Силовая электроника. Активные и пассивные компоненты

17.12.2018

Одной из особенностей современной электроники является значительная степень взаимной интеграции отдельных областей. Посмотрите на материнскую плату компьютера – помимо собственно вычислительных элементов на ней можно увидеть и сравнительно мощные преобразователи (типичные представители силовой электроники), понижающие стандартные напряжения, отдаваемые блоком питания компьютера, до необходимых для работы процессоров и других микросхем величин. Такие примеры наводят на мысль, что выделить и единой фразой описать всю силовую электронику довольно сложно. Можно сказать, что силовая электроника – это область, имеющая дело с преобразованием электрической энергии, используемой в дальнейшем для питания каких-либо электронных и электромеханических устройств. Противопоставляя силовую электронику другим разделам – например, системам, связанным с передачей и обработкой сигнала и данных, можно утверждать, что силовая электроника в основном имеет дело с бóльшими мощностями. Их величина для АС/DC преобразователей, используемых в большинстве современных бытовых приборов – компьютерах, телевизорах и т.п. – лежит в пределах от десятков до сотен ватт. В наиболее распространенных промышленных приложениях силовой электроники – приводах с изменяемой скоростью, основанных на преобразовании частоты переменного тока – диапазон мощностей составляет от сотен ватт до десятков мегаватт.

Сложившийся способ классификации устройств силовой электроники основан на указании рода тока (AC – переменный, DC - постоянный) на входе и на выходе. Нетрудно подсчитать, что такой способ порождает четыре возможных класса устройств:

• AC-DC (управляемые выпрямители)
• DC-AC (инверторы)     
• DC-DC конверторы
• АС-АС конверторы

Наиболее яркой особенностью современных схем всех указанных устройств является, наверное, широкое использование импульсных режимов работы, требующих применения т.н. «ключевых» элементов, основное время находящихся в одном из двух режимах работы – открытом или закрытом. Задача ключей – отбор мощности из первичной цепи в фазе с колебательными процессами самого устройства. Энергия, отбираемая на входе, передается в выходные цепи, формирующие требуемое выходное напряжение Идеальный ключ при работе не нагревается – в открытом состоянии падение напряжения на нем равно нулю, а в закрытом нет тока, так что произведение напряжения на ток всегда ноль. Приближение режимов работы ключевых элементов к идеальным – залог высокого КПД и малых габаритов устройства. Частота открытия-закрытия ключевых элементов – одна из важнейших характеристик импульсных устройств. Ее повышение, как известно, позволяет уменьшить габариты пассивных компонентов схемы.

Импульсные высокочастотные режимы работы, являясь ключом к высокому КПД, вместе с тем порождают высокочастотные пульсирующие и переменные токи и напряжения, которые требуют адекватной работы всех элементов схемы – как активных, так и пассивных. Поэтому элементы, используемые в импульсной силовой электронике, как правило, работают в более напряженных условиях, чем их собратья в линейных цепях.

Следствием достоинств современных силовых импульсных устройств является один из главных их недостатков – сложность схемотехники и, следовательно, проблематичность ремонта таких устройств. Кроме того, возможность использования силовых электронных устройств в условиях промышленных предприятий, зачастую принципиально необслуживаемый характер работы, - все это требует от схемотехники и используемых компонентов значительного запаса надежности. Указанные обстоятельства, помимо прочих, и привели к тому, что элементы силовой электроники выделяются поставщиками в отдельную группу. К этой группе непосредственно примыкают также компоненты для мощных электротехнических приложений – пусковые и рабочие конденсаторы электродвигателей, конденсаторы коррекции коэффициента мощности, мощные резисторы, предохранители, провода и разъемы.

Пассивные компоненты силовой электроники

Конденсаторы DC-link

Конденсаторы этого типа предлагаются известным производителем - фирмой WIMA - в качестве альтернативы электролитическим конденсаторам в промежуточных цепях преобразователей. Примером использования такой схемы может быть преобразователь частоты для питания асинхронного двигателя. Первичное напряжение однофазной или трехфазной сети напряжением 220/380 В и частотой 50 Гц выпрямляется входными цепями (диодным мостом), сглаживается емкостью промежуточной цепи и поступает на мостовую схему, формирующую выходное напряжение нужной частоты и уровня. Естественным и распространенным решением является использование в промежуточных цепях высоковольтных электролитических конденсаторов, обладающих значительной удельной емкостью и, следовательно, способных сгладить значительные пульсации выпрямленного тока даже при невысоких сетевых частотах. Однако «врожденные» недостатки электролитических конденсаторов – невысокие рабочие напряжения (до 500 В), значительное эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), уменьшение емкости за время жизни (за счет высыхания электролита) – делают именно электролитические конденсаторы промежуточной цепи тем «слабым звеном», которое существенно сказывается на надежности прибора в целом. Следует отметить, что указанные недостатки критичны как раз для мощных сетевых преобразователей – выпрямленное напряжение сети имеет величину более 300 В, импульсный характер работы преобразователя порождает значительные пульсации тока, которые в сочетании с высоким ESR приводят к разогреву конденсатора. Выход видится в использовании пленочных конденсаторов высокой емкости. Конденсаторы DC-link, обладая низким ESR, способны чрезвычайно быстро отдавать значительную мощность, что позволяет поддерживать постоянное напряжение в промежуточной цепи, несмотря на значительные пиковые токи, потребляемые системой. Пленочные конденсаторы не имеют ограничений по рабочему напряжению и могут быть рассчитаны на характерные напряжения промежуточных цепей – 500-1500 В. Кроме этого, срок службы и надежность конденсаторов DC-link существенно выше, чем электролитических.

Конденсаторы электродвигателей

Для сдвига фаз при пуске и работе асинхронных двигателей широко используются конденсаторы, включаемые, например, последовательно с обмоткой двигателя. Как правило, в качестве таких конденсаторов используются пленочные конденсаторы, отличающиеся достаточно высокой емкостью и надежностью. В высококачественных конденсаторах фирмы «Ducati» в качестве диэлектрика используется полипропилен. Электроды выполняются вакуумным напылением, что, при достаточно низком сопротивлении, обеспечивает их минимальную толщину и способность к самовосстановлению – при замыкании электродов в какой-нибудь точке металлическая пленка моментально выгорает, уничтожая паразитный контакт. Это повышает надежность и безопасность цепи, снижает габариты конденсаторов, исключает утечку. На случай существенного аварийного разогрева конденсаторов, согласно стандарту EN 60252-1, конструкция пусковых и рабочих конденсаторов предусматривает «управляемое разрушение», размыкающее контакт между выводами и обкладками за счет давления газов внутри корпуса.

Поскольку пусковой и рабочий режимы асинхронного двигателя существенно различаются, для пуска мотора под нагрузкой необходимо включение дополнительной емкости. С этой целью могут использоваться пусковые конденсаторы, выполняемые по электролитической технологии. Чрезвычайно высокая удельная емкость делает «электролиты» во многих случаях незаменимыми, несмотря на все их недостатки (значительное сопротивление, нестабильность характеристик, низкая надежность). Необходимым условием их использования является кратковременный режим работы – не больше нескольких секунд – после чего пусковой конденсатор должен быть отключен во избежание разогрева и возможного взрыва конденсатора.

Конденсаторы коррекции коэффициента мощности

Коэффициент мощности цепи переменного тока равен косинусу угла сдвига фаз между током и напряжением. Активная мощность – та, которую можно преобразовать в тепло, свет или работу – равна произведению тока на напряжение и на коэффициент. Соответственно, чтобы получить фиксированную активную мощность при определенном напряжении, необходимо обеспечить ток тем больший, чем меньше коэффициент мощности. Увеличение тока сопровождается увеличением омических потерь в проводах, увеличением размеров трансформаторов, проводов и других элементов цепи. Таким образом, борьба за увеличение коэффициента мощности – одна из основных забот разработчика схемы. Простейшим и наиболее применяемым способом повышения коэффициента мощности является включение в цепь реактивных элементов, «обратных» по реактивному действию к основным элементам цепи. Для схем с электродвигателями переменного тока, обладающих значительной индуктивностью, такими компенсирующими элементами являются конденсаторы. Компенсирующие конденсаторы могут устанавливаться для каждого потребителя, а могут работать в составе установок компенсации реактивной мощности (УКРМ). Низковольтные компенсирующие конденсаторы изготавливаются по пленочной технологии с использованием полипропилена как диэлектрика. Обкладки формируются вакуумным напылением, что позволяет конденсатору «самовосстанавливаться» при пробое. Сформированный прибор помещается в корпус либо одиночно (однофазный), либо в составе сборки (трехфазный).

Поскольку конденсаторы этого типа работают вместе с электродвигателями, они рассчитаны на значительные пусковые токи, а также на кратковременное превышение рабочего напряжения. В целях безопасности, конденсаторы заполнены азотом и оборудованы разъединителем при превышении давления внутри корпуса.

В нашем каталоге представлены компенсирующие конденсаторы “Ducati” и “Electronicon”.

Мощные резисторы

Как и в других разделах электроники, в силовой электронике чрезвычайно широко используются резисторы. Основной особенностью их силового применения является необходимость рассеивания значительной мощности. Среди «силовых» амплуа резисторов можно упомянуть токоизмерительные, зарядные и разрядные, тормозные, элементы снабберов и т.д. Для некоторых из этих целей (в основном, как нагрузочные и тормозные) могут быть использованы мощные проволочные резисторы, представленные в нашем каталоге производителями “Danotherm” “Arcol” “ATE” и некоторыми другими. Простейшие выводные резисторы мощностью рассеяния от 2 до 15 Вт фирмы “ATE” серии CS намотаны медно-никелевым или никель-хромовым проводником на керамическом каркасе и покрыты силиконом, что обеспечивает рабочие температуры от -55 до +350. Для снижения индуктивности в резисторах может применяться бифилярная намотка Айртона-Перри (проволочные резисторы с нулевой индуктивностью).

Для более мощных приложений могут быть использованы резисторы в алюминиевых корпусах различных конфигураций, предназначенные для установки на радиатор. Примером могут служить резисторы серий HS и HSD, а также многочисленные представители серии “Alpha” фирмы “Danotherm”.

Еще более мощные тормозные и нагрузочные резисторы могут быть построены из наборных стальных элементов, обеспечивающих хорошее воздушное охлаждение. В качестве примера упомянем серию резисторов “Tera” (обозначение BRC/BRD с суффиксом исполнения – C, D, F, M и N).

Если для использования в качестве тормозных и нагрузочных могут подойти проволочные и наборные резисторы, не имеющие альтернативы по мощности (кроме еще более мощных резисторов с водяным охлаждением), то для использования в импульсной схемотехнике в качестве токоизмерительных и снабберных, более оправданы мощные толстопленочные резисторы. Это объясняется несколькими факторами – потребность в чрезвычайно низкой паразитной индуктивности элементов, работающих в составе импульсных цепей, малые габариты с возможностью планарного монтажа, меньшие требуемые мощности рассеяния по сравнению с нагрузочными и тормозными резисторами.

В нашем каталоге наиболее широко представлены мощные пленочные резисторы фирм Caddock и Arcol. Среди них можно упомянуть серию мощных измерительных резисторов MP (Caddock), выпускающихся в выводных корпусах TO-126, TO-220, TO-247, более привычных для диодов и транзисторов. Использование этих типов корпусов упрощает установку измерительных резисторов на радиатор (например, общий с ключевыми и выпрямительными элементами). Подобные серии резисторов выпускаются Arcol под обозначением AP с цифровым кодом, определяемым типом корпуса. Также эти производители предлагают мощные пленочные SMD-резисторы различных типоразмеров (серии CC, CD, CHR у Caddock и АР5025 у Arcol).

Для более мощных (в том числе и не измерительных) приложений Arcol предлагает широкую номенклатуру пленочных резисторов с винтовыми клеммами серий FPA100, FPA250 и FPA600 (число обозначает мощность рассеяния в ваттах).   

Дискретные полупроводники, лампы

Первыми приборами «силовой электроники» принято считать ртутные выпрямительные лампы, некоторые разновидности которых (игнитроны) используются и поныне. «Силовой» особенностью этих ламп является катод из жидкой ртути, способный работать с большими токами без эрозии и разрушения, свойственным твердым катодам. Позже был разработан ряд вакуумных и газонаполненных ламп (тиратроны и их родственники), адаптированный к ключевому режиму работы. По мере развития твердотельной электроники и появления полупроводниковых приборов – диодов, тиристоров, транзисторов - использование ламп в силовой электронике стало сокращаться и сейчас с их использованием решаются лишь некоторые специальные задачи.

Диоды

Диоды – двухэлектродные нелинейные элементы – наверное, самые применяемые полупроводниковые приборы. Основная область применения силовых диодов – это выпрямление переменного тока за счет существенной нелинейности вольт-амперной характеристики. Львиная доля всех выпрямительных диодов перекрывается диодами с p-n переходом и диодами Шоттки. Основные различия между этими типами лежат в плоскостях времени восстановления, прямого падения напряжения, обратного тока и рабочего напряжения. Время восстановления диода Шоттки меньше, чем диода с p-n переходом. Падение напряжения в открытом состоянии также меньше (от 0.15 до 0.46 В для типов 1N5817 и 1N5711 соответственно, по сравнению с 0,7 В у кремниевого диода с переходом при токе 1 мА). Однако больший ток утечки с положительным температурным коэффициентом (могущим вызвать неконтролируемый фатальный разогрев при неправильном теплоотводе) и меньшие рабочие напряжения диодов Шоттки требуют определенной аккуратности в их использовании. Все это определяет предпочтительное использование диодов с p-n переходом в сетевых выпрямителях (во входных цепях преобразователей), где частота невелика, а рабочие напряжения значительны. Диоды Шоттки чаще применяются в выходных выпрямителях низковольтных (до десятков вольт) преобразователей, где они работают на рабочих частотах в десятки и сотни килогерц.

Поскольку диоды часто используются в составе двухтактных схем, подразумевающих наличие нескольких диодов, широкое распространение получили диодные сборки («мосты» и модули), объединяющие несколько диодов в едином корпусе. Также диоды могут включаться в состав мощных модулей вместе с ключевыми элементами – тиристорами и транзисторами.

Кроме выпрямительных диодов, в силовой электронике широко применяются и другие двухэлектродные полупроводниковые приборы. Среди них следует упомянуть переключающие – несимметричные и симметричные динисторы – и ограничивающие – TVS-диоды.

Основное свойство динистора – это способность, во-первых, скачком переходить в проводящее состояние при превышении напряжения на нем выше некоторого порога и, во-вторых, оставаться в этом состоянии, пока через него протекает ток. Вообще говоря, его поведение аналогично поведению его близкого родственника – тиристора, с тем лишь отличием, что у динистора отсутствует управляющий электрод.

Супрессорный или TVS диод в чем-то подобен стабилитрону. Как и стабилитрон, TVS переходит в проводящее состояние при превышении обратного напряжения выше некоторого порога. Отличие состоит в том, что стабилитрон не рассчитан на значительные токи и предназначен для стабилизации, а супрессор может выдерживать значительные импульсные токи и предназначен для защиты элементов схемы от паразитных выбросов напряжения. В этом смысле он подобен разряднику, но лишен многих его недостатков. Одними из первых на рынке появились TVS-диоды под маркой “Transil”, в связи с чем это слово стало синонимом TVS-диода вообще. В настоящее время, кроме марки «Transil», в продаже имеются TVS-диоды под марками “TransZorb”, «Insel» и другие.

Распространенные системы обозначения полупроводниковых элементов

Существует несколько стандартных систем обозначения полупроводников, включающих в себя и обозначения силовых диодов. Наиболее распространенными являются системы обозначений EIA/JEDEC (изначально принятая в США), Pro Electron (широко используемая европейскими производителями) и JIS (детище японской ассоциации производителей электроники, распространенная в азиатско-тихоокеанском регионе).

Обозначение полупроводникового прибора по EIA/JEDEC состоит из цифры, обозначающей количество переходов в приборе, обязательной буквы N и четырехзначного числа – регистрационного номера прибора. Обозначения диодов, таким образом, начинаются с 1N. Из следующего за 1N числа, вообще говоря, невозможно извлечь априорной информации об устройстве прибора и его характеристиках. Опытный разработчик может помнить наиболее распространенные приборы, например «классические» выпрямительные кремниевые диоды 1N4001-1N4007 с током до 1А и напряжения от 50 до 1000В, или 1N5400-1N5408 с током до 3А.

Стандарт обозначений Pro Electron более информативен. Изначально он создавался так, чтобы включить в себя стандарт обозначения радиоламп “Mullrad-Philips”, хотя теперь это его свойство используется редко. Обозначение прибора строится из первой буквы, обозначающей тип полупроводника, второй буквы – типа прибора, необязательной третьей буквы, символизирующей специальное назначение прибора, и серийного номера прибора.

Таб.1 Первая буква обозначения (наиболее употребительные)

Таб.2 Вторая буква обозначения

К основному обозначению через дефис или дробь может прибавляться дополнительное, несущее информацию о различных параметрах (рабочем напряжении, усилении, напряжении стабилизации и его точности и т.д.).

Таким образом, примером обозначения мощного выпрямительного диода может быть BY228.

Система Pro Electron широко используется для обозначения дискретных приборов. Изначально включенные в стандарт обозначения интегральных схем не получили распространения.

Обозначение по стандарту JIS-C-7012 (национальный стандарт Японии – электроника и электротехника – система обозначения дискретных полупроводников) состоит из первой цифры – числа переходов в приборе, следующей обязательной буквы S и буквы типа прибора.

Таб.3 Третий символ обозначения

Затем следует порядковый регистрационный номер, возможно дополненный суффиксом, обозначающим подкласс прибора по напряжению и т.п.

Из обозначения на корпусе прибора может быть исключены первая цифра и буква «S», что может породить путаницу, поскольку из обозначения по стандарту Pro Electron может «выпасть» первая буква.    

Существует большое количество «фирменных» систем обозначений элементов, введенных производителями для своей продукции. Для силовых диодов практически важной является система, используемая, в частности, таким гигантом, как «Vishay». Вначале обозначения идет число, символизирующее максимальный рабочий ток в амперах, затем следует буквенный код, определяющий технологию и временные параметры диода, затем следует число, указывающее обратное напряжение в десятках вольт. Так из обозначения 40HF10 следует максимальный ток 40А и напряжение 100В.

Номенклатура корпусов силовых диодов довольно разнообразна. Наиболее употребительными на данный момент являются диоды и сборки в цилиндрических выводных аксиальных корпусах DO-15, DO-35, DO-41, DO-201A; выводных корпусах TO-220, TO-220A, ITO-220A, TO-220AB, TO-247AC, TO-3P, TO-225AA. Также широко используются планарные корпуса диодов DPAK, D²PAK, DO-214, SOT-23.   

Для мощных приложений могут использоваться корпуса с винтовыми и ножевыми клеммами. Примером из нашего каталога могут являться выпрямительно-ключевые модули фирмы «Semikron» в корпусе типа “Semipack” (SKKD – винтовые клеммы и SKKE - ножевые).

Перейти к списку статей