Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2004 №3

Драйверы SEMIKRON для управления тиристорными модулями

Колпаков Андрей


Кроме известных на весь мир модулей IGBT SEMIKRON производит широкую гамму компонентов общего применения, в том числе тиристорные модули и контроллеры для управления ими, речь о которых и пойдет в данной статье.

Tрудно спорить с тем, что самыми популярными элементами для мощных импульсных применений являются транзисторы MOSFET и IGBT. Это объясняется, в первую очередь, большими значениями достижимой плотности мощности, компактностью и высокой эффективностью построенных на их основе преобразователей. Кроме того, эти компоненты позволяют разрабатывать импульсные преобразовательные устройства, удовлетворяющие жестким требованиям по электромагнитной совместимости.

Однако тиристоры и симисторы еще долго будут оставаться элементами, привлекательными для разработчиков, благодаря своей дешевизне, простоте управления и надежности. Именно поэтому они выпускаются практически всеми крупнейшими изготовителями силовых полупроводников.

Компания SEMIKRON является одним из ведущих мировых производителей, специализирующимся на разработке компонентов для изделий силовой электронной техники: электротранспорта, приводов, блоков вторичного электропитания, устройств промышленной автоматизации и энергетики, автомобильной промышленности. Кроме известных на весь мир модулей IGBT SEMIKRON производит широкую гамму компонентов общего применения, в том числе тиристорные модули и контроллеры для управления ими, речь о которых и пойдет в данной статье.

Драйверы, предназначенные для управления тиристорами и симисторами, выпускаются рядом фирм. Российским разработчикам хорошо известны микросхемы серии МОС30хх производства Motorola. Они изготовляются в малогабаритных корпусах,имеют оптическую развязку, для их включения требуется небольшое количество внешних компонентов. Схема подключения драйвера МОС30хх, управляемого током логического элемента D1, к симистору Th1 показана на рис. 1, а, акпаре тиристоров Th1 и Th2 — на рис. 1, б. Резисторы и конденсаторы, показанные на рисунке, предназначены для ограничения тока управления искорости нарастания напряжения dv/dt (снабберная цепочка RSCS ).

Рис. 1. Схемы подключения драйверов МОС30хх
Рис. 1. Схемы подключения драйверов МОС30хх

Контроллеры SEMIKRON отличаются от аналогичных изделий тем, что они являются полностью законченными изделиями, предназначенными для управления тиристорами, соединенными в определенной конфигурации: полумостовой, мостовой, 3-фазной мостовой. Контроллеры SKHIT 01 представляют собой печатные платы, а драйверы серии SKPC и RT имеют модульное исполнение, причем конструктивно они согласованы с тиристорными модулями SEMIPACK (по подключению и установочным размерам), что обеспечивает простое и надежное соединение.

SKHIT 01 — драйвер 3-фазного тиристорного моста

Драйвер SKHIT 01 предназначен для управления 3-фазным полууправляемым тиристорным мостом. Его структурная схема и схема подключения показаны на рис.2,а внешний вид — нарис.3. Каквидно из рисунка, конструкция драйвера предусматривает его вертикальную установку на печатную плату при помощи пайки.

Основные технические характеристики драйвера SKHIT 01:

  • максимальное входное напряжение — 530 В;
  • выходной ток — 400 мА;
  • питание — 15 В, 150 мА;
  • ток управления — 10 мА;
  • напряжение изоляции — 2500 В.

Одной из самых серьезных проблем, возникающих при включении мощного преобразовательного устройства, является ограничение тока заряда электролитических конденсаторов, подключенных после выпрямительного моста к шине питания. Большие пусковые токи не только перегружают питающую сеть и могут вызвать срабатывание защитных устройств, они еще и резко сокращают срок службы электролитических конденсаторов.

Рис. 2. Структурная схема (а) и схема подключения (b) драйвера SKHIT 01
Рис. 2. Структурная схема (а) и схема подключения (b) драйвера SKHIT 01
Рис. 3. Внешний вид платы драйвера SKHIT 01
Рис. 3. Внешний вид платы драйвера SKHIT 01

При невысоких мощностях нагрузки эта проблема обычно решается с помощью резистора «предварительного заряда» (precharge) и реле, замыкающего его после окончания процесса заряда. С увеличением мощности реализация такой схемы становится все более сложной, кроме того, надежность мощных контакторов сравнительно невелика, поэтому для заряда конденсаторов силовой шины питания обычно используются тиристорные выпрямители с фазовым управлением. Специально для обеспечения плавного заряда конденсаторов шины питания фирмой International Rectifier разработан интегральный драйвер IR1110 — контроллер «плавного запуска» (Soft Start Controller), упрощенная схема подключения которого приведена на рис. 4. Микросхема IR1110 выпускается в корпусе MQFP-64. Она способна управлять 3-фазным полууправляемым тиристорным мостом и обеспечивает следующие режимы работы:

  • регулирование напряжения шины питания;
  • возможность работы с однофазной и трехфазной сетью напряжением 115/230/380/460/575 В;
  • возможность программирования характеристики нарастания напряжения;
  • защита от короткого замыкания по шине питания;
  • формирование сигнала неисправности.

SEMIKRON предлагает свой вариант решения задачи (см. рис. 2, б). После подачи питания происходит заряд конденсатора С через выпрямительные диоды D1 — D3 и резистор Rcharge. После окончания процесса заряда включается тиристорный выпрямитель Th1— Th3, управляемый драйвером SKHIT 01, и формируется сигнал, разрешающий подключение нагрузки. Преимуществом данной схемы является отсутствие прерывания тока тиристорами и, соответственно, низкий уровень излучаемых в сеть помех. Такая схема проще в реализации, а наличие трех дополнительных маломощных диодов практически не влияет на стоимость изделия. В отличие от схемы с контроллером IR1110, вслучае использования драйвера SKHIT01 требуется минимальное количество внешних элементов.

Рис. 4. Схема подключения (а) и внешний вид платы IRMDSS1 (б) с драйвером IR1110 и тиристорным выпрямителем
Рис. 4. Схема подключения (а) и внешний вид платы IRMDSS1 (б) с драйвером IR1110 и тиристорным выпрямителем

На рис. 2, а приведена структурная схема драйвера SKHIT 01. Десятичный счетчик (5), на вход которого поступают тактовые импульсы с генератора (4), формирует три импульсных, сдвинутых по фазе напряжения счастотой 10 кГц и коэффициентом заполнения около 0,1. Фазовый сдвиг импульсных последовательностей определяется сдвигом фаз питающего напряжения L1 — L3. Далее импульсы через компараторы-усилители (6) и ограничительные резисторы подаются на управляющие электроды тиристоров. Если напряжение, приложенное к тиристорам, отрицательно (линейное напряжение L1 — L3) или отсутствует сигнал разрешения (строб), то сигналы управления тиристорами не проходят.

Потенциал точки соединения катодов тиристоров (+UG) близок к выходному напряжению выпрямительного моста и не совпадает с потенциалом общего сигнального провода. Согласование потенциалов осуществляется с помощью гальванически изолированного DC/DC-конвертора (1). Для включения драйвера служит сигнал «строб», разрешающий или запрещающий прохождение управляющих импульсов на выход устройства.

Контроллеры управления тиристорными модулями SKPC

Контроллеры SKPC представляют новое поколение модулей управления SEMI-PCM (Semikron Power Control Modules), разработанных английским отделением фирмы SEMIKRON. Модули SKPC 100 предназначены для совместной работы с управляемыми тиристорными выпрямителями в 2 режимах: с контролем нулевого перехода (SKPC 100Z) и с непосредственным управлением фазным углом. Данные компоненты позволяют создавать твердотельные реле большой мощности для различных применений, где требуется коммутация переменного тока или управление мощностью нагрузки. Модули SKPC в первую очередь предназначены для применения в устройствах с большими значениями коммутируемых токов и индуктивным характером нагрузки.

Основные особенности контроллеров SKPC:

  • уровень сигнала управления — TTL, CMOS;
  • гальваническая изоляция сигнала управления;
  • удовлетворяют требованиями стандартов UL, CSA, VDE;
  • согласованы по установочным размерами подключению с тиристорными модулями SEMIPACK 1 — SEMIPACK 4.

Контроллер SKPC 200 предназначен для управления модулями тиристор/тиристор вразличных конфигурациях, его структурная схема и внешний вид показаны на рис.5 и 6. Нарис. 7 приведены варианты соединения тиристоров в модуле, с которыми может работать SKPC 200, — коммутатор переменного тока (7, а) и мостовые схемы (7, b и с). Основные особенности контроллера SKPC 200:

Таблица 1. Функциональное назначение модулей SKPC
Таблица 1. Функциональное назначение модулей SKPC
Таблица 2. Основные технические характеристики контроллеров SKPC 100/200:
Таблица 2. Основные технические характеристики контроллеров SKPC 100/200:
  • встроенный трансформатор (Тр) источника питания может быть подключен к отдельной сети 220 В, что позволяет устройству использовать широкий диапазон напряжений;
  • защита от короткого замыкания;
  • встроенный операционный усилитель иисточник опорного напряжения для выработки сигнала управления в замкнутой системе.
Рис. 5. Структурная схема SKPC 200
Рис. 5. Структурная схема SKPC 200
Рис. 6. Внешний вид модуля SKPC 200
Рис. 6. Внешний вид модуля SKPC 200
Рис. 7. Конфигурации схем соединения тиристоров
Рис. 7. Конфигурации схем соединения тиристоров

На рис. 8 показан внешний вид модулей управления, разработанных и производимых испанским отделением SEMIKRON. Далее в тексте приведено краткое описание данных модулей.

Рис. 8. Внешний вид модулей для управления тиристорными мостами серий RT, МР, APTT
Рис. 8. Внешний вид модулей для управления тиристорными мостами серий RT, МР, APTT

RT380M B2C — регулятор фазового угла для управления тиристорным мостом/полумостом в конфигурации В2С c контролем нулевого перехода

Область применения: регулировка освещения, температуры, скорости вращения двигателей постоянного тока, асинхронных двигателей, управление электрохимическими процессами.

Основные особенности:

  • напряжение питания — 50/60 Гц, 220/380 В;
  • напряжение управления — 0…5/0…10 В;
  • встроенный источник питания 5 В;
  • напряжение изоляции — 4 кВ;
  • согласован по электрическим характеристикам и конструкции со всеми тиристорными модулями SEMIKRON.

RT380T — аналоговый контроллер 3-фазного тиристорного моста в конфигурациях В6С, B6HK, B6HKF

Область применения: регулировка мощности 3-фазной нагрузки.

Основные особенности:

  • напряжение питания — 50/60 Гц, 220/380 В;
  • работа на индуктивную нагрузку с
    =0,2;
  • напряжение управления — 0…5/0…10 В;
  • встроенный источник питания 5 В, 100 мА;
  • напряжение изоляции — 4 кВ;
  • согласован по электрическим характеристикам и конструкции со всеми тиристорными модулями SEMIKRON.

MP380T — микропроцессорный контроллер 3-фазного тиристорного моста

Область применения: регулировка мощности 3-фазной нагрузки.

Основные особенности:

  • напряжение питания — 50/60 Гц, 220/380 В с автоматическим выбором диапазона;
  • работа на индуктивную нагрузку с
    =0,2;
  • напряжение управления — 0…5/0…10В, 0…20/4…20 мА;
  • программируемый режим пуска и остановки;
  • контроль обрыва фазы и правильности чередования фаз;
  • защита от перегрева;
  • режим ограничения тока нагрузки;
  • напряжение изоляции — 4 кВ;
  • управление от РС по протоколу RS485.

RT120MC — однофазный регулятор для управления АС-ключом (W1C) с обратной связью по току или напряжению

Область применения: стабилизация тока или напряжения нагрузки.

Основные особенности:

  • напряжение питания — 50/60 Гц, 110/220/380 В;
  • работа на индуктивную нагрузку с
    =0,2;
  • напряжение управления — 0…5 В, 0…20 мА, 4…20 мА;
  • программируемый режим плавного пуска/остановки;
  • режим ограничения тока или стабилизации напряжения;
  • напряжение изоляции — 4 кВ.

APTT840/841 — однофазный регулятор для управления АС-ключом (W1C) и полумостом (В2С) c контролем нулевого перехода (840) и без контроля (841)

Область применения: регулировка мощности однофазной нагрузки, коррекция коэффициента мощности.

Основные особенности:

  • напряжение питания — 50/60 Гц, 220/380 В;
  • напряжение управления — 12 В;
  • напряжение изоляции — 4 кВ.

SKW3 ZC — контроллер для управления 3-фазным АС-коммутатором c контролем нулевого перехода

Область применения: коммутация 3-фазной нагрузки.

Основные особенности:

  • напряжение питания — 50/60 Гц, 230/400 В;
  • напряжение управления — 8…10 В;
  • встроенный источник питания 12 В;
  • напряжение изоляции — 4 кВ;
  • согласован по электрическим характеристикам и конструкции со всеми тиристорными модулями SEMIKRON.

SKTT6 — контроллер для управления 3-фазным АС коммутатором

Область применения: коммутация 3-фазной нагрузки.

Основные особенности:

  • напряжение питания — 50/60 Гц, 230/400 В;
  • напряжение управления — 6…30 В;
  • встроенный источник питания 12 В;
  • напряжение изоляции — 4 кВ;
  • согласован по электрическим характеристикам и конструкции со всеми тиристорными модулями SEMIKRON.
Рис. 9. Практические схемы включения контроллеров SKPC
Рис. 9. Практические схемы включения контроллеров SKPC
Рис. 10. Демонстрационная сборка SEMITEACH с модулями SKКТ 57/12 и драйвером RT380T
Рис. 10. Демонстрационная сборка SEMITEACH с модулями SKКТ 57/12 и драйвером RT380T

Заключение

Фирма SEMIKRON стремится максимально обеспечить потребности потребителей полупроводниковых компонентов высокой мощности и необходимых им аксессуаров: теплоотводов, вентиляторов, снабберныx цепей, элементов для защиты полупроводников от переходных перенапряжений. Это позволяет разработчику выбрать все необходимые для решения задачи компоненты среди продукции одной фирмы.

Основная доля продукции SEMIKRON предназначена для создания мощных преобразовательных устройств: приводов, систем индукционного нагрева, сварочного оборудования и т. д. Одной из проблем, с которой неизбежно сталкивается разработчик данного оборудования, является плавная подача питания. Выпуск компонентов, позволяющих решить данную задачу, позволяет сократить стоимость разработки, повысить надежность работы изделия.

Тиристоры остаются элементами, достаточно широко применяемыми в технике, и наличие специализированных контроллеров для управления ими — одна из сильных сторон продукции SEMIKRON. На рис.9 приведены некоторые практические схемы, вкоторых могут быть использованы тиристоры, управляемые драйверами SEMIKRON: а— регулятор тока однофазной нагрузки, b— мостовой регулятор мощности нагрузки постоянного тока, с — коммутатор трехфазной нагрузки, d — система термостабилизации.

На рис. 10 показано одно из готовых изделий серии SEMISTACK — сборка, содержащая полностью законченную конструкцию 3-фазного выпрямителя с модулями SEMIPACK SKKT 57/12, драйвером 3-фазного тиристорного моста RT390T, теплоотводом Р3/250, вентилятором SKF3-230 и разъемами для подключения силовых и контрольных цепей. Модуль разработан и изготовлен специально для обучения специалистов методам расчета иконструирования тиристорных преобразователей большой мощности.

Литература

  1. SCR/Thyristor Trigger Module SKHIT 01. Semikron Elektronik GmbH.
  2. Thyristor Phase Angle Trigger Module SKPC 200. Semikron Elektronik GmbH.
  3. IRMDSS 1 — IR1110 Soft Start IC Reference Design Kit. International Rectifier Data Sheet No. PD60164.
  4. Thyristor Power Electronics Teaching System. Application Note.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке