроэнергетике, силовой электронике есть суровые трудности по обеспечению надежности. При общем значимом улучшении свойства продукции благодаря внедрению в компаниях систем управления качеством продукции на базе эталонов серии ISO 9000, настоящая надежность силовых устройств улучшается более медлительно. С каждым десятилетием и даже годом вырастает количество техногенных катастроф, аварий и отказов в сетях электроснабжения, системах рассредотачивания электроэнергии, в силовых исполнительных устройствах. Посреди причин, влияющих на такое неблагоприятное положение, и приметное понижение уровня и объемов работ по увеличению надежности, а именно силовых устройств, в особенности в Рф. Для наилучшего восприятия выдвигаемых тезисов и определенных примеров приводятся короткая история развития теории надежности, принятые главные понятия, определения и определения.

В части 2 [2] статьи анализируется практика обеспечения надежности изделий в Русском Союзе и Рф. Положительно оценена роль служб надежности, существовавших на многих предприятиях СССР. Приводятся определенные примеры работы таких служб, которые делали многие работы в этом направлении. А именно, выполнялись расчеты характеристик надежности, выдавались советы по выбору более надежных компонент и режимов их функционирования, разрабатывались методики входного контроля компонент и узлов, их электротермотренировки, проводились разные тесты на надежность. В Рф в большинстве компаний деятельность служб надежности прекращена, а службы свойства фактически не проводят упомянутые виды работ. Также приводятся сведения по системам управления качеством продукции. Обозначено, что внедрение эталонов серии ISO 9000 только косвенно содействует увеличению надежности продукции. Отмечается, что внедрение этих эталонов не отменяет действие других нормативных документов, если они не противоречат эталонам ISO 9000.

На основании проведенного анализа создатели сделали некие обобщения и привели главные причины, действующие на обеспечение надежности силовых устройств в Рф.

Общие особенности силовых устройств и их воздействие на обеспечение надежности

Номенклатура силовых устройств довольно разнообразна: источники вторичного электропитания (ИВЭ), регуляторы напряжения ветроэлектро- и дизельгенераторов, устройства катодной защиты трубопроводов от коррозии, системы силового электропривода, массивные преобразователи частоты, сварочные агрегаты и другие устройства. Различаясь по предназначению и особенностям эксплуатации, СУ совместно с тем имеют много общего. Разглядим их общие черты, значительно действующие на надежность их функционирования и требующие особенного внимания при их проектировании.

  1. По определению, силовые устройства — это устройства завышенной и большой мощности (более 200 Вт) и сильноточные (более 20 А). Электропитание их может осуществляться как от сети переменного тока, так и от аккумуляторных батарей. В первом случае электропитание делается от силовой сети переменного тока (однофазовой либо трехфазной) частоты 50(60) Гц (на подвижных объектах — 400, 500, 1000 Гц). При всем этом мощность составляет единицы–сотки кв и поболее, а токи 10-ки–сотки ампер. Чем выше мощность силового устройства, тем больше просит оно внимания ко всем нюансам его проектирования, но в особенности силовой части.
  2. Так как реальный КПД силовых устройств находится, обычно, в границах η = 0,8…0,95, то в их выделяется значимая термическая энергия. Это просит внедрения разных мер по действенному отводу тепла.
  3. В силовых устройствах при включении имеют место огромные пусковые токи (экстратоки), которые могут в пару раз (время от времени в 10-ки раз) превосходить рабочие (номинальные) токи в стационарном режиме. Эти токи обоснованы: зарядкой конденсаторов большой емкости (ИВЭ), процессом пуска электродвигателей, прохладным состоянием нагревательных частей и т. п. Для систем, работающих в повторно-кратковременных режимах (подъемные устройства, сварочные агрегаты и т. д.), отмеченные особенности являются практически «рабочими моментами» их эксплуатации.
  4. В энергетических установках большой мощности в случае их отказов и аварий вероятны значимые экономические и другие последствия для всех потребителей электроэнергии. Потому в структурах СУ предусматриваются особенные меры по надежной всеохватывающей защите, как самих силовых агрегатов, так и потребителей от разных переходных процессов и перегрузок.
  5. В случае электропитания СУ от сети переменного тока с напряжением ~220 В, ~(3B380 В) с частотой 50(60) Гц, 400 Гц либо неизменного тока 1000–3000 В (жд и другой подвижной электротранспорт), также в высоковольтных силовых агрегатах нужно обеспечивать высочайшее качество электроизоляции с учетом критерий эксплуатации.
  6. В текущее время огромное значение придается мерам по обеспечению электрической сопоставимости (ЭМС) силовых устройств, как с сетью электропитания, так и с нагрузками (потребителями). При всем этом нужно соблюдать общепринятые нормы (МЭК, EN, ГОСТ) по уровню электрических помех, как кондуктивного нрава, так и излучением [3, 4].

Соответствующие отказы силовых устройств и их предпосылки

Даже в верно спроектированных силовых устройствах часто случаются разные отказы и неисправности, если не приняты дополнительные меры по обеспечению их надежности. Отказы силовых устройств могут приводить к очень суровым последствиям, катастрофам и даже катастрофам [1]. По правде, выход из строя какого-нибудь локального потребителя изредка приводит к отказу других потребителей. В тоже время ненадежная работа, к примеру, системы либо блока электропитания в большинстве случаев приводит к прекращению функционирования нескольких потребителей, часто актуально принципиальных для всего комплекса РЭА.

В общем случае неожиданные отказы силовых устройств можно разбить на три группы:

  1. Отказы узлов и компонент на стороне первичного электропитания (сети переменного тока).
  2. Отказы узлов и компонент на стороне нагрузки (вторичной стороне).
  3. Отказы устройств в системах управления и защиты силовых объектов.

В таблице 1 представлена систематизация компонент и узлов силовых устройств зависимо от степени угрозы (вероятности) появления в их неожиданных отказов.

Таблица 1. Соответствующие отказы в силовых устройствах и их предпосылки

Степень угрозы (возможность) появления отказов Составляющие и узлы (устройства), в каких вероятны отказы Нрав отказов Вероятные предпосылки Более возможная Силовые ключи и их модули:
транзисторы Пробои (выжигания):
– токовый,
– возможный,
– термический,
– по мощности (энергии) Cверхнормативные превышения напряжения и тока; лишние динамические утраты мощности Тиристоры, симисторы То же То же и дополнительно превышение dU/dt, dI/dt Выпрямительные диоды и мосты * Возможный и токовый пробои Cверхнормативные превышения напряжения и тока Диоды цепей обрамления ключей (снабберов, фиксаторов уровня) То же То же Временами возникающая Коммутирующие составляющие: выключатели, пускатели, силовые реле, автоматы включения и защиты «Приваривание» силовых контактов Cверхнормативные превышения напряжения и тока (к примеру, долгое КЗ) Выпрямительные диоды ** Пробои (выжигания):
– токовый,
– возможный,
– термический,
– по мощности (энергии) Перегрузка по току (долгое КЗ). Лишние динамические утраты мощности при переключении Силовые ключи ** (в импульсных стабилизаторах) То же То же Силовой трансформатор «Подгорание» обмоток трансформатора Выход из строя силовых ключей, долгая перегрузка по току Пробой изоляции Ошибки в конструкции, недостаток провода Устройства, системы управления Пробой драйвера силового ключа Из6за отказа силового ключа Изредка возникающая Фильтры электрических помех * Выход из строя (пробой) в дросселе, конденсаторов фильтра Неверный выбор конденсаторов по рабочему напряжению Электролитические конденсаторы сглаживающих фильтров ** Приметное ухудшение характеристик, перегрев Неверный выбор конденсаторов по частотным свойствам * На стороне первичного электропитания (сети переменного тока). ** На вторичной стороне (стороне нагрузки).

Постепенные отказы силовых устройств имеют еще наименьшее значение, так как в текущее время большая часть силовых устройств работают в главных режимах, и к ним обычно не предъявляется больших требований по стабильности характеристик. Совместно с тем при долговременной либо насыщенной эксплуатации вероятны случаи, когда уход характеристик очень значителен. Это событие приводит к ремонту (подмене компонент). В статье [1] приводился пример, когда при долговременной эксплуатации после 5000–8000 ч работы в импульсных блоках питания типа LPQ 112B (LPQ113B) компании Astec (средняя наработка на отказ 550 000 ч) происходили постепенные отказы. Доминировали 3 типа отказов: а) недопустимое уменьшение напряжения в канале +5 В; б) неверные срабатывания защиты по току; в) существенное повышение пульсаций выходного напряжения, по сопоставлению с номинальной. В конечном итоге приходилось либо подрегулировать выходное напряжение (+5 В), либо поменять, к примеру, потенциометр, или конденсатор сглаживающего фильтра. Другими словами, в первом случае нужно профилактировать, а в 2-ух других — произвести ремонт.

Разглядим общие причины, действующие на возможность появления отказов силовых устройств и понижение их надежности. По воззрению создателей, основанному на долголетнем личном опыте разработок СУ, такими факторами на разных стадиях разработки и производства являются последующие (табл. 2).

Таблица 2. Главные причины, действующие на появление отказов в силовых устройствах

Этапы (подэтапы) разработки силового устройства Главные причины, при игнорировании которых вероятны отказы Составление
технического задания Неполнота требований:
• по характеристикам первичного электропитания
(наибольшее превышение от номинального значения, провалы и скачки напряжения);
• по нраву нагрузки (рабочие перегрузки, повторно6краткосрочный режим и т. д.);
• по нештатным ситуациям на входе (несанкционированным отключениям6включениям) и на выходе;
• по уровню электрических помех по цепи электропитания;
• по наибольшей рабочей температуре и т. д. Выбор структуры и разработка
электронных схем • Выбор неоптимальной структуры силовой части: без сопоставления вариантов по количеству
компонент, рассеиваемой мощности, по КПД и т. п.
• Недостающая надежность примененных компонент и узлов.
• Выбор режимов работы компонент без нужного припаса.
• Не внедрение советов по применению компаний — изготовителей компонент.
• Отсутствие детализированной проработки процессов включения (запуска) и выключения силовых устройств.
• Недостающая проработка всеохватывающей защиты от перегрузок на входе и выходе: по току
перегрузки, от КЗ, от перенапряжений, по мощности (энергии),
по температуре — как силового устройства в целом, так и его узлов.
• Недостающее внедрение компьютерного и физического моделирования (макетирования),
дефицитность испытательных процедур Разработка конструкции Игнорирование принятых советов при конструировании:
• нерациональная сборка силовых частей и узлов;
• неоптимальная разводка печатных плат (без учета воздействия помех);
• несоблюдение норм по выбору теплоотводящих радиаторов, производительности
принудительного обдува (вентиляции);
• недостающее внимание к вопросам ремонтопригодности и т. д. Тесты опытнейшего
(экспериментального) эталона Малый объем и номенклатура лабораторных испытаний:
• неполное всеохватывающее исследование переходных режимов, к примеру процессов
включения/отключения опытнейшего эталона;
• отсутствие проверки температурных режимов работы;
• отсутствие реальной проверки устройств защиты от перегрузок и подмена ее имитацией
(без проверки работы силового канала);
• отсутствие имитации внештатных ситуаций Изготовка серийных образцов • Отсутствие входного контроля более ответственных узлов и компонент (сначала силовых).
• Малый объем технологической тренировки либо ее практическое отсутствие
(из-за экономии трудозатрат).
• Недостаточно стендового и испытательного оборудования Эксплуатация силовых устройств • Слабенькие контакты с потребителями по сбору данных об эксплуатационной надежности.
• Недостающий анализ обстоятельств отказов и отсутствие неизменной работы по их устранению

Приведенные в таблице 2 причины, в главном, не нуждаются в комментах, тем паче что при предстоящей конкретизации они зависят от особенностей того либо другого силового устройства. А именно, от его структуры, электронной схемы, особенностей функционирования и т. д.

Общие советы по обеспечению надежной работы силовых устройств

Таким макаром, мы разглядели общие технические черты разных силовых устройств, которые нужно учесть при проектировании. Совместно с тем увеличению надежности этих устройств в Рф прямо либо косвенно содействовали некие подходящие причины:

  • Российские спецы и компании получили фактически неограниченный, открытый доступ к ввезенным компонентам с их широкой номенклатурой и высочайшим (в среднем) уровне свойства.
  • Обширное распространение Веба в совокупы с неизменным повышением вычислительной мощности современных компов привело к более резвому получению инфы о компонентах, наставлениях компаний по их применению и др.
  • Обширное распространение получило компьютерное моделирование (автоматическое проектирование) электрических устройств.

Но нужно принимать во внимание и другие дополнительные суждения. А именно, всегда целенаправлено инспектировать силовые составляющие, в том числе и завезенные из других стран, на соответствие паспортным данным. Начальная эйфория по поводу высочайшей надежности всех привезенных из других стран компонент уже прошла. Да, в среднем они более высококачественные, чем российские составляющие, также из государств СНГ, благодаря более совершенному уровню производства и контролю свойства. Совместно с тем выяснилось, что и они подвержены отказам и нуждаются в проверке.

Также следует выделить, что цены на высококачественные составляющие очень завышены, сроки поставок нередко нарушаются. Фирмыпроизводители либо фирмы-разработчики сознательно ограничивают список принципиальных технических характеристик. По сопоставлению с правилами, существовавшими во времена СССР, это в особенности удручает. Если в русские времена было хорошо написано письмо-запрос по тем либо другим техническим характеристикам электрического прибора, то можно не колебаться, что будет получен исчерпающий ответ. В последнем случае, будет дан совет, какой прибор можно применить для решения поставленного технического вопроса.

Для иллюстрации этого приведем таковой пример. Один из создателей был очевидцем последующей ситуации. В импульсном стабилизаторе тока накала сильной рентгеновской трубки БХВ-18 в качестве силового ключа употреблялся MOSFET-модуль типа STE53NA50 компании STMicroelectronics (ST). Данные стабилизатора: Uвх меняется в границах 150 ± 25 В, Uвых = 20–80 В (регулируемое), Iвых = 1–3 А (нагрузка — инвертор), частота коммутации 5–7 кГц. MOSFET-модуль имел последующие данные: Uси max (UDSS) = 500 В, Ic max (ID) = 53 А, Pси max (PD) = 460 Вт, Rси (RDS on) = 0,085 Ом. В течение пары лет выход из строя модулей STE53NA50 при настройке, испытаниях и эксплуатации в среднем составлял порядка 1–3% при партии в 100–150 образцов. При снятии STE53NA50 с поставки дистрибьютор рекомендовал подмену на STE53NC50 в том же корпусе (ISOTOP либо SOT-227В) и с теми же значениями предельных характеристик. Как положительное изменение указывалось, что значение RDS on уменьшилось до 0,075 Ом. После подмены модулей STE53NA50 на STE53NC50 при выпуске новейшей партии аппаратуры во время опции и испытаний вышло из строя суммарно 18 образцов STE53NC50 из 25 шт. Это было умопомрачительно и не поддавалось первым попыткам анализа. Потому схема была срочно доработана в части установки дополнительных защитных компонент, также улучшения режима выключения. Совместно с испытаниями задержка выпуска продукции составила 15 дней. Анализ постфактум в более размеренной обстановке показал последующее. С новыми качествами — наименьшим значением RDS on и наименьшим значением заряда на затворе MOSFET для переключения — модуль стал более «деликатным» и лишился, а именно, припаса по величине UDSS. Этот припас, правда, нигде в данных не фигурировал, но дефакто, вероятнее всего, имелся.

Получившие обширное распространение способы автоматического проектирования, к примеру, способы компьютерного расчета и моделирования, значительно уменьшили время разработки, также дизайна конструкторской документации. Но необходимо подчеркнуть, что эти меры не могут стопроцентно поменять способы физического моделирования (натурное макетирование). Этот тезис признают ведущие спецы и в Рф, и за рубежом, тем паче что в руководствах на используемые программные пакеты не настолько не мало рассмотрено моделей и примеров.

Вместе с положительными тенденциями, в Рф имеют место и неблагоприятные происшествия. А именно, естественное рвение уменьшить сроки проектирования и внедрения аппаратуры, минимизировать денежные издержки, чтоб быстрее выйти на рынок, привело к ухудшению свойства изделий. Это итог того, что компании фактически не проводят НИР, третируют исследовательскими работами либо уменьшают их объем на шагах выполнения ОКР. К этому нужно добавить, что резко уменьшилось количество высококвалифицированных профессионалов, занятых решением заморочек по проектированию современных силовых устройств. Об этой «кричащей» дилемме создатели уже писали в работе [5].

Таким макаром, для существенного увеличения надежности проектируемых силовых устройств нужно обеспечить выполнение последующих мероприятий:

  1. Избрать входной автомат включения/защиты соответственно первичному сетевому напряжению, разрывной мощности (току) с элементами искрогашения и нужным быстродействием. При всем этом непременно наличие в СУ специального узла контроля характеристик первичной сети для выполнения функции отключения агрегата при помощи автомата. Ненормальным состоянием сети электропитания считается, а именно, отклонение напряжения сети за границы норм (по ТУ), к примеру, ±25% (заместо ±20%), пропадание одной из фаз трехфазной сети. Поочередно с автоматами либо контакторами непременно включение плавких предохранителей. Это связано с тем, что автоматы и контакторы до момента отключения цепи пропускают импульсы тока большой величины, которые способны вывести из строя полупроводниковые диоды либо связанные с ними цепи. Плавкие предохранители ограничивают импульс тока КЗ цепи, и потому выделяющаяся при всем этом энергия меньше.
  2. Обеспечить действенное ограничение пусковых токов при помощи особых узлов и компонент: массивных терморезисторов и резисторов с их следующим автоматическим выключением, к примеру, шунтируя его тиристором, особых дросселей и т. п. Процесс нарастания выходного напряжения СУ, скорости перемещения (вращения) либо нагрева должен по мере надобности осуществляться плавненько.
  3. В силовых устройствах должны быть интегрированы узлы, которые при выключении автоматом «гасят» («разряжают») энергию силовых реактивных компонент — конденсаторов, индуктивностей. Это увеличивает уровень безопасности обслуживающего персонала.
  4. Улучшить выбор схемотехнического решения СУ исходя из убеждений минимизации количества критических компонент, обеспечив облегченные режимы работы силовых полупроводниковых устройств.
  5. Избрать надежные силовые составляющие, отдавая предпочтение встроенным силовым модулям. Для ослабления возникающих импульсных перенапряжений на выводах силовых ключей при их переключении, также для предотвращения неверных срабатываний ключей при огромных значениях конфигурации напряжения dU/dt и тока di/dt нужно предугадывать подключение особых компонент и цепей в комплексе с варисторами.
  6. Предугадать действенные меры по всеохватывающей защите, как самих СУ, так и потребителей от разных перегрузок. А именно это может быть:
    • защита от перегрузок по току — электрическая, осуществляемая ограничением среднего значения выходного тока, к примеру уменьшением продолжительности импульсов при ШИМ-управлении;
    • защита от КЗ — электрическая, с выключением силовых ключей по управлению либо их отключением от цепи электропитания;
    • защита от перенапряжений — электрическая, к примеру, двухступенчатая: 1-ая супень — ограничитель импульсных перенапряжений (массивные TVS-диоды, стабилитроны), 2-ая — с электрическим выключателем;
    • защита от перегрева снутри корпуса СУ;
    • защита электроприводов от «заклинивания» нагрузки на валу электродвигателя — с отключением от источника первичного (либо вторичного) электропитания.
  7. Провести аналитическую проверку (моделирование) работы устройства защиты при пуске, перегрузках, несанкционированных (нештатных) включениях/отключениях.
  8. Выполнить мероприятия по обеспечению электрической сопоставимости [6–8];
    • избрать (спроектировать) сетевой фильтр помех, обеспечивающий угнетение высокочастотных (ВЧ) кондуктивных электрических помех, как со стороны сети, так и генерируемых силовых устройств в сеть электропитания в согласовании с установленными нормами;
    • избрать решения по увеличению помехоустойчивости устройства управления и защиты, в том числе и от внутренних помех по силовым цепям.
  9. При проектировании конструкции требуется обеспечить:
    • действенный отвод тепла методом конвекции либо обдува высокопроизводительными вентиляторами, а при очень большой рассеиваемой мощности — отвод тепла другими методами;
    • нужное качество электроизоляции (сопротивление, электропрочность), в особенности при питании от сети переменного тока;
    • рациональную разводку электромонтажа и т. д.
  10. Не считая компьютерного моделирования, для СУ лучше проведение натурного моделирования (макетирования). Для устройств очень большой мощности допускается макетирование в уменьшенном масштабе по мощности.

Советы по применению силовых полупроводниковых устройств

В таблице 1 приведены соответствующие отказы силовых устройств зависимо от вероятности их появления. Более нередко отказывают силовые полупроводниковые приборы. Это связано с тем, что при относительно малых размерах, в особенности площади кристалла, они переключают огромные (время от времени сверхбольшие) значения тока, напряжения и мощности. Более существенное воздействие на надежность функционирования силовых устройств оказывают наибольшие напряжения, токи и мощность в рабочих и нештатных режимах. Отсюда следует, что в наставлениях следует указать на относительную меру соответствия фактических режимов функционирования допустимым (предельным) значениям напряжения, тока и мощности как в режиме неизменного (среднего) тока, так и в импульсных режимах. Эти степени соответствия характеризуются коэффициентами электронной нагрузки Кнj, которые можно представить в виде дела наибольшего рабочего параметра (U, I, P) для силового прибора к его паспортным предельным значениям при наибольшей температуре эксплуатации. Не считая того, есть ограничения по величине моментальной мощности (энергии), возникающей в процессе переключения полупроводникового прибора. И, в конце концов, для действенного рассеивания мощности нужно верно избрать теплоотводящие радиаторы для силовых устройств с учетом их термического сопротивления, термического сопротивления изолирующей прокладки и наибольшей температуры эксплуатации.

Рекомендуемые коэффициенты Кнj целенаправлено приводить с учетом фактической температуры, возникающей снутри блоков СУ. К примеру, для устройств коммерческого и промышленного предназначения выполнить эту рекомендацию нетрудно, так как для их наибольшая температура эксплуатации, обычно, составляет +35 °С и +50 °С соответственно. К этим значениям нужно прибавить перегрев снутри корпуса СУ. Обычно в верно сконструированном модуле, блоке можно обеспечить перегрев в границах 15…20 °С. В конечном итоге очень вероятная температура силовых устройств для приведенных групп аппаратуры получится соответственно +55 °С и +70 °С.

В обозначенном контексте разглядим последующие силовые приборы:

  • выпрямительные диоды и мосты общего предназначения (низкочастотные);
  • быстродействующие (fast и ultrafast) диоды;
  • тиристоры, оптотиристоры, симисторы;
  • полевые транзисторы с изолированным затвором по структуре MOSFET;
  • биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ, либо IGBT);
  • встроенные силовые модули (ИСМ, либо IPM).

Биполярные транзисторы в текущее время используются еще пореже, чем в 1970–1990 гг., и везде вытесняются MOSFET, IGBT как более многообещающими и надежными силовыми полупроводниковыми устройствами. Потому создатели не включили биполярные транзисторы в список анализируемых силовых устройств.

Рекомендуемые значения коэффициентов электронной нагрузки Кнj для различных групп силовых полупроводниковых устройств приведены в таблице 3.

Таблица 3. Рекомендуемые значения коэффициентов электронной нагрузки Кнj силовых полупроводниковых устройств

Силовые
полупроводнико-
вые приборы Рекомендуемые коэффициенты электронной нагрузки Кнj, менее: Дополнительно
учитываются
(контролируются) по
напряжению
Кнu по току Кнi по рассеиваемой
мощности
(среднее
значение) Кн P по неизменному
(среднему)
значению Кн I (1) импульсному
значению Кн Iи (2) Выпрямительные
низкочастотные
диоды и мосты 0,7–0,8 0,6–0,7 0,7 0,1–0,2 1. Площадь теплоотвода — Sт
(скорость вентиляции — Vв)
2. Uisol ≥1,1Uisol max Быстродействующие
диоды 0,6–0,7 0,6–0,7 0,7 0,1–0,15 1. Sт (Vв),
2. Uisol ≥1,1 Uisol max
3. trr Тиристоры,
оптотиристоры 0,6–0,7 0,5–0,6 0,7 0,1–0,2 1. Sт (Vв)
2. UG < 0,9 UG max
3. dU/dt < 0,8 (dU/dt)max
4. di/dt <0,8 (di/dt)max
5. Uisol ≥1,1 Uisol max Полевые
транзисторы
MOSFET 0,6–0,75 0,6–0,7 0,6 0,1–0,2 1. Sт (Vв)
2. UGS < UG Smax
3. ton , toff
4. Uisol ≥1,1 Uisol max Биполярные
транзисторы
с изолированным
затвором (IGBT) 0,55–0,7 0,4–0,6 0,5–0,6 0,1–0,15 1. Sт (Vв))
2. Emax < 0,9 (Eon + Eoff) fк
3. UGS < UG Smax
4. IC (кз) tкз < 0,8 IC (кз) max x tкз max
5. Uisol ≥1,1 Uisol max Примечание. Нужные пояснения, также более подробные сведения о дополнительных показателях приведены в подразделах на определенные группы силовых устройств

Создадим некие пояснения о параметрах силовых устройств.

Выпрямительные диоды и мосты

Главные характеристики этой группы устройств: очень допустимое значение оборотного циклического напряжения URRM, среднего выпрямленного/неизменного прямого тока IF (AV) (IdAV), импульсного тока IFSM — для циклических либо единичных импульсов диодов и мостов.

Очень допустимое значение мощности рассеяния, обычно, не задается и определяется стандартными типами их корпусов. Значения коэффициента по рассеиваемой мощности КнP в принципе могжно выбирать и больше рекомендуемых, но тогда теплоотводящий радиатор будет иметь огромную площадь и габариты. Она находится в зависимости от вида остывания: при принудительной вентиляции с определенной производительностью (Vв, м3/мин) либо методом естественной конвекции. При всем этом имеет значение как конфигурация радиатора (тонкий, ребристый, игловатый и т. п.), так и допустимая температура корпуса прибора. Если выводы выпрямительного диодика либо моста изолированы от корпуса, то электропрочность их изоляции по паспорту (спецификации, ТУ) прибора должна быть более рекомендуемого значения для данного вида электропитания сети переменного тока (однофазовой либо трехфазной) по подходящим эталонам, то Uisol ≥ Uisol max.

Покажем функцию выбора выпрямительных диодов исходя из убеждений увеличения надежности силовых устройств.

Пример 1. Для сетевых выпрямителей и мостов обычно выбираются выпрямительные диоды либо мосты со последующим напряжением URRM: 600–800 В — для однофазовой сети (~220 В) и 800–1000 В— для трехфазной (3B~220 В либо 3B~380 В) сети переменного тока [9]. При всем этом приняты во внимание: наибольшее увеличение сетевого напряжения (на +20%), вероятные «перекосы» напряжения фаз сети и перенапряжения. Не считая того, в данном случае напряжение изоляции выводов относительно корпуса блока должно быть Uisol ≥2500 В.

Быстродействующие диоды

Для быстродействующих (fast и ultrafast) диодов свойственны те же главные характеристики, которые описаны для выпрямительных диодов. С другой стороны, для понижения падения напряжения на диодиках и, как следует, утрат мощности в импульсных ИВЭ и регуляторах с низковольтным сильноточным выходом применяется параллельное соединение диодов, при котором еще более уменьшаются фактические значения КнI, КнIи, по сопоставлению с рекомендуемыми. Принципиальный параметр I2t, эквивалентный моментальной энергии на диодике (с определенным прямым сопротивлением), в российских спецификациях либо ТУ вообщем не указывается. Меж тем при появлении перегрузок по току и учете реального времени срабатывния защиты этот параметр, непременно, должен приниматься во внимание и контролироваться при проектировании СУ. Известны случаи, когда, к примеру, в высокочастотных блоках питания потрясающие по своим характеристикам забугорные диоды, избранные с припасом только по допустимым значениям IF (AV), IFSM, выходили из строя. Это казалось необьяснимым, но, по нашему воззрению, происходило при значимых токовых перегрузках либо КЗ из-за недостающего быстродействия узла защиты по току.

Время восстановления оборотного сопротивления диодика trr при изменении полярности приложенного напряжения на оборотное должно учитываться при выборе диодика для работы на больших частотах коммутации fк в импульсных ИВЭ, инверторах сварочных агрегатов и т. п. Относительно рекомендуемого значения КнP для быстродействующих диодов все ранее изготовленные пояснения для выпрямительных диодов остаются в силе. Правда, при всем этом должны дополнительно учитываться динамические утраты мощности на диодике, которые появляются благодаря конечному (не нулевому) значению trr.

Пример 2. Разглядим выбор диодов выходного выпрямителя для импульсного ИВЭ с узлом ККМ и мощностью 1200 Вт (27 В/45 А), на базе прямоходового однотактного преобразователя напряжения с частотой 200 кГц, выполненного по структуре типа «косой» мост [10]. В таком ИВЭ в ВЧ-выпрямителе преобразователя напряжения в согласовании с советами таблицы 3 должны быть применены диоды Шоттки со последующими параметрами: URRM = 100 В, IF (AV) = 80 А, UFM = 0,67 В. При этом, как надо из статьи [10], любой из диодов выходного выпрямителя представляет собой параллельное соединение 2-ух диодов в одном модуле 83CNQ100, что позволило уменьшить UFM (напряжение на открытом диодике). В итоге этого суммарные утраты в диодиках выходного выпрями- теля снизились на 34%. Эти мероприятия в конечном итоге обеспечили фактические значения коэффициентов нагрузки диодов выпрямителя по току КнI (КнIи) менее 0,12 (0,2). Тем подтверждается принципиальный принцип: меры по увеличению надежности делают лучше высококачественные свойства изделия, в нашем случае блока питания 27 В, 45 А. При всем этом заметим, что реально нужно принимать при выборе диодика: URRM ≥ (2,2–2,5) Uвых, а trr ≤ 75 нс.

Тиристоры, оптотиристоры, симисторы

К этим силовым устройствам в принципе применимы те же советы по выбору коэффициентов нагрузки Кнj (КнU, КнI, КнP), также по выбору площади теплоотвода-радиатора SТ (производительности вентиляции Vв), что и для выпрямительных диодов. Но так как тиристоры и оптотиристоры — это четырехслойные (p-n-p-n) полупроводниковые приборы с внутренней положительной оборотной связью (эффект «защелкивания»), то у их есть ряд существенных особенностей. Во-1-х, управление осуществляется только процессом включения устройств, кроме запираемых тиристоров. При всем этом напряжение (прямое и оборотное) на управляющем электроде UG (на управляющем оптоизлучателе для оптотиристоров) не должно превосходить допустимого значения, другими словами UG< UGmax. Во-2-х, скорости конфигурации напряжения dU/dt и тока dI/dt в силовой (анодной) цепи не должны превосходить допустимых значений этих характеристик с учетом наибольшей рабочей температуры устройств. Другими словами должно быть dU/dt < 0,8(dU/dt) max и dI/dt < 0,8(dI/dt) max. В этой связи нужно принимать во внимание наличие, уровень и частотный спектр помех в силовой цепи при выборе схемотехнических решений. Приведенные ранее замечания по выбору теплоотводов-радиаторов (SТ, Vв) и величине напряжения изоляции Uisol для выпрямительных диодов остаются в силе и в данном случае.

Пример 3. Разглядим выбор оптотиристоров для блока питания 800 Вт (200 В/4 А), содержащего оптотиристорный регулируемый выпрямитель с питанием от однофазовой сети переменного тока 220 В, 50 Гц, разработанного одним из создателей. Структура выпрямителя: сетевой фильтр помех – выпрямительный мост (2 диодика и 2 оптотиристора) – замыкающий (нулевой) диодик – LC-фильтр. Что касается диодов, то в примере 1 рассмотрен их выбор по напряжению URRM (600 В). Аналогично диодикам выбирается и значение URRM для оптотиристоров. Значение тока IF (AV) для диодов и оптотиристоров было определено как IF (AV) ≥ Iн/КнI , другими словами IF (AV) = 4 А/0,5 ≥ 8А. С учетом изложенного были выбраны российские оптотиристоры типа ТО325-12,5-8 с параметрами: URRM = 800 В, IF (AV) = 12,5 А, Uisol = 2500 В. Не считая того, силовая часть оптотиристоров зашунтирована RC-цепью и варистором для ликвидации неверных срабатываний из-за вероятного превышения допустимого значения dU/dt. На симисторы полностью распространяются все советы, касающиеся тиристоров.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)

Массивные полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным (N либо P) каналом производятся по структуре: металл-диэлектрик (окисел) – полупроводник (МДП либо MOS) и сокращенно именуются МОПТ, либо MOSFET. Отличия MOSFET от биполярных транзисторов и их особенности: они управляются напряжением (электронным полем) и потому имеют очень огромное входное сопротивление (мегаомы), нормально закрыты и открываются, если напряжение затвор-исток (G-S) добивается определенного порога (threshold) — UGS th, который обычно для массивных MOSFET равен 3,5–6 В. Не считая этого, к их плюсам можно отнести:

  1. огромную перегрузочную способность в импульсном режиме, другими словами отношение меж очень допустимыми значениями импульсного тока IDМ к неизменному току стока ID обычно составляет IDM/ID = 4;
  2. линейную зависимость напряжения на открытом канале сток-исток (D-S) от протекающего ток стока ID при фактически неизменном сопротивлении открытого канала RDS (on).

Советы по коэффициентам электронной нагрузки Кнj для MOSFET приведены в таблице 3. Другие особенности и дополнительные советы по применению Кнj:

  • Так как допустимое напряжение меж затвором и истоком MOSFET обычно не должно быть более ±20 В, то нужно в этой цепи установить ограничитель перенапряжений, к примеру на двуханодном стабилитроне с напряжением стабилизации 18 ±1 В.
  • Для увеличения помехоустойчивости и пассивного запирания транзистора нужно предугадать внедрение резистора меж затвором и истоком, на практике обычно 200 Ом…3 кОм — зависимо от мощности MOSFET.
  • При активном запирании массивных высоковольтных транзисторов следует учесть ток заряда емкости Миллера, которая «подключена» меж выводами сток-затвор (DG). Этот ток протекает по внутреннему импедансу генератора управляющего импульса, практически «выгрызая» ток запирания отрицательного импульса, подаваемого в цепь затвор-исток (G-S).

Отметим еще одну очень важную особенность полевых транзисторов. Маленькое изменение сопротивления открытого состояния канала сток-исток RDS (on) оказывает существенное воздействие при параллельном включении полевых транзисторов. В данном случае выявляются дополнительные отличия от аналогичной работы массивных биполярных транзисторов. Если мы включаем заместо 1-го два полевых транзистора, то получим экономию в мощности утрат на открытом эквивалентном ключе ровно в 2 раза, при условии безупречного разделения тока и всепостоянстве RDS (on). При всем этом для более четких расчетов нужно держать в голове: повышение тока стока от 1 до 10 А наращивает RDS (on) на 17–20%; возрастание температуры на каждые 10 °С наращивает RDS (on) на 1–1,3%.

Другая картина выходит при включении параллельно 2-ух биполярных транзисторов. В данном случае, также при безупречном разделении тока, мы можем получить экономию мощности утрат в эквивалентном ключе исключительно в 0,7–0,8 раза. Эта экономия в главном определяется уменьшением напряжения насыщения биполярного транзистора Uce sat из-за понижения тока коллектора в 2 раза.

Пример 4. Разглядим выбор силового полевого транзистора в единичном силовом модуле конвертора для источника бесперебойного питания (ИБП) с выходной мощностью 1800 Вт, рассмотренного в [11]. Мощность силового модуля конвертора, которая потом была уточнена, равна Pсм = 740 Вт (135 В/5,5 А).

Напомним, что единичный модуль выполнен на базе квазирезонансной схемы (однотактный «косой мост»), в каком употребляются два сразу включаемых/отключаемых силовых ключа. При этом в этой схеме наибольшее напряжение на закрытых ключах фиксируется на уровне питающего неизменного напряжения. Для напряжения сети 220 В +20% это неизменное выпрямленное напряжение ≈370 В (в режиме холостого хода преобразователя). Потому что ток в квазирезонансном преобразователе имеет форму «полуволны» [12], то целенаправлено привести последующие расчетные данные для выбора типа силового транзистора: амплитуда тока силовых ключей — Iамп.w1 и действенный ток Iэфф.w1. Ввиду предполагаемой способности внедрения ИБП [11] в аппаратуре оборонного предназначения, нужно было использовать полевой высоковольтный транзистор типа 2П809Б, разрабатанный в АООТ НПО «Электроника» (г. Воронеж). Характеристики опытнейших образцов этого транзистора были последующие: напряжение сток-исток UDSS = 500 В; неизменный ток сток ID = 9,6 А (при температуре корпуса 35 °С) и ID = 8 А (при температуре 70 °С); сопротивление открытого канала сток-исток RDS (on) = 0,6 Ом. Были получены последующие расчетные характеристики для электрического ключа квазирезонансного преобразователя: наибольшая амплитуда тока Iамп.w1 = 17,9 А (при наивысшем сетевом напряжении 264 В); наибольший действенный ток ключа Iэфф.w1= 7,2 А (при наименьшем сетевом напряжении 176 В). Как видно по приведенным данным, применение в качестве ключа 1-го транзистора не поэволяет выполнить советы (табл. 3). Не считая того, для этого варианта очень значительны утраты мощности в транзисторах, а конкретно: PΣтр ≈62 Вт. Потому, исходя из убеждений увеличения надежности, нужно, чтоб каждый ключ состоял из 2-ух параллельно включенных транзисторов 2П809Б, что и было использовано в схеме силового модуля [11]. В итоге через каждый транзистор будет протекать ток 3,6 А, другими словами КнI = 0,45 при КнU = 0,74. Суммарные утраты мощности в транзисторах силового модуля при всем этом стали PΣтр ≈31 Вт.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)

IGBT представляют собой сочетание входного MOSFET-транзистора с выходным массивным биполярным (p-n-p) транзистором. Наибольшее применение в IGBT отыскала практическая модель, которая имеет паразитную pnpn-структуру, отраженную pnn-транзистором (дополнительный маломощный биполярный транзистор) [13]. Этот транзистор нормально заперт благодаря шунтированию его эмиттер-базового перехода внутренним резистором. Совместно с главным силовым биполярным транзистором образовавшаяся структура делает глубокую внутреннюю положительную оборотную связь. Такая связь делает предпосылки для образования тиристорного эффекта «защелкивания». Другими словами, скорости конфигурации коллекторного напряжения dUc/dt и тока dIc/dt реально должны быть ограничены во избежание «защелкивания», что было типично в особенности для ранешних моделей. IGBT обьединяют внутри себя как некие плюсы массивных MOSFET и биполярных транзисторов, так и их недочеты:

  1. Огромное значение очень допустимого напряжения коллектор – эмиттер UCE, которое может составлять от 300 до 2200 В и поболее.
  2. IGBT управляются напряжением (зарядом) и имеют огромное входное сопротивление (мегаомы), так же как и MOSFET.
  3. Транзисторы нормально закрыты и открываются при таковой же, как у MOSFET, величине порогового напряжения.
  4. IGBT владеют большей перегрузочной способностью в импульсном режиме, чем биполярные транзисторы.
  5. Напряжение на переходе коллектор – эмиттер IGBT в открытом состоянии UCEsat не достаточно находится в зависимости от коллекторного тока Iс (для современных устройств UCE sat = 2,3–3,5 В).
  6. Заряд, скопленный в базе массивного p-n-p-транзистора, вызывает «хвост» при выключении IGBT: от 0,3 до несколько микросекунд зависимо от разновидности (класса) прибора.

К значимым дилеммам в управлении этих устройств можно отнести «высокопотенциальность» источника питания затвора. Идет речь о том, что меж базой (не выведена) и эмиттером (выведен) силового (биполярного) транзистора IGBT всегда находится высочайшее напряжение UCE, пока он заперт. В то время как у обыденного MOSFET, который нормально заперт, потенциал затвора отличается от потенциала истока менее чем на ≈ ±20 В. При неких проверках (ТУ) затвор MOSFET закорачивается с истоком. В связи с этим требования к схемам управления и драйверам для устройств MOSFET существенно снижены, по сопоставлению с схожими неуввязками, которые нужно преодолеть для IGBT, где, к примеру, нужна защита от снижения напряжения затвора < +8 В [13].

Советы по коэффициентам электронной нагрузки Кнj для IGBT приведены в таблице 3. А именно, по обеспечению защиты перехода затвор – эмиттер IGBT они подобны советам для цепи затвор – исток MOSFET. Дополнительные советы для внедрения IGBT:

  • Нужно предугадывать ограничение скорости конфигурации коллекторного напряжения и тока с припасом относительно предельных значений dUc/dt и dIc/dt, что сразу понижает уровень помех.
  • Для большинства IGBT величина коллекторного тока при КЗ не должна превосходить (5–10)-кратного наибольшего значения с учетом температуры и в течение ограниченного интервала времени (к примеру, 10 мкс).

Подчеркнем, что главные плюсы IGBT появляются при рабочих частотах от 1 до 40 кГц, другими словами животрепещуще применение этих устройств в устройствах управления электроприводом, в инверторах для ИБП сШИМ до 20 кГц и т. п.

Встроенные силовые модули

Встроенные либо умственные силовые модули (ИСМ либо IPM) в большинстве случаев представляют собой объединение в одном корпусе нескольких бескорпусных силовых устройств 1-го класса либо их композиции различных классов. Для примера можно указать диодно-тиристорный модуль, MOSFET-полумост либо мост со встречно-параллельными диодиками каждого транзистора, IGBT-полумост либо мост, имеющий встречно-параллельные диоды, выпрямительный диодный мост совместно с однофазовым либо трехфазным IGBT-мостом и другие сочетания. В неких случаях в эти силовые структуры встраиваются и драйверы для управления и защиты [14, 15].

Естественно, что все приведенные ранее особенности работы определенных классов дискретных силовых устройств (диоды, тиристоры, MOSFET, IGBT) имеют место и в их композициях, другими словами в IPM. Потому советы по выбору коэффициентов электронной нагрузки дискретных устройств (табл. 3) распространяются и на IPM.

Заключение

  1. Более нередко выходят из строя силовые транзисторы, потом силовые диоды и диоды обрамления силовых ключей (антипараллельные, в цепях снабберов, фиксаторов уровня). Нрав отказов (табл. 1) — пробои (выжигания): токовый, возможный, по мощности. Предпосылки отказов, в главном, таковы: отсутствие нужного припаса рабочих характеристик компонент относительно их предельных значений, нарушение обычных режимов запуска/выключения, неверный выбор метода работы устройств управления и защиты от перегрузок. Пореже встречаются отказы коммутирующих устройств, силовых трансформаторов, драйверов силовых ключей. В большинстве случаев эти отказы вторичны и вызваны первичным отказом силовых компонент. В целом возможность возникновения отказов, не считая упомянутых обстоятельств, связана как с просчетами проектирования, недостающим объемом проверок, моделирования и испытаний, так и с неполным учетом реальных критерий эксплуатации (табл. 2).
  2. В общем виде главные мероприятия, повышающие надежность СУ, последующие:
    • контроль состояния и резвое реагирование/отключение от первичной сети электропитания в случае необходимости;
    • ограничение пусковых токов;
    • выполнение силовой части на надежных, экспериментально испытанных компонентах, также выбор правильных коэффициентов нагрузки Кнj по напряжению, току и мощности (табл. 3);
    • наличие действенной всеохватывающей защиты от разных перегрузок и других аварийных состояний (токовые перегрузки, КЗ, перенапряжения, превышение допустимой температуры либо энергии и т. д.);
    • выполнение мероприятий по обеспечению электрической сопоставимости силовой части и увеличение помехоустойчивости устройств управления и защиты;
    • оптимальные конструктивные решения по действенному отводу тепла, обеспечению нужного свойства электроизоляции, по рациональной разводке электромонтажа и т. д.
  3. При испытаниях опытнейшего (экспериментального) эталона нужно обеспечить таковой объем испытаний, который позволит проверить выполнение изготовленных советов, а именно:
    • проверку температурных режимов работы силовых компонент и СУ в целом;
    • реальную проверку устройств защиты от перегрузок (с проверкой работы силового канала);
    • всеохватывающее исследование переходных режимов, к примеру, процессов включения/отключения эталона, имитацию нештатных ситуаций.
  4. При производстве поставочных партий либо серийных образцов изделий нужно обеспечить:
    • входной контроль более ответственных узлов и компонент (сначала силовых);
    • достаточный объем технологической тренировки изделий и действенные режимы ее проведения.
  5. При эксплуатации СУ у потребителей нужно по способности обеспечить сбор и анализ обстоятельств отказов компонент и узлов, также организовать оперативную работу по их устранению.