Гибридный контактор на тиристорах и SiC JFET для асинхронных двигателей
Исследователи ABB объединили кремниевые тиристоры с каскодными транзисторами на карбиде кремния: тиристоры держат восьмикратные пусковые перегрузки, а JFET обеспечивают высокий КПД на рабочем токе. Прототип показал КПД 99,62% и коэффициент гармоник 1,24%.
Прямой пуск асинхронного двигателя от сети требует контактора, способного выдержать большой пусковой ток и периодические перегрузки. В качестве надёжного, экономичного и высокоэффективного решения для такого модуля предложен гибридный контактор на кремниевом тиристоре и транзисторе JFET на карбиде кремния.
Прямой пуск асинхронных двигателей
Пусковое устройство во многом определяет работоспособность и надёжность всей системы с двигателем. Прямой пуск от сети применяется чаще всего там, где регулирование скорости не нужно, а мощность не превышает примерно 7,5 кВт. В отличие от устройства плавного пуска, при прямом пуске двигатель подключается к сети напрямую. Его достоинства — простота, низкая стоимость, малое время запуска, компактность и большой момент на валу практически сразу.
У асинхронных двигателей большие пусковые токи, потому что в неподвижном состоянии отсутствует противоЭДС. Пусковой ток может достигать восьмикратного номинального. Основные части устройства прямого пуска — контактор, соединяющий двигатель с сетью переменного тока, кнопки пуска и останова, а также линейные автоматические выключатели для защиты от короткого замыкания.
Твердотельные контакторы для двигателей
Электромеханические контакторы дают дешёвое и эффективное решение, но изнашиваются из-за дуги и эрозии контактов. Твердотельные контакторы (SSMC) обеспечивают надёжную бездуговую коммутацию при гораздо большем числе включений и отключений.
К такому контактору предъявляется ряд требований. Для успешной компоновки модуль должен укладываться в габариты существующих механических контакторов. При аварии он должен оставаться включённым, пока не сработает автоматический выключатель. Скорость коммутации может быть небольшой, так как контактор работает с сетевым напряжением частотой 50 или 60 Гц. Он обязан сохранять высокий КПД в нормальном режиме и выдерживать большие перегрузки, не превышая предельной температуры перехода (Tj,max), причём при одном лишь пассивном охлаждении, как это принято в недорогих приводах малой мощности.
Стандарт IEC 60947-4-2 предполагает, что твердотельный контактор выдерживает сотни пусковых бросков тока в час при повторно-кратковременной работе двигателя. Индуктивный бросок может достигать восьмикратного номинального тока продолжительностью от 3 до 11 с. Среди тепловых испытаний по IEC 60947 есть такие:
AC-53a — испытание перегрузкой, при котором контактор трижды подвергается восьмикратной перегрузке по току двигателя, каждый раз по 3 секунды. Исходное состояние — установившаяся непрерывная работа при номинальном токе двигателя. После испытаний контактор должен сохранить способность коммутировать и блокировать ток без потери работоспособности и без видимых повреждений. Для безопасной работы перегрев переходов полупроводниковых приборов в этих испытаниях должен укладываться в предельные значения, то есть Tj не выше Tj,max.
AC-53b — испытание, моделирующее повторно-кратковременную работу двигателя; один из его режимов задаёт 160 циклов восьмикратной перегрузки длительностью 0,8 с, чередующихся с работой при полной нагрузке в течение 10 с.
Гибридные твердотельные контакторы
У силовых приборов, пригодных для такого модуля, свои достоинства и недостатки.
Кремниевые тиристоры хороши отличной проводимостью как при полной нагрузке, так и при перегрузке. Выдающаяся стойкость к короткому замыканию позволяет выдерживать токи, превышающие номинальный в 20–30 раз, в течение миллисекунд. Недостатки — потери при неполной нагрузке из-за порогового напряжения включения, с которого начинается проводимость, и отрицательный температурный коэффициент проводимости, из-за которого трудно соединять приборы параллельно, не рискуя получить тепловой разгон.
Кремниевые IGBT, как и тиристоры, хорошо проводят большой ток, но при малой нагрузке могут быть даже менее эффективны из-за падения напряжения в открытом состоянии.
Приборы на карбиде кремния — MOSFET и JFET — отличаются прекрасным КПД при малой нагрузке, но при больших токах уступают тиристорам и IGBT, да и стоят дороже. Нормально открытые JFET выигрывают у MOSFET по удельному сопротивлению открытого канала, а в каскодном включении с кремниевым MOSFET образуют нормально закрытый прибор, управляемый обычным положительным напряжением на затворе. Такие приборы уже предлагались как отличные кандидаты для твердотельных размыкателей цепи.
Чунмэн Сюй (Chunmeng Xu) и его коллеги из американского корпоративного исследовательского центра ABB спроектировали и проверили модуль твердотельного контактора, в котором сочетаются тиристор и JFET на карбиде кремния. Эта схема, названная ThyFET, использует высокую перегрузочную способность тиристора и высокий КПД каскодного JFET при неполной нагрузке.
Тиристор проводит ток в одном направлении и блокирует обратное, поэтому встречно-параллельное соединение двух тиристоров даёт двустороннюю проводимость и блокирование. Тиристоры включаются по управляющему электроду при напряжении выше порога Vo. В сетях переменного тока они естественным образом запираются при обратном напряжении и когда ток через них падает ниже тока удержания.
В схеме ThyFET тиристорная ветвь проводит большую часть тока при перегрузке, и наклон характеристики определяется сопротивлением тиристора (rT). Встречно-последовательное соединение каскодных JFET на карбиде кремния образует двунаправленный путь с управлением по затвору — его можно и включать, и выключать. Через него проходит значительная часть тока при нормальной работе двигателя, а наклон характеристики задаётся суммой сопротивлений двух встречно включённых приборов (Rds + Rsd).
Как проектировался гибридный модуль
Контактор рассчитывался на трёхфазную нагрузку 480 В с номинальным током 12 А (среднеквадратичное значение). У выбранных приборов такие ключевые параметры.
Тиристор: 1,6 кВ, длительный ток 80 А. Предельный импульсный ток — 1000 А, Vo = 0,85 В, rT = 4,5 мОм. Защитный показатель I²t при перегрузке равен 6000 А²·с, что намного выше, чем у выбранного предохранителя автоматического выключателя с показателем 1200 А²·с. Благодаря этому выключатель безопасно отключает контактор при коротком замыкании.
Каскод из JFET на карбиде кремния и кремниевого MOSFET: 1,2 кВ, длительный ток 23 А, импульсный 80 А. В каждом каскоде JFET с сопротивлением 50 мОм работает с низковольтным кремниевым MOSFET на 20 В с сопротивлением 5 мОм, что даёт суммарное Rds = Rsd = 55 мОм. Сравнительно высокое сопротивление JFET в 50 мОм выбрано из соображений стоимости, но, как показано дальше, высокий КПД это не помешало получить.
Пороги переключения между ветвями подбирались так, чтобы работа была устойчивой при минимальных потерях. Когда контактор включён, JFET открыты всегда. Простой расчёт показывает, что при выбранных параметрах ток распределяется между тиристорной и JFET-ветвями поровну при 16 А. При этом ток через JFET не превышает 70% его предельных 23 А, то есть запас велик. Напряжение на приборах при токе 16 А составляет 1,77 В — заметно выше порога тиристора 0,85 В, что обеспечивает чёткую последовательность включения.
Выключение ThyFET можно скомандовать и тогда, когда тиристор ещё не включился, и при перегрузке, когда ток ведёт в основном тиристор. Для JFET выбрано медленное время выключения 1,5 мкс с большим затворным резистором выключения Rg-off = 400 Ом. Благодаря этому даже если ток ведёт только JFET, выброс напряжения при выключении составляет, по расчётам, всего 125 В. Долгое выключение даёт тиристору время включиться и вести ток до перехода через ноль. Такой обходной путь через тиристор сводит к минимуму потери жёсткого выключения в JFET и обеспечивает надёжность без рассеивающих энергию элементов вроде варисторов.
В конструкции применены две платы с прямым соединением меди. На нижней размещены тиристор и JFET на карбиде кремния, а меньшая верхняя плата с низковольтными кремниевыми MOSFET каскодов и затворными резисторами располагается в промежутках нижней. Это позволило уложиться в стандартные габариты 45 × 50 мм.
Результаты
Прототип прошёл упомянутые испытания по AC-53. Переход тока между ветвями в положительном полупериоде занимает около 0,4 мс. Установившийся перегрев радиатора относительно окружающей среды составил 57,5 °C, а при восьмикратной перегрузке током 96 А вырос до 71,9 °C. Расчётная температура перехода тиристора при этом равна 124,9 °C, то есть ниже предельных 130 °C.
При перегрузке, возникшей в момент, когда ток вёл JFET, напряжение подскочило до 8,7 В; после включения тиристора оно за 0,35 мс упало до 4,8 В. Быстрый переход предотвращает перегрев ветви с JFET.
Измеренный КПД составил 99,62% при полной нагрузке и 99,78% при половинной. Суммарный коэффициент гармонических искажений у ThyFET оказался равен 1,24%. И по КПД, и по гармоникам решение превосходит вариант только на тиристорах.