Оптронные тиристоры в управляемых выпрямителях большой мощности
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 обычные 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.
Рис. 1. Упрощенная структура силового оптронного тиристора
Оптотиристоры состоят из силового кремниевого (Si) 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).
Рис. 2. Конструкция и электрическая схема модульной сборки полумоста на оптронных тиристорах
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 (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).
Рис. 3. Схема трехфазного мостового, полностью управляемого выпрямителя Ларионова с нулевым вентилем
Трехфазный мост Ларионова состоит из двух групп основных вентилей: катодной (VS1, VS3, VS5) и анодной (VS2, 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 α, 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 (τ) 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 (cos9) 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 α 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 демпферного 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 α либо по истечении интервала проводимости демпферного диода (или имитирующего его управляемого вентиля моста) при углах α, превышающих 60 эл. град. Таким образом, максимальный угол управления α^, 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 α, сигналы управления выходить не должны. Однако импульсы управления в практически реализуемых САУ, как было отмечено выше, имеют определенную и, в некоторых случаях, довольно большую длительность (τ). Поэтому максимальный угол управления amax необходимо устанавливать меньше граничного (180 эл. град.), соответственно, на величину, превышающую τ (то есть amax < 180-τ), 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 UR создает опасность для тиристорной структуры в другом отношении.
Из-за так называемого транзисторного эффекта в 4-слойной полупроводниковой p-n-p-n-структуре обратный ток утечки IR при приложении к тиристору обратного напряжения UR (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 IR свыше 100 мА уже при комнатной температуре (Tj = 25 °C), 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 τ 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 нерегулируемого выпрямителя и однофазного инвертора, предназначенных для питания токами повышенных частот электротехнологических 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 электротехнологических установок советской серии СЧГ (ЛОЭЗ ВНИИТВЧ, г. Ленинград) выпрямители по трехфазной мостовой схеме выполнялись 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 α, 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 UDRM и повторяющегося импульсного обратного напряжения URRM, — 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 U(BO) и пробоя (загиба) U(BR) (рис. 5). Существует, как известно, несколько типов пробоя полупроводниковых структур, от которых эти параметры зависят различным образом. И величины U(bo), U(br), в рассматриваемом случае, могут не измениться или даже возрасти с ростом температуры структуры Tj и токов утечки ID, IR.
Рис. 5. Вольт-амперная характеристика оптронного тиристора 12 класса типа ТО242-80-12 (Tj = 20 °C, iFG = 0, It(av) = 80 A)
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 UDSM и обратного напряжения URSM, 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 Udwm и обратного напряжения URWM.
Используется еще два классификационных параметра тиристоров по напряжению: постоянное напряжение в закрытом состоянии UD и постоянное обратное напряжение UR. 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 ID (ток утечки в закрытом состоянии) или обратный ток утечки IR. Выделяемая в приборе мощность от токов утечек (ID, IR) может достигать предельных значений и вести к перегреву. Для исключения перегрева постоянные напряжения, прикладываемые к прибору в ждущих режимах (UD, UR), должны быть ограничены (Ud< Udwm, Ur < Urwm).
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 IDRM и обратный ток IRRM. 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 Т0242-80-12, имеющего маркировку 12 класса в диапазонах допустимых для него токов утечек (ID, IR) при температуре перехода Tj = 20 °С и отсутствии сигнала управления (iFG = 0). Как видно, токи утечек ID, Ir, IDRM, IRRM в этих условиях очень малы (Idrm = 1,7 мкА, Irrm = 1,9 мкА).
Значения токов утечек определяются дефектами структуры в объеме и на поверхности, искусственными омическими шунтировками, токами, обусловленными тепловой генерацией носителей. При повышении температуры (TJ) токи утечек (Id, Ir, Idrm, Irrm) возрастают. Для тиристоров из кремния они приблизительно удваиваются на каждые 10-11 °К. Но даже при максимальной температуре (Tj = Tjm) токи утечек верно спроектированного исправного прибора остаются сравнительно небольшими.
Совсем иначе обстоит дело, когда при приложении обратного напряжения UR к тиристору одновременно подается прямой сигнал управления iFG (импульс электрического тока или энергия света). В этом случае токи утечек IR (Irrm) возрастают значительно.
Необходимо отметить, что мощность потерь от протекающих через структуру неограниченных токов утечек (IR, Irrm) 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 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.
Примечание. W — масса прибора.
Рис. 6. Осциллограмма импульса напряжения управления uFG оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12 реальной СИФУ
Рис. 7. Фронт импульса напряжения управления ufg оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12