CC BY
518Оптронные тиристоры
в управляемых выпрямителях большой мощности
Евгений силкин, к. т. н.
elsi-mail@ya.ru
При использовании силовых оптронных тиристоров в выпрямителях не снижаются требования к качеству и надежности работы их систем импульсно-фазового управления (СИФУ). Недопустимы сбои в СИФУ и (или) подача сигналов управления при отрицательных напряжениях на вентилях. Выпрямители на оптотиристорах нельзя выполнять с системами управления и регулирования, осуществляющими непрерывную подачу управляющих сигналов одновременно на все или часть вентилей, например, пакетную на повышенной частоте, без обязательного контроля полярности напряжения на них. Параметры сигналов управления должны соответствовать требованиям паспорта и технических условий на приборы и тщательным образом оптимизироваться. Рекомендации статьи применимы к устройствам на фототиристорах и обычных тиристорах с управляющим электродом.
Управляемые выпрямители большой мощности являются вентильными преобразователями электрической энергии одно- или многофазного переменного тока в постоянный ток. Они нашли широкое применение в различных системах автоматического управления (САУ), в том числе в электроприводах постоянного и переменного тока, электротехнологических и электрофизических установках и других системах, как эффективные усилители мощности [1-6]. Управляемые выпрямители обладают высокими энергетическими и регулировочными характеристиками и достаточно высоким быстродействием.
Считается, что свойства управляемых выпрямителей хорошо изучены. Первые устройства большой мощности выполнялись еще на электронных лампах. В настоящее время в качестве силовых вентилей в управляемых выпрямителях применяются полупроводниковые приборы, чаще всего обыч-
ные тиристоры (SCR) в виде дискретных элементов или в виде модулей и сборок.
Тиристор для гальванической развязки силовых и информационных цепей и реализации управления, как известно, требует применения специальных управляющих схем, называемых выходными каскадами, формирователями импульсов или драйверами. Основным назначением схемы драйвера является формирование в цепи управления тиристора в заданный момент времени импульса тока с необходимыми значениями амплитуды и длительности. Только на первый взгляд это простая задача. Стремление использовать оптическую развязку привело к созданию современных фото- и оптотиристоров на большие токи и напряжения [7, 8]. Достоинством таких приборов является именно эффективная развязка информационной (управляющей) и силовой цепи. Управляющие драйверы для приборов с развязкой по оптическому каналу могут
иметь более простое устройство по сравнению с драйверами обычных тиристоров. Оптическая развязка позволяет не только значительно упростить управление, но и повышает помехоустойчивость выпрямителей большой мощности и знергоемких систем автоматического управления на их основе, в частности высоковольтных систем. Однако при создании энергоемких устройств на фото- и оптотиристорах требования к качеству проектирования СИФУ не снижаются.
Наибольшие возможности по обеспечению эффективной гальванической развязки силовой и информационной частей и высокой помехоустойчивости САУ достигаются, конечно же, в устройствах на фототиристорах. Оптронные тиристоры, в силу специфики конструкции, занимают промежуточное положение между фототиристорами и обычными тиристорами с управляющим электродом.
Оптотиристоры состоят из силового кремниевого ф) фототиристора и управляющего светодиода малой мощности (рис. 1) на основе арсенида галлия (GaAs), как правило, излучающего в инфракрасном диапазоне 0,9-1,2 мкм. Два полупроводниковых элемента, таким образом, объединены в одну конструкцию. Выводы излучающего светодиода в приборе электрически изолированы от силовых выводов. Такие тиристоры выпускаются в корпусах штыревого исполнения либо в виде модульных конструкций, имеющих также изолированное основание (рис. 2).
При освещении полупроводника в нем возникают электронно-дырочные пары, участвующие в увеличении тока через прибор.
Необходимая для переключения мощность светового потока зависит от глубины залегания переходов под поверхностью полупроводника, скорости поверхностной и объемной рекомбинации и возрастает с увеличением длины волны. Эффективность генерации носителей определяется не только спектром излучения светодиода, но и конструктивными особенностями прибора: диаграммой направленности; углами и местом падения пучка излучения; устройством светового канала и свойствами используемых материалов.
Полупроводниковая структура фототиристора практически ничем не отличается от структуры обычного тиристора с управляющим электродом, за исключением возможного изменения глубин залегания и степени легирования отдельных слоев для снижения, например, величины требуемого заряда управления. В настоящее время доступны дискретные низкочастотные приборы и оптотиристорные модули на токи до 1 кА и напряжения до 2,4 кВ, что позволяет создавать управляемые выпрямители с выходной мощностью в несколько мегаватт (для напряжений стандартных промышленных сетей 50, 60 и 400 Гц). Ведутся также разработки быстродействующих оптронных тиристоров на рабочие частоты выше 500 Гц.
На рис. 3 приведена схема трехфазного мостового, полностью управляемого выпрямителя, известного также под другим названием как простая мостовая схема Ларионова. Трехфазная схема Ларионова является наиболее распространенной в области средних и больших мощностей преобразования
Рис. 3. Схема трехфазного мостового, полностью управляемого выпрямителя Ларионова с нулевым вентилем
(до 1-2 мВт) переменного тока в постоянный ток. Определение «полностью управляемый» означает только то, что все шесть основных вентилей трехфазного моста выполняются управляемыми. Сам же выпрямитель может быть с фазовым управлением, то есть являться управляемым и регулируемым или не иметь фазового регулирования выходного напряжения (управляемый нерегулируемый выпрямитель).
Трехфазный мост Ларионова состоит из двух групп основных вентилей: катодной ^1, VS3, VS5) и анодной ^2, VS4, VS6). При выполнении одной из групп на диодах или на управляемых вентилях, но без фазового регулирования, получаем так называемый полууправляемый трехфазный мостовой выпрямитель. В качестве силовых управляемых вентилей в схеме Ларионова можно использовать оптронные тиристоры.
Наиболее сложным вариантом регулирования для трехфазных мостовых схем является фазовое регулирование полностью управляемого выпрямителя, работающего на «индуктивную» нагрузку. На каждый вентиль при углах управления а, превышающих 60 эл. град., и индуктивной нагрузке СИФУ (а также нагрузке с противо-ЭДС или при работе выпрямителей в составе двухзвенных и многозвенных преобразователей, в том числе преобразователей частоты с явно выраженным звеном постоянного тока) вырабатываются и подаются строго синхронизированные с питающей сетью сдвоенные импульсы управления, длительностью (т) до 18 эл. град. каждый (или управляющие импульсные последовательности до 60 эл. град.). Импульсы сдваиваются при подаче основного или «своего» и дополнительного импульса управления от канала, вступающего в работу вентиля. «Сдваивание» является обязательным, оно обеспечивает запуск и правильное функционирование устройства на основе регулируемой трехфазной мостовой схемы Ларионова.
Для снижения уровня пульсаций выходного напряжения и повышения коэффициента мощности (cosф) управляемого выпрямителя при глубоком фазовом регулировании и работе на индуктивную нагрузку мост, в ряде случаев, шунтируют встречным (нулевым, VD1) диодом. Однако более эффективна (но реже применяется) имитация работы нулевого или, по-другому, демпферного вентиля основными управляемыми вентилями. В этом варианте реализации алгоритм управления трехфазного моста еще более усложняется за счет необходимости обеспечения подачи на вентили за период трех импульсов управления (при углах а более 60 эл. град.). Но значимым преимуществом полностью управляемого выпрямителя с имитацией нулевого вентиля является возможность нормального перевода его в инверторный или зависимый режим в случае аварии или простого отключения, что нельзя осуществить при наличии реально установленного де-
мпферного диода. К другим немаловажным достоинствам следует отнести упрощение и возможное удешевление схемы за счет исключения «лишнего» силового вентиля.
В области больших и сверхбольших (более одного мегаватта) мощностей находят применение и составные или многопульсные выпрямители с последовательным и параллельным соединением полностью управляемых трехфазных мостов (рис. 4). Это позволяет не только получить требуемые токи и напряжения на нагрузке, но и обеспечить ряд дополнительных преимуществ, обусловленных повышенными «пульсностями» схем. Принципы их работы, в основном, подобны обычному трехфазному мостовому выпрямителю, выполненному по схеме Ларионова.
Рис. 4. Полностью управляемый выпрямитель
с последовательным соединением трехфазных мостов
(12-пульсный)
В трехфазной схеме Ларионова с демпферным диодом при работе на «существенно индуктивную» нагрузку (основной вид) выходное напряжение всегда знакопостоянное. Интервал проводимости управляемого вентиля составляет 120 эл. град. Обратное напряжение к вентилю может прикладываться в момент его выключения при малых углах а либо по истечении интервала проводимости демпферного диода (или имитирующего его управляемого вентиля моста) при углах а, превышающих 60 эл. град. Таким образом, максимальный угол управления атах, при котором импульсы управления не будут подаваться на вентили, находящиеся под отрицательным напряжением, составляет не более 180 эл. град. от точки «естественной» коммутации. А момент перехода линейного напряжения через ноль в отрицательную область значений является той временной границей, за которую, при регулировании угла а, сигналы управления выходить не должны. Однако импульсы управления в практически реализуемых САУ, как было отмечено выше, име-
ют определенную и, в некоторых случаях, довольно большую длительность (т). Поэтому максимальный угол управления атах необходимо устанавливать меньше граничного (180 эл. град.), соответственно, на величину, превышающую т (то есть атах < 180-т), что имеет принципиальное значение для любых типов используемых в выпрямителе тиристоров, в том числе и оптронных.
Когда тиристор находится под обратным напряжением, то не существует опасности его включения, как при положительном, так и при отрицательном (для прибора с управляющим электродом) значении тока управления iG (здесь и далее использована стандартная «справочная» система условных обозначений [7-9] параметров тиристоров). Однако одновременное воздействие прямого или положительного тока iFG управления и обратного напряжения ик создает опасность для тиристорной структуры в другом отношении.
Из-за так называемого транзисторного эффекта в 4-слойной полупроводниковой р-п-р-п-структуре обратный ток утечки 1К при приложении к тиристору обратного напряжения ик (если протекает прямой ток управления iFG) резко возрастает и начинает значительно превышать свое номинальное гарантированное или паспортное значение. Даже для сравнительно малой величины iFG (для силовых вентилей менее 1 А) последний может вызвать увеличение токов утечки 1К свыше 100 мА уже при комнатной температуре (Т, = 25 °С), то есть в десятки и сотни раз. В результате резкого возрастания потерь мощности это явление легко приводит к повреждению структуры, и его следует избегать во всех режимах работы тиристора, а также учитывать при установлении длительности т импульса управления и определении или регулировании его фазы.
В реальных САУ с выпрямителями иногда используют способ непрерывной или, иначе, пакетной подачи импульсов управления одновременно на все вентили схемы (управляемый нерегулируемый выпрямитель), например с повышенной частотой. Выпрямитель в этом случае ведет себя как устройство, выполненное на обычных диодах. То есть в схеме включается и начинает проводить ток тот силовой вентиль, на аноде которого потенциал в данный момент времени выше, чем потенциал на катоде. В таких устройствах может быть реализована сравнительно эффективная и быстродействующая «сеточная» защита простым снятием импульсов управления вентилями, и, с этой целью, применение способа пакетной подачи вполне оправдано. Однако без принятия специальных мер надежность преобразовательного устройства может существенно снизиться.
В преобразователях частоты серии ППЧ (НПП «Курай», г. Уфа), имеющих двухзвенную структуру на основе трехфазного мостового, полностью управляемого не-
регулируемого выпрямителя и однофазного инвертора, предназначенных для питания токами повышенных частот электротехноло-гических установок различного назначения, в выпрямителе при промышленной сети 380 В используются обычные низкочастотные тиристоры с управляющим электродом 13 класса по напряжению и многократным запасом по току [2]. Импульсы управления на тиристоры подаются одновременным (пакетным) способом на высокой частоте, соответствующей выходной частоте инвертора. В процессе эксплуатации (мощность устройства 250 кВт), несмотря на высокий класс, наличие нескольких защитных цепей от перенапряжений, запас по току и жидкостное охлаждение вентилей, довольно часто выпрямитель отказывает.
Такой же пакетный способ управления применен [3] в преобразователях типа ТПЧ для установок индукционного нагрева (ОАО ОКБ «Искра», г. Ульяновск). Выпрямитель в этих преобразователях выполняется на водоохлаждаемых низкочастотных тиристорах с управляющим электродом не ниже 18 класса при напряжении сети 380 В (мощность преобразователя 200 кВт) с индивидуальными, достаточно энергоемкими защитными цепями вентилей от перенапряжений, имеющих также значительный запас по току — более 500 А. Однако обеспечить требуемую высокую надежность работы устройства все равно не удается.
В преобразователях классической серии ТПЧ (фирма ESTEL, г. Таллинн) аналогичного назначения при напряжении стандартной сети (380 В) в выпрямителе используются тиристоры 16 класса с очень большим запасом по току и эффективным жидкостным охлаждением [4, 5]. Фазовое регулирование полностью управляемого выпрямителя по трехфазной схеме Ларионова в этом преобразователе осуществляется в довольно широких пределах — до 80%. Имитация работы нулевого вентиля производится основными вентилями моста. Выпрямитель имеет общую мощную защитную цепь тиристоров от перенапряжений. Кроме того, между анодом и управляющим электродом каждого тиристора включены защитные варисторы. В процессе эксплуатации устройства (мощностью 320 кВт) частота отказов тиристоров выпрямителя оказывается не ниже, чем частота отказов быстродействующих тиристоров в инверторе, работающих на повышенной частоте и имеющих значительно меньшие запасы по напряжению и току.
Причина частых отказов выпрямителей в рассмотренных примерах одна и та же. И она заключается в неправильном управлении силовыми вентилями выпрямителя.
При использовании пакетного способа управления в преобразователях для электро-технологических установок советской серии СЧГ (ЛОЭЗ ВНИИТВЧ, г. Ленинград) выпрямители по трехфазной мостовой схеме вы-
полнялись на тиристорах с последовательно включенными диодами [6]. Преобразователи частоты этого типа (мощностью до 250 кВт) считались одними из самых надежных в эксплуатации. А последовательное соединение было применено в них именно для исключения отрицательного влияния подачи импульсов управления на интервалах наличия обратных напряжений на вентилях. Устанавливаемые тиристоры в СЧГ при напряжении питающей сети 380 В имели класс не выше 10-го.
Несанкционированная подача сигналов управления при отрицательном напряжении на тиристорах в выпрямителе может быть вызвана сбоями в СИФУ, выходом за установленные пределы угла управления а, изменением порядка чередования фаз питающей сети, переходными процессами.
Ухудшение свойств тиристоров с управляющим электродом и снижение надежности при непрерывной подаче импульсов (сигнала) управления и отрицательном напряжении на них известно как «снижение класса». Однако класс прибора по напряжению, то есть наименьшее из значений повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии итм и повторяющегося импульсного обратного напряжения икш, — классификационный параметр, определяемый при установленных регламентирующими документами режимах испытаний, в том числе при разомкнутом управляющем электроде и отсутствии сигнала управления, и он не снижается.
Способность тиристорной структуры выдерживать прямое и обратное напряжение может характеризоваться напряжением переключения и во) и пробоя (загиба) и^щ (рис. 5). Существует, как известно, несколько типов пробоя полупроводниковых структур, от которых эти параметры зависят различным образом. И величины и(В0), и(щ, в рассматриваемом случае, могут не измениться или даже возрасти с ростом температуры структуры Т, и токов утечки 1В, 4.
При работе преобразователей на вентилях возникают коммутационные перенапряжения, превышающие по амплитуде напряжения в нормальных статических режимах. Для этих случаев в справочных данных на тиристоры приводятся значения неповторяющихся импульсных напряжений: напряжения в закрытом состоянии ив5М и обратного напряжения ик5М, которые не должны превышаться при любых режимах эксплуатации.
С целью обеспечения надежной работы силовых полупроводниковых приборов в реальных системах их обычно выбирают с запасом по напряжению, то есть устанавливают несколько меньшее рабочее напряжение, чем повторяющееся. Этот запас характеризуется параметрами импульсных рабочих напряжений: напряжения в закрытом состоянии ишм и обратного напряжения икцгм.
Используется еще два классификационных параметра тиристоров по напряжению: постоянное напряжение в закрытом состоянии ив и постоянное обратное напряжение ик. Эти величины характеризуют работу приборов в так называемом ждущем режиме, например в цепи постоянного тока. Через тиристорную структуру при этом протекают постоянные токи: прямой ток 1В (ток утечки в закрытом состоянии) или обратный ток утечки 1К. Выделяемая в приборе мощность от токов утечек (!в, 1К) может достигать предельных значений и вести к перегреву. Для исключения перегрева постоянные напряжения, прикладываемые к прибору в ждущих режимах (ио, ид), должны быть ограничены (ив< ишм, Щ < иШм).
Соответственно, важными дополнительными критериями, определяющими годность прибора при импульсных напряжениях, то есть способность выдерживать напряжение, определяемое в соответствии с маркировкой по классу, могут являться повторяющиеся импульсные токи: ток в закрытом состоянии 1Шм и обратный ток 1ККм- Эти параметры также измеряются в стандартных режимах испытаний при разомкнутой цепи управления (iFG = 0).
На рис. 5 изображена вольт-амперная характеристика образца силового оптотиристора типа ТО242-80-12, имеющего маркировку 12 класса в диапазонах допустимых для него токов утечек (!в, 1К) при температуре перехода Т = 20 °С и отсутствии сигнала управления (iFG = 0). Как видно, токи утечек 1ц> 1д, Ъкм, 1$ям в этих условиях очень малы
(1ввм = 1,7 мкА, 1квм = 1,9 мкА).
Значения токов утечек определяются дефектами структуры в объеме и на поверх-
ности, искусственными омическими шунти-ровками, токами, обусловленными тепловой генерацией носителей. При повышении температуры (Т,) токи утечек (1В, 1К, 1ВШ, 1ВЛМ) возрастают. Для тиристоров из кремния они приблизительно удваиваются на каждые 10-11 °К. Но даже при максимальной температуре (Т, = Т ,м) токи утечек верно спроектированного исправного прибора остаются сравнительно небольшими.
Совсем иначе обстоит дело, когда при приложении обратного напряжения ик к тиристору одновременно подается прямой сигнал
управления iFG (импульс электрического тока или энергия света). В этом случае токи утечек 1К (4дм) возрастают значительно.
Необходимо отметить, что мощность потерь от протекающих через структуру неограниченных токов утечек (1д, 1ШМ) выделяется на отдельных ее участках неравномерно. Это может приводить к наиболее опасным процессам локальных перегревов.
При проектировании на одном из отечественных предприятий преобразователя частоты мощностью 47 кВт для электротехнологии «стандартной» схемотехники с явно выраженным звеном постоянного тока в выпрямителе были использованы оптотиристорные модули 12 класса [10-12] на средний ток 80 А (промышленная питающая сеть 380 В). Выпрямитель выполнялся по трехфазной мостовой, полностью управляемой и регулируемой схеме Ларионова с предустановленным нулевым вентилем и имел «общепринятый» алгоритм управления.
Оптотиристорные модули на ток 80 А выпускаются несколькими производителями силовых полупроводниковых приборов (табл. 1) много лет [10-15]. На их основе принципиально можно реализовать регулируемые выпрямители с выходной мощностью 100-200 кВт (в зависимости от параметров питающей сети по напряжению). Однако на первом этапе испытаний нового преобразователя выяснилось, что даже для очень малых выходных токов невозможно обеспечить работоспособность выпрямителя из-за выхода оптотиристорных модулей из строя, если напряжение питающей сети превышало 150 В. При этом разработчиками были выполнены практически все рекомендации предприятия-изготовителя по применению данных приборов. Каждый вентиль имел
Таблица 1. Паспортные электрические характеристики оптотиристорных модулей
Тип прибора
Параметр МТ0Т01-80 (ОАО «Оптрон-Ставрополь», Россия) М2ТОТО-80 (ОАО «Электровыпрямитель», Россия) 5П103ТТ-80 (ЗАО «Протон-Импульс», Россия) СмМТОТО-80 (ОАО «КЭТЗ Диод», Киргизия) МТОТО4/6-8О (ООО «Элемент-Преобразователь», Украина)
^м/^м- В 1200/1200 1200/1200 1200/1200 1200/1200 1200/1200
^м/^м- В 1350/1350 1340/1340 1300/1300 1350/1350 1300/1300
ЬдУ), Д 80 80 80 80 80
ITRMS, Д 130(70 °С) 120(60 °С) 125 130 180 (60 °С)
^м, кД 1,35 (10 мс) 1,65 (10 мс) 1,35 (10 мс) 1,70 (10 мс) 1,65 (20 мс)
и*, кВ 2,0 2,50 2,84 2,50 2,50
итм, В 2,00 1,70 (250 А) 1,75 (250 А) 1,85 (250 А) 1,75 (250 А)
^м/^м- мА 2/3 (25 °С) 7/7 (25 °С) 2/2 (25 °С) 1/1 (25 °С) 5/5 (25 °С)
^м/^м- мА 5/6 (100 °С) 15/15 (100 °С) 6/6 (125 °С) 3/3 (125 °С) 20/20 (100 °С)
^^^)спи В/мкс 1000 1000 100 500 1000
(dІD/dt)crlt, Д/мкс 100 40 160 200 100
1н, мА 100 300 80 100 100
|ет- мА 80 100 (25 °С) 60 (25 °С) 80 (25 °С) 80 (25 °С)
|отм- мА 600 (100 мкс) 400 (100 мкс) 500 (100 мкс) 250 (1 мс) 700 (100 мкс)
иот, В 2,0 2,0 1,6 2,0 2,0
UGD, В 0,90 0,25 0,80 0,90 0,90
^м, В 2,0 2,0 7,0 2,5 7,0
ta, мкс 100 160 150 150 250
Т|М 100 110 125 125 100
^,с-°С/Вт 0,24 0,45 0,30 0,36 0,30
W, кг 0,14 0,20 0,14 0,14 0,14
Примечание. W — масса прибора.
Рис. 6. Осциллограмма импульса напряжения управления иРС оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12 реальной СИФУ
Рис. 8. Осциллограмма импульса тока управления оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12
Рис. 7. Фронт импульса напряжения управления иРС оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12
Рис. 9. Фронт импульса тока управления оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12
индивидуальные демпферные цепи защиты от перенапряжений и кламп на основе быстрых оксидных варисторов. Выпрямитель был также оснащен общей, относительно качественно спроектированной и достаточно энергоемкой входной снабберной RCVD-цепью. Максимальные токи вентилей в ходе испытаний не превышали 20 А. На рис. 6-9 приведены осциллограммы импульсов напряжений uFG и токов iFG управления вентилями, вырабатываемых СИФУ и драйверами САУ, и их фронтов. На осциллограммах видно, что скорости нарастания напряжения duFG/dt и тока управления diFG/dt (рис. 7, 9) находятся в пределах установленной нормы, а амплитуды импульсов напряжения uFG и тока iFG управления (рис. 6, 8) соответствуют требованиям паспорта на приборы. Незначительный колебательный процесс, наблюдавшийся на начальной части (рис. 9) импульсов напряжения uFG и тока iFG, явно не оказывал влияния на качество управления.
Для оптотиристоров, как и для обычных тиристоров с управляющим электродом, нет рекомендуемых ограничений по diFG/dt сверху. Практическими же ограничениями для этого параметра являются собственная индуктивность цепи управления оптотиристора. Быстрый и точный запуск фототирис-
тора во времени требует значительного усиления светового потока с малым фронтом нарастания. Импульс (сигнал) тока светодиода с крутым передним фронтом гарантирует одновременность включения всей полупроводниковой структуры. Слабый импульс создает опасность возникновения локальных участков протекания анодного тока, что может приводить к разрушению структуры фототиристора из-за локальных перегревов. Как правило, производители требуют, чтобы скорость нарастания тока управления diFG/dt оптотиристора была не менее 0,5 А/мкс. Это весьма жесткое ограничение. Но указанные рекомендации, как уже отмечено выше, были выполнены.
Вопрос об амплитуде импульсов тока управления остается открытым. Фототиристор является биполярным полупроводниковым прибором, который управляется током, в отличие, например, от приборов типа МОSFЕТ или ЮВТ, управляемых напряжением. Конечно, в оптотиристоре мы имеем дело с током светодиода. Но ток светодиода «преобразуется» (пересчитывается) в электрический заряд или, соответственно, ток управления фототиристора. Драйвер оптотиристора, как и обычного тиристора, должен быть источником тока iFG требуемой фор-
мы, поступающего в цепь светодиода (цепь управления). В этом случае напряжение uFG между управляющими выводами светодиода является функцией полного входного сопротивления оптотиристора по цепи управления. Параметр «отпирающее постоянное напряжение управления» и№ в определенном смысле, для потребителя бесполезен. Поэтому некоторые производители тиристоров обычно приводят для характеристики управления данные по требуемым параметрам тока iFG, а не напряжения управления и£;в Однако этого нельзя сказать относительно параметра «максимальное обратное напряжение на управляющем электроде» икш оптотиристора. Величины икш (табл. 1), как и и^, для оптотиристоров низки, что является их недостатком, и это следует учитывать. Относительно низки и величины неотпирающего постоянного напряжения управления иж.
Были проведены дополнительные испытания нескольких приборов М2ТОТО-80-12 из партии по принятым стандартным методикам и измерены их электрические характеристики (табл. 2). Из анализа данных таблицы 2 следует, что все приборы (№ 1, 5, 8, 12, 15, 17) имеют гораздо более качественные параметры, чем установлено паспортом,
Таблица 2. Электрические параметры оптотиристорных модулей М2ТОТО-80-12 (режимы стандартных измерений)
№ п/п прибора
Параметр 3 4 5 6
1.1 1.2 5.1 5.2 8.1 8.2 12.1 12.2 15.1 15.2 17.1 17.2
^м, ^м, В 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200
Цво) (Т = 25 °С), В 2044 1870 1970 1935 1940 1980 1950 2070 2040 1940 2030 1920
Ь(Цво^ Т1 = 25 °С^ мкА 3,5 2,8 2,5 2,6 3,5 3,0 2,9 2,9 13,6 3,0 2,9 2,6
^м/^м (Ті = 1 = 110 °С^ мА 0,4 0,4 0,4 0,6 0,6 0,4 0,4 0,4 1,2 0,4 0,3 0,4
Ц2 (Т = 25 °С), кВ 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50
Це (Т = 25 °С), кВ 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50
итм (250 А), В 1,36 1,38 1,33 1,43 1,36 1,38 1,36 1,37 1,43 1,41 1,35 1,38
Іет (Т = 25 °С), мА 55 59 59 62 51 57 64 69 61 67 66 56
иет (Т| = 25 °С), В 1,29 1,30 1,33 1,32 1,29 1,30 1,32 1,32 1,31 1,32 1,32 1,29
^М)ст (Т|м), В/мкс 320 320 320 320 500 500 1000 1000 1000 1000 1000 1000
характеризующиеся сравнительно высокой повторяемостью и стабильностью.
Токи утечек (1дм, 1ккы) М2ТОТО-80-12 при комнатной температуре (Т, = 25 °С) равны единицам микроампер, а при максимальной температуре структуры (Т, = Т,м = 110 °С) не превышают 1 мА, что в 15-30 раз ниже значений,гарантированных паспортом. Отношение итм/и(В0) меньше 0,64, и, следовательно, запас по напряжению для испытанных приборов довольно значителен. Действующее значение напряжения, выдерживаемое изоляцией для силовых и12 и управляющих ию выводов, составляет не менее 2,5 кВ (25 °С, нормальная влажность). Импульсное напряжение в открытом состоянии иш для всех приборов практически одинаково и имеет сравнительно низкую величину (1,33-1,43 В, ток 250 А). Отпирающий постоянный ток управления 1№ судя по данным таблицы 2, ниже паспортного на 30-60% (табл. 1), а отпирающее постоянное напряжение управления и0т составляет 0,65-0,67 от справочного значения. Все исследованные приборы соответствовали установленным группам по критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии ((duD/dt)crit — от 320 до 1000 В/мкс (Т,м)).
Сравнение М2Т0Т0-80-12 с аналогами из таблицы 1 по паспортным данным не выявляет каких-либо принципиальных отличий в электрических параметрах. Используемые приборы по сравнению с аналогами, правда, имеют несколько меньшее значение критической скорости нарастания тока в открытом
состоянии (diD/dt)a,it (паспортной) и большую величину теплового сопротивления «переход - корпус» но импульсное напряжение
в открытом состоянии ЦмУ них самое низкое. Повышенное сопротивление обусловлено особенностью конструкции М2Т0Т0-80-12, которая, в отличие от конструкций аналогов, является прижимной. Так как приборы выходили из строя практически сразу после включения выпрямителя, повышенная величина Ял^с никак не сказывалась на надежности их работы. А анализ причин разрушения полупроводниковых структур фототиристоров (рис. 10) показал, что и параметр (diD/dt)cт^t в этом случае не играл никакой роли.
Отказы наблюдались для приборов типа М2Т0Т0-80-12 и МТ0Т01-80-12 (паяная конструкция), однако было установлено, что оптотиристоры МТ0Т01-80-12 ведут себя несколько «лучше». Для выяснения причин разработана методика «нестандартных» испытаний приборов. Результаты сравнительных испытаний М2ТОТО-80-12 и МТ0Т01-80-12 представлены в таблице 3. Здесь же даны некоторые измеренные параметры обычного низкочастотного тиристора с управляющим электродом Т242-80-12, имеющего аналогичные паспортные электрические характеристики и одинаковую полупроводниковую структуру.
Анализ результатов из таблицы 3 показывает, что при действии сигнала управления (iFGФ 0) и подаче отрицательного напряжения ик на оптотиристор токи утечек 1К, 1Шм резко возрастают и могут превышать установленные паспортные значения (а также реальные значения токов включения 1Ь и удержания 1Н). Причем это увеличение для модулей М2ТОТО-80-12 гораздо больше, чем для модулей МТ0Т01-80-12. Оптотиристоры модулей МТ0Т01-80-12 (при одинаковом классе напряжения) имеют существенно более высокие значения напряжений загиба и^щ. Отношение иррм/и,
RRM/ и(ВК)
для оптотиристоров МТОТО1-80-12 меньше 0,5, то есть у них искусственно занижен класс
Таблица 3. Результаты сравнительных испытаний оптотиристорных модулей прижимной и паяной конструкции
Тип и № прибора
Параметр МТОТО1-80-12 М2ТОТО-80-12 Т242-80-12
1.1 1.2 2.1 2.2 12.1 12.2 15.1 15.2
^м, ^м, В 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200
Цво) (Т| = 25 °С), В 1650 1256 2295 2200 1945 2080 1950 2078 1990 2068
Цво) (Т| = 110 °С), В 1800 2100 2300 2300 2200 2200 2200 1900 - -
иш (Т| = 25 °С), В 3500 3090 2796 2380 2020 2110 1940 2040 1960 1900
иш (Т| = 110 °С), В 3700 3100 2700 2600 2200 2100 2100 2100 - -
^м/^м (Т1 = 25 °С) мкА 1,0/1,7 922/3,5 3,6/4,3 2,9/1,1 1,5/1,9 1,5/2,3 3,5/1,3 1,6/1,8 2,7 /3,4 (1600 В) 2,1 /2,5 (1600 В)
^м/Ум (Т1 = 110 °С^ мА 0,2/0,2 0,3/0,6 0,9/0,4 0,6/0,2 0,5/0,4 0,4/0,4 0,5/0,4 0, 7 /0, 4 - -
^/Ц (ЬА = 1 мА), В 1700/3700 900/3300 2300/3100 2400/2800 1950/2300 2300/2100 2100/2000 2000/2000 - -
ІН (Т| = 25/100 °С), мА 12/5,5 14/3,0 9,0/4,5 14/6,0 5,0/3,0 5,5/3,0 8,5/4,0 9,5 /5,5 - -
^ (Т| = 25 °С), мА 75 75 80 82 95 85 80 77 - -
^ (^ = 500 В), мкс 1,8 1,5 1,9 1,7 2,7 2,5 2,7 2,8 - -
^(, мкс 4,2 3,5 3,6 3,6 4,0 3,8 3,9 4,1 - -
^г, мкс 28,0 20,5 23,4 21,7 24,3 31,0 32,1 25,5 - -
^, мкс 160 110 110 100 160 130 140 125 - -
итм (250 А), В 1,84 1,70 1,65 1,64 1,37 1,36 1,43 1,42 - -
1ет (Т| = 25 °С), мА 16 15 28 27 54 61 58 52 50 24
иет (Т| = 25 °С), В 1,19 1,18 1,25 1,29 1,29 1,58 1,29 1,29 1,14 0,88
^М)сП( (Т|м), В/мкс 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000
IRRM (iFG = 50/100 мА Т| = 25 °С), мА 2,0 /3,5 3,0/6,0 4,5/6,5 4,0/7,5 23/35 20/33 20/30 22/35 - -
и^) (iFG = 100 мА Т| = 25 °С), В 3500 3400 3200 3000 2100 2100 2200 2050 - -
^ (^FG = 30 мА и R = 1400 В, Т| = 25 °С), мА 2,0 4,0 3,5 4,0 15,0 12,5 17,0 12,0 0,1 8,0
^ (iFG = 50 мА и R = 1400 В, Т| = 25 °С), мА - - - - - - - - 5,5 25
^ (ІFG = 100 мА, и R = 1400 В, Т| = 25 °С), мА 4,0 7,0 8,0 9,0 39 34 42 41 42 60
^ (ІFG = 30 мА и R = 1400 В, Т| = 110 °С), мА 2,5 4,5 4,5 5,0 13,0 10,0 15,0 11,0 - -
^ (ІFG = 100 мА, UR = 1400В, Т| = 110 °С), мА 5,0 7,5 9,0 9,5 30 27 35 29 - -
Примечание. ^ — время задержки включения; ^ — время обратного восстановления фототиристора.
(по обратному напряжению UR). Фактически фототиристор имеет несимметричную вольт-амперную характеристику в выключенном состоянии (другие глубина залегания р-п-переходов, степень легирования слоев, уровни инжекции для широкой базы).
Отличие конструкции М2ТОТО-80-12 от МТОТО1-80-12 также заключается в использовании более мощного светодиода импортного производства взамен ранее применявшегося отечественного прибора, что увеличило, как одна из причин, значение отпирающего постоянного тока управления 1СТ. Но это же приводит, как выяснилось, на структурах меньшего диаметра на меньший ток, например, к явлению полного «исчезновения» блокирующей способности прибора в обратном направлении для исследуемых режимов.
Повышении температуры структуры TJ в М2ТОТО-80-12 до предельного значения (TJ = TJM = 110 °С) вызывает некоторое снижение токов утечек в обратном направлении ^ (1^м). То есть имеет место своего рода самоограничение токов 1^ 1Шм. Указанное явление связано со свойствами используемого светодиода, энергия излучения которого падает с ростом температуры. А значит, импортный светодиод обладает более низкой температурной стабильностью характеристик. В результате уменьшения энергии излучения обратный ток утечки ^ фототиристора, несмотря на рост тепловой составляющей, в целом снижается. Однако практически это свойство примененного светодиода использовать невозможно, так как структура фототиристора от локальных перегревов неограниченными обратными токами утечек ^ разрушается раньше, чем начинает влиять на энергию излучения светодиода общая температура, повышающаяся на его полупроводниковой структуре за счет теплопередачи. Рассмотренный эффект может иметь отрицательное значение, так как приводит к необходимости завышения амплитуды тока управления iFG для обеспечения нормальной работоспособности фототиристоров в реальных условиях повышенных рабочих температур Т,.
Следует отметить и то, что все измерения проводились при токах управления iFG не более 100 мА, тогда как рекомендуемые паспортами токи (iFG) для данных оптотиристоров должны были бы быть еще в 2,5-8,0 раз больше.
К величине тока управления iFG оптрон-ных тиристоров необходимо предъявлять следующее основное требование. Он, в любом случае, должен быть минимально возможным, но гарантиро-ванно включающим прибор.
Следует признать, что в рекомендациях предприятий, изготовителей оптотиристоров, по этому поводу приводятся противоречивые и не всегда обоснованные сведения (в частности, по импульсному режиму управления).
Например, для модулей МТОТО1-80-12 при импульсном токе управления iFG производителем установлена максимально допустимая его амплитуда:
• не более 600 мА (ранее 1000 мА) при длительности импульса 100 мкс;
• не более 200 мА при длительности импульса 800 мкс.
В интервале длительностей импульсов тока управления от 100 до 800 мкс амплитуда тока управления iFG должна по рекомендациям снижаться линейно.
При работе оптотиристорных модулей на индуктивную нагрузку ОАО «Оптрон-Ставрополь» рекомендует использовать режим управления «пачками» импульсов тока:
• Длительность импульсов в пачке — 8-10 мкс (время включения tgt по техническим условиям не менее 10 мкс).
• Период следования импульсов в пачке — 30-40 мкс.
• Максимальная амплитуда импульса пачки не должна превышать 800 мА (ранее 1000 мА).
• Скважность и амплитуда среднего тока пачек импульсов выбираются из условия не превышения среднего тока управления 40 мА (ранее 60 мА) за 20 мс.
При работе оптотиристорных модулей на безындуктивную нагрузку рекомендуется длительность импульса управления 50 мкс.
По данным таблицы 3 видно, что для МТОТО1-80-12 ток КТ не превышает 30 мА. А все ограничения производителя на амплитуду тока iFG обусловлены лишь требованиями обеспечения «хорошего» режима работы управляющего светодиода и некорректны.
Справедливости ради, необходимо заметить, что в документации других производителей этому вопросу уделяется еще меньше внимания (и понимания). Только в паспорте на МТОТО1-80-12 отмечено, что производителем «не рекомендуется подача сигнала управления при приложении к оптотиристору обратного напряжения». Последняя рекомендация, очевидно, должна быть более строгой и содержать запрет на подачу сигналов управления, когда оптотиристор находится под отрицательным напряжением.
Но у других производителей оптотиристоров подобной рекомендации вообще нет. А в технических публикациях содержатся выводы, например, о необходимости ограничивать критическую скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии (duD/dt)cт^t или тока в открытом (diD/dt)cт^t, уровней рабочих напряжений идшм, и^м и прочих параметров, как правило, «не относящихся к делу».
ООО «Элемент-Преобразователь» сняло с производства оптотиристорный модуль по схеме полумоста, заменив его в номенклатуре на модуль с встречно-параллельным соединением оптотиристоров и ограничив тем самым область применения. В такой схеме возможен лишь один режим функ-
ционирования, когда вступающий в работу и проводящий прямой ток iD оптотиристор шунтирует неработающий, и обратное напряжение UR на последнем отсутствует. Доступны две модификации модулей с встречно-параллельным включением оптотиристоров: с раздельными внешними цепями подключения светодиодов и схемой с последовательно соединенными светодиодами внутри модуля. Возможные преимущества в реализации цепи управления оптотиристорами с последовательно соединенными управляющими светодиодами по рассмотренным выше причинам представляются сомнительными.
Интересно сравнить количественно, как ведут себя обычные тиристоры с управляющим электродом в рассмотренных режимах. Из данных таблицы 3 на примере низкочастотного тиристора Т242-80-12 можно сделать вывод, что и для обычных тиристоров эффект возрастания обратных токов утечек ^, 1шм при одновременном воздействии прямого тока управления iFG и обратного напряжения UR не менее существенен. Особенно резко возрастают обратные токи утечек Iк, 1жм при амплитудах сигнала управления
iFG, приближающихся к величине отпирающего постоянного тока управления 1ст. Для тиристоров Т242-80-12 паспортное значение постоянного отпирающего тока управления 1Ст равно 150 мА. В практических системах импульсы тока управления iFG могут иметь амплитуду более 1 А. Легко представить себе поведение тиристора в этом случае.
В разрабатываемом выпрямителе особенности свойств оптотиристоров оказались вторичным фактором снижения надежности. Основным же стало то, что были допущены ошибки в реализации схем драйверов вентилей и управляющей программы контроллера, необоснованно завышены амплитуды токов управления iFG. Спроектированная СИФУ при работе выпрямителя с большими углами регулирования а формировала сдвоенные импульсы тока управления iFG недопустимо большой амплитуды на оптотиристоры, находящиеся в интервалах их действия под обратным напряжением, а низкая помехоустойчивость схем драйверов и СИФУ выпрямителя в целом могла приводить к несанкционированной подаче сигналов управления. Таким образом, повышенная помехоустойчивость оптронных тиристоров относится к их потенциальным возможностям.
На рис. 11-14 приведены осциллограммы оптимизированных импульсов напряжений uFG и токов iFG управления вентилями М2ТОТО-80-12. Амплитуда импульсов тока управления iFG (Т, = 25 °С) существенно снижена по сравнению с приведенной на рис. 8, 9. Аналогичные импульсы управления можно использовать и для оптотиристоров МТОТО1-80-12. Но амплитуду импульсов тока управления iFG для них можно еще более уменьшить (в 1,5-2,0 раза).
Рис. 11. Осциллограмма оптимизированного импульса напряжения управления иРС оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12
Рис. 12. Фронт оптимизированного импульса напряжения управления иРС оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12
Рис. 13. Осциллограмма оптимизированного импульса тока управления оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12
Рис. 14. Фронт оптимизированного импульса тока управления оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12
Автор выражает признательность
H. Вильяновой, О. Фролову, С. Волкову и А. Ершковуиз ОАО«Электровыпрямитель» за помощь при проведении измерений. ■
Литература
I. Донской Н. В., Иванов А. Г., Никитин В. М. и др. Управляемый выпрямитель в системах автоматического управления / Под ред. А. Д. Поздеева. М.: Энергоатомиздат, 1984.
2. Преобразователь серии ППЧ (большой мощности). Техническое описание и инструкция по экс-
плуатации КУ3.202.04993. Уфа, НПП «Курай», 2008.
3. Тиристорные преобразователи частоты ТПЧ-200. ОАО «ОКБ “Искра”». www.iskragai.ru
4. Преобразователь частоты тиристорный ТПЧ. Техническое описание ИББЕГ. 435523. Таллинн, ТЭЗ им. М. И. Калинина, 1990.
5. Генераторы для питания устройств индукционного нагрева серии ТПЧ (тиристорные, 1606400 кВт, 0,5-10 кГц). www.estel.ee
6. Номенклатура высокочастотного, среднечастотного и ультразвукового оборудования. М.: Внешторгиздат, 1990.
7. Замятин В. Я., Кондратьев Б. В., Петухов В. М. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры / Справочник. М.: Радио и связь, 1988.
8. Уильямс Б. В. Силовая электроника: приборы, применение, управление / Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1993.
9. Чебовский О. Г., Моисеев Л. Г., Недошивин Р. П. Силовые полупроводниковые приборы / Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1985.
10. Модули силовые полупроводниковые типов: МТОТО1-40; МТОТО1-63; МТОТО1-80 (ТУ 16729.366-92). www.optron-stavropol.ru
11. Полупроводниковые приборы силовой электроники. Краткий каталог ОАО «Электровыпрямитель». Ульяновск: Ульяновский дом печати, 2007.
12. Модули силовые оптотиристорные: М2ТОТО-40; М2ТОТО-63; М2ТОТО-80 (ТУ16-2006 ИЕАЛ. 435742.015). www.elvpr.ru
13. Модули тиристорные и оптотиристорные: МТОТО-40(5П103ТТ-40); МТОТО-80 (5П103ТТ-80). www.proton-impuls.ru
14. Модули силовые оптотиристорные на токи до 100 А: СмМТОТО-25; СмМТОТО-40; СмМТОТО-63; СмМТОТО-80; СмМТОТО-100 (КИАФ. 432312.015ТУ). www.lavmsme.ru
15. Модули оптотиристорные: МТОТО4/6-40, МТОТО4/6-63, МТОТО4/6-80 (ТУ У 32. 130077685-010-2003). www.element.zp.ua
