IGBT-модули
Типовые схемы модулей ключей
Для улучшения технико-экономических показателей силовых электронных устройств – преобразователей, регуляторов и других широко используется интеграция силовых ключей, соединенных, по типовым, наиболее распространенным схемам. Интегрированные отдельные приборы в одном, обычно пластмассовом корпусе с теплоотводящим основанием называются модулями. Металлическое основание для отвода тепла отделяется от токопроводящих элементов специальным электроизоляционным слоем. Этот слой, с одной стороны, обеспечивает необходимую электрическую изоляцию интегрированных элементов, с другой – хорошую теплопроводность между токопроводящими элементами и металлическим основанием.
Типовые схемы соединения элементов в модулях обычно соответствуют типовым схемам преобразования параметров электрической энергии (например, однофазные и трехфазные мостовые схемы выпрямителей и инверторов, схемы двухтактных ключевых регуляторов и т.д.).
Контрольные вопросы:
1. Какие соединения ключевых элементов вы знаете?
2. Каким методом достигается равномерное распределение токов?
Домашнее задание:
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком.
В настоящее время IGBT-транзисторы выпускаются, как правило, в виде модулей в прямоугольных корпусах с односторонним прижимом и охлаждением или в таблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением. Модули с односторонним охлаждением выполняются в прочном пластмассовом корпусе с паяными и винтовыми контактами и изолированным основанием (рис. 6.17.). Все электрические контакты находятся в верхней части корпуса. Отвод тепла осуществляется через основание.
Рис. 6.17. Внешний вид IGBT-модулей
IGBT-модуль по внутренней электрической схеме может представлять собой единичный IGBT, двойной модуль, где два IGBT соединены последовательно (полумост), прерыватель, в котором единичный IGBT последовательно соединён с диодом, однофазный или трёхфазный мост. Во всех случаях, кроме прерывателя, модуль содержит параллельно каждому IGBT встроенный обратный диод. Наиболее распространённые схемы соединений IGBT- модулей приведены на рис. 6.18.
Рис. 6.18. Схемы соединений IGBT-модулей
Сравнение силовых полупроводниковых управляемых ключей. Создание в 1958 г. тиристора стало новым рубежом в развитии силовой электроники, с которого началось развитие твердотельной силовой электроники. Появление тиристоров открыло новые перспективы и породило большие надежды на эффективное преобразование и управление потоками электрической энергии во многих областях техники и особенно в электромеханике. Однако неполная управляемость тиристора и его относительно невысокое быстродействие значительно ограничили возможности использования тиристоров, особенно в области разработки автономных инверторов и преобразователей частоты для электропривода переменного тока. Наибольшие результаты были достигнуты в области разработок управляемых выпрямителей и зависимых инверторов, работающих в сетях с частотой 50 Гц. Однако стоит отметить, что внедрение тиристоров в силовых тиристорных преобразователях породило проблему роста неактивных мощностей — реактивной основной гармоники и искажения. Последняя возникала из-за нелинейного характера цепей с ключевыми элементами и низким быстродействием. Ситуация в развитии силовой электроники начала существенно улучшаться в конце 80-х и начале 90-х годов в связи с развитием гибридных и интегральных технологий в области создания новых типов быстродействующих силовых полупроводниковых приборов.
Наиболее мощными полностью управляемыми ключами в настоящее время являются запираемые тиристоры GTO и GCT, которым несколько уступают по мощности, но существенно опережают по быстродействию тиристоры типа МСТ и силовые IGBT.
При равном значении коммутируемой мощности 36 кВА GCT превосходит GTO в 2 раза по допустимым скоростям нарастания напряжения и тока и быстродействию. Характеристики современных МСТ свидетельствуют, что этот тиристор является весьма перспективным прибором для коммутации больших мощностей на частотах выше 10 кГц.
В настоящем кратком обзоре рассмотрены только основные виды силовых полупроводниковых ключей. Однако как в разработках, так и в эксплуатации используются и другие виды приборов, которые в перспективе могут найти широкое применение в преобразовательной технике.