Наследие IR: тиристоры

 

Тиристоры как коммутационные элементы в настоящее время испытывают жесткую конкуренцию среди прочих силовых полупроводников, в т.ч. транзисторы MOSFET и IGBT. Это связано не только с улучшенными техническими и функциональными возможностями схем на указанных транзисторах, но и с непрерывно ужесточающимися требованиями к электромагнитной совместимости. Тем не менее, еще существует ряд применений, где использование тиристоров как минимум более выгодно по экономическим соображениям, а порой и безальтернативно. Во многих из таких применений могут использоваться тиристоры из производственной линии International Rectifier, права на производство которых выкупила компания Vishay в 2007 году. Если следовать общепринятой классификации тиристоров, то в выпускаемый Vishay ассортимент входят только триодные тиристоры (тринисторы или SCR) и модули на их основе. Такие тиристоры имеют три вывода: анод, катод и управляющий электрод, и могут находиться в одном из двух устойчивых состояний: закрытое (исходное состояние) и открытое с протеканием тока в одном направлении. Весь ассортимент тиристоров удобно разделять по конструктивному исполнению и быстродействию (см. таблицу 1).

Таблица 1. Серии тиристоров Vishay из производственной линии IR

Для фазового управления (tq ³100 мкс) Быстродействующие (tq=10…30 мкс )
Корпус Серия IT(RMS)/IT(AV) [А] VDRM [В] Корпус Серия IT(RMS)/
IT(AV)
[А]
VDRM [В]
Для выводного монтажа на печатную плату  
TO-220   10TTS08   10/6,5   800   -
TO-220   12TTS08   12/8   800  
TO-220/FP 16TTS08 16/10 800
TO-220/FP 25TTS08 25/16 800
TO-247AC 30TTS08 30/20 800
TO-247AC 40TTS08/16 55/35 800, 1600
Super-247 70TTS12 75/70 1200
Для поверхностного монтажа на печатную плату
D2PAK 10TTS08S 10/6,5 800 -
D2PAK 16TTS08S 16/10 800
D2PAK 25TTS08S 25/16 800
Металло-стеклянный под гайку
TO-208AA (TO-48) 16RIA 35/16 100, 200, 400, 600, 800,  1000, 1200 TO-209AC (TO-94) ST083S 135/85 1200
TO-208AA (TO-48) 22RIA 35/22 - TO-209AC (TO-94) ST103S 165/105 800
TO-208AA (TO-48) 25RIA 40/25 - TO-209AB (TO-93) ST183S 306/195 800
TO-209AC (TO-94) 80RIA 125/80 400 TO-209AB (TO-93) ST280S 440/280 400,600
TO-209AC (TO-94) ST110S 175/110 400 TO-209AE (TO-118) ST303S 471/300 1200
TO-209AC (TO-94) 110RKI40 172/110 400 TO-209AB (TO-93) ST173S 610/330 1200
TO-209AB (TO-93) ST180S 314/200 400, 800, 1200, 1600, 2000 - - - -
TO-209AB (TO-93) ST230S 360/230 400, 800, 1200, 1400, 1600 - - - -
TO-209AE (TO-118) ST300S 470/300 1200, 2000 - - - -
TO-209AE (TO-118) ST330S 520/330 400, 800, 1200, 1400, 1600 - - - -
Таблетка
TO-200AB (A-PUK) ST180C-C 660/350 400, 800, 1200, 1600, 1800, 2000 TO-200AB (A-PUK) ST173C10CFK0 330 1000
TO-200AB (A-PUK) ST230C-C 780/410 400, 800, 1200, 1400, 1600 TO-200AB
(A-PUK)
ST183C-C 370 400, 800
TO-200AB (A-PUK) ST280C-C, ST280CH-C 960/500
1130/500
400, 600   TO-200AB
(A-PUK)
ST203C-C 370 1200
TO-200AC (B-PUK) ST300C-L 1115/560 400, 800 TO-200AC
(B-PUK)
ST303C-L 515 400, 800, 1000, 1200
TO-200AB (E-PUK) ST300C-C 1290/650 400, 800 TO-200AB
(E-PUK)
ST303C-C 620 400, 1000, 1200
TO-200AC (B-PUK) ST330C04L0 1230/650 400 TO-200AB (E-PUK) ST333C04CFL0 720 400
TO-200AB (E-PUK) ST330C-C 1420/720 400, 800, 1200, 1400, 1600 - - - -
TO-200AC (B-PUK) ST700C-L 1857/910 1200, 1600, 1800, 2000 - - - -
TO-200AC (B-PUK) ST733C-L 1900/940 800 - - - -
TO-200AB (E-PUK) ST380C-C, ST380CH-C 1900/960
2220/960
400, 600 - - - -
TO-200AC (B-PUK) ST730C-L 2000/990 800, 1200, 1400, 1600, 1800 - - - -
TO-200AC (B-PUK) ST780C-L 2700/1350 400, 600 - - - -
A-24 (K_PUK) ST1200C-K 3080/1650 1200, 1400, 1600, 1800        
A-24 (K_PUK) ST1230C-K 3200/1745 800, 1200, 1400 - - - -

Все тиристоры Vishay характеризуются достаточно быстрым временем включения, которое составляет единицы микросекунд, поэтому, под быстродействующими тиристорами понимаются приборы с малым временем отключения tq (для тиристоров Vishay лежит в пределах 10…30 мкс). Такие тиристоры применяются в преобразовательной технике с принудительной коммутацией, в которой переключение тиристоров нужно осуществлять с частотой выше частоты питающей сети. Несмотря на то, что тиристорные преобразователи по ряду параметров уступают преобразователям на основе IGBT- и мощных MOSFET-транзисторов, тем не менее, при токах ориентировочно более 100 А и напряжении свыше 1 кВ применение тиристоров может оказаться выгодным в ценовом плане. Тиристоры с более высокими значениями tq предназначены для реализации тиристорных коммутаторов и фазовых регуляторов напряжения (ФРН). Помимо низкой стоимости, применение тиристоров в этих применениях обеспечивает высокую кратковременную перегрузочную способность по току, что упрощает требования к быстродействию схемы токовой защиты и повышает надежность при коммутации таких нагрузок, как асинхронные электродвигатели, которым свойственны большие пусковые токи (могут в 8 раз превышать номинальные токи). Схемы силовых каскадов наиболее распространенных фазовых регуляторов напряжения представлены на рисунке 1.

 

Примеры типичных фазовых регуляторов напряжения на тиристорах

 

Рис. 1. Примеры типичных фазовых регуляторов напряжения на тиристорах

Схема фазового управления переменным напряжением (рис. 1а) широко используется для управления яркостью свечения осветительных устройств (диммеры), в устройствах плавного запуска асинхронных электродвигателей, для регулировки мощности нагревательных элементов и др. Кроме того, эта же схема используется для построения тиристорного коммутатора для цепей переменного тока. Если достаточно иметь диапазон регулировки от 50 до 100%, то один из тиристоров на схеме можно заменить диодом. Такие схемы обычно называют маловентильными. Для регулировки частоты вращения электродвигателей постоянного тока, тока заряда аккумуляторных батарей, сварочного тока и др. применяются ФРН с выходом постоянного напряжения. Они представляют собой управляемые двух- и однополупериодные мосты (рис. 1б и 1в соответственно).

Для реализации тиристорных коммутаторов напряжения и ФРН средней мощности (от единиц киловатт до нескольких десятков киловатт) идеально подходят тиристоры в корпусах для выводного (TO-220, ТО-247) и поверхностного монтажа (D2PAK), которые образуют семейство SafeIR. Решения на их основе будут отличать конкурентная стоимость и простота серийного производства. Среди данного семейства имеются два тиристора (из серий 16TTS и 25TTS), которые доступны в изолированных корпусах TO-220FP. Такие тиристоры выгодно использовать, когда на одном радиаторе необходимо охлаждать несколько полупроводниковых приборов. Однако недостатком корпуса TO-220FP является его повышенное тепловое сопротивление корпус-теплоотвод: 1,5 К/Вт у TO-220FP против 0,5 К/Вт у неизолированного TO-220АС. Это может повлиять на повышение температуры перехода или на необходимость увеличения габаритов теплоотвода. Если ни то, ни другое недопустимо, а охлаждать несколько приборов на одном радиаторе желательно, можно воспользоваться модулем из серии Т..RIA (см. таблицу 2), в который входит один тиристор, изолированный от контактирующей с радиатором металлической пластины.

Таблица 2. Тиристорные и диодно-тиристорные модули для фазовых регуляторов напряжения

Серия IT(AV) VDRM Схема Корпус
Одиночные тиристоры
T50RIA100 50 1000   T-MODULE
Пары тиристор-тиристор, диод-тиристор
Схема H
VSKH170-04 170 400   MAGN-A-Pak
VSKH500-12 500 1200 Super MAGN-A-Pak
Схема Т
VSKT26 27 400…1600   ADD-A-Pak
VSKT41 45 400…1600 ADD-A-Pak
VSKT71 75 400…1600 ADD-A-Pak
VSKT105 105 400…1600 ADD-A-Pak
VSKT136 135 400…1600 INT A PAK
VSKT152-04 150 400 INT A PAK
Схема U
VSKU105 105 400…1200   ADD-A-Pak
VSKU41 45 800, 1600 ADD-A-Pak
VSKU71 75 400…1600 ADD-A-Pak
VSKU_V105P 105 400 ADD-A-Pak
Однофазные мосты
P101 25 400   PACE-Pak
P401 40 400 PACE-Pak
Трехфазные коммутаторы
104MTKB 90 1000…1600   MTK
Трехфазные мосты
113MTKPBF 110 800…1600   MTK

Тепловое сопротивление корпус-теплоотвод у этого прибора составляет всего лишь 0,2 К/Вт. Семейство SafeIR замыкает 70-амперный тиристор 70TTS12. Обычно тиристоры для выводного монтажа на такие токи выпускаются в корпусе типоразмера TO-264 и более, поэтому, применение 70TTS12 позволит существенно уменьшить занимаемое пространство, т.к. используемый для его производства корпус SUPER-247, обладая размерами стандартного корпуса TO-247, позволяет рассеивать мощность, типичную для корпусов более крупных типоразмеров. Также важно обратить внимание, что у тиристора 70TTS средний ток IT(AV) и IT(RMS) практически одинаковы, хотя обычно действующий ток более чем в 1,5 раза превышает средний. Это связано с ограничением по нагреву выводов для корпуса SUPER-247, т.к. именно квадрат действующего тока определяет потери мощности на всех резистивных элементах тиристора, в т.ч. и на его выводах.

Тиристоры из семейства SafeIR, помимо рассмотренных применений, также могут использоваться в ответственных применениях для защиты нагрузок от действия повышенных напряжений. Пример такой схемы показан на рисунке 2.

 

Пример тиристорной схемы защиты нагрузки от действия повышенных напряжений

 

Рис. 2. Пример тиристорной схемы защиты нагрузки от действия повышенных напряжений

Тиристор VS срабатывает, если напряжение Vвых станет выше напряжения стабилизации стабилитрона VD. В этом случае тиристор создает необратимое короткое замыкание на выходе вплоть до перегорания предохранителя FU. Резистор R выполняет роль подтягивающего резистора к запирающему уровню и необходим для повышения помехоустойчивости, а конденсатор С необходим для снижения быстродействия схемы (без него или при его недостаточной емкости схема может давать ложные срабатывания при подаче и снятии напряжения питания). Подобные схемы обычно применяются в выходных каскадах импульсных преобразователей напряжения дорогостоящего телекоммуникационного и серверного оборудования. Наиболее типичной причиной устойчивых перенапряжений в таких системах является повреждение цепи обратной связи по напряжению импульсного преобразователя напряжения или логики его управления. Данная защита обычно является резервной и, поскольку, носит необратимый характер, то вступает в силу только, если прочие средства не позволяют устранить выявленное перенапряжение. Кроме того, такая схема при условии трехкратного резервирования может выступать гарантом применения модулей DC/DC-преобразователей в искробезопасных источниках электропитания, т.к. она ограничивает область возможных значений выходного напряжения до искробезопасного уровня и блокирует работу источника питания при любых повреждениях DC/DC-преобразователя, связанных с увеличением выходного напряжения.

Тиристоры для применений средней мощности также доступны в металлостеклянных корпусах. Данные типы корпусов скорее можно назвать наследуемыми, чем современными. Ввиду своей повышенной механической прочности они рекомендованы для использования в аэрокосмических и военных применениях. Благодаря металлической конструкции данный корпус также обладает лучшими теплорассеивающими свойствами, чем пластиковые корпуса.

Для высокомощных применений в ассортименте Vishay имеются тиристоры опять-таки в металлостеклянных корпусах, а также в корпусах типа «таблетка» и в виде тиристорных и диодно-тиристорных модулей. Тиристоры в корпусах типа «таблетка» характеризуются наибольшей коммутационной способностью, но, при этом, характеризуются и наиболее сложным монтажом, который требует специальных деталей для крепления и подключения к силовым токоведущим шинам/проводникам.

Избавиться от этой специфики позволяют тиристорные и диодно-тиристорные модули, которые были разработаны для наиболее типичных применений и реализуют в себе часть силовой схемы или даже всю силовую схему, таким образом, не только сокращая количество элементов в схеме, но и упрощая электрическую разводку силовых проводников. Благодаря этому, существенно облегчается производство, наладка, техническое обслуживание и ремонт системы. Информация по выпускаемым Vishay модулям для применения в коммутаторах и ФРН представлена в таблице 2. Они охватывают наиболее типичные однофазные и трехфазные применения. Например, управляемые однофазные мосты P101, P401, по сути, являются завершенной силовой частью для управления мощными электродвигателями постоянного тока, а модуль 104MTKB может использоваться в качестве коммутатора трехфазной нагрузки или в устройствах плавного запуска асинхронных электродвигателей.

Для применений с быстродействующей коммутацией Vishay выпускает 200-амперный диодно-тиристорный модуль IRKHF200 в корпусе MAGN-A-pak. Время отключения входящего в его состав тиристора не превышает 25 мкс. Встроенные приборы соединены по схеме «Н», идентичной приведенной в таблице 2.

Общей чертой и преимуществом всех рассмотренных модулей является то, что подключаемое к теплоотводу их металлическое основание изолировано от электрической части (напряжение изоляции в общем случае лежит в пределах от 2,5 до 4 кВ действующего значения переменного напряжения). Это позволяет подключать несколько силовых приборов на общий радиатор, упрощает проектирование конструкции аппарата и выполнение требований электробезопасности. Внешний вид корпусов модулей показан на рисунке 3.

 

Внешний вид корпусов модулей Vishay

 

Рис. 3. Внешний вид корпусов модулей Vishay

Таким образом, компания Vishay выпускает широкий ассортимент тиристоров для однофазных и трехфазных применений средней и большой мощности, различающихся по быстродействию коммутации, конструктивному исполнению и электрическим характеристикам. К числу таких применений относятся регуляторы напряжения/мощности для управления осветительными устройствами, электроприводами, нагревательными элементами и др.; сварочные аппараты, зарядные устройства и многое другое. Тиристоры Vishay в пластиковых корпусах также прекрасно подходят для защиты цепей постоянного тока от перенапряжений. Более детальная информация о технических характеристиках рассмотренных тиристоров и документация на них доступны по ссылке [1].

 

Литература

1. Техническая информация и документация по тиристорам Vishay на сайте www.vishay.com/irf-products/.

 

Диодно-тиристорные модули

Получение технической информации, заказ образцов, поставка –
e-mail: power.vesti@compel.ru

Vishay Intertechnology является одним из крупнейших в мире производителей дискретных полупроводников и пассивных электронных компонентов, в том числе диодов, транзисторов, оптико-электронных продуктов, интегральных схем (ИС), резисторов, катушек инду ...