Силовые полупроводниковые компоненты SUNCO для индустриальных источников питания

17 декабря 2024

Компоненты SUNCO идеально подходят для создания мощных индустриальных источников питания, в том числе – работающих в сложных температурных условиях. Компания предлагает двунаправленные супрессоры для входных цепей, диоды для выпрямительных мостов, карбид-кремниевые MOSFET и диоды Шоттки для схем корректора коэффициента мощности, выпрямительные диоды с быстрым восстановлением для выходных каскадов.

Термином «индустриальный» обозначают источники питания повышенной надежности, предназначенные для работы в тяжелых условиях окружающей среды. Эти приборы используются в наиболее ответственных приложениях, где от их безотказной работы может зависеть не только безаварийная работа промышленного предприятия, но и жизни людей, если источник питания используется, например, в медицинской аппаратуре или в системе безопасности.

Наиболее характерные области применения источников питания индустриального класса и их типовые параметры:

• Промышленное производство:
  • Входное напряжение: переменного тока, однофазное 220…230 В или трехфазное 380…400 В
  • Ключевые выходные параметры:
    • для устройств управления и низковольтных исполнительных устройств: постоянное напряжение, 5…48 В;
    • для внутреннего централизованного электропитания: постоянное напряжение 380 В;
    • для гальванических установок: постоянное напряжение до 130 В, ток до 100 А;
    • для промышленного лазера: постоянное напряжение, 300…750 В;
    • для УФ-полимеризации: постоянное напряжение, 450…2300 В;
    • для сервоприводов и шаговых двигателей: постоянный (импульсный) ток, 5…9 А;
    • для сварочных аппаратов: постоянный ток, 5…500 А;
    • для индукционного нагрева: постоянный ток, 10…200 А;
    • для зарядных устройств: постоянное напряжение 12/24/48 В, ток до 200 А;
  • Светодиодное освещение:
    • входное напряжение: переменного тока, однофазное 220…230 В;
    • выходной параметр: постоянный ток, 350…3500 мА;
  • Светодиодная архитектурная и рекламная подсветка:
    • входное напряжение: переменного тока, однофазное 220…230 В;
    • выходной параметр: постоянное напряжение, 12/24/36/48 В;
  • Центры обработки данных:
    • входное напряжение от внутренней системы электроснабжения: переменного тока, однофазное стабилизированное 220…230 В;
    • выходной параметр: постоянное напряжение, 5/12/24/48 В;
  • Базовые станции мобильной связи:
    • входное напряжение: переменного тока, однофазное 220…230 В;
    • выходные параметры:
      • для радиомодуля: постоянное напряжение, 48…58 В;
      • для зарядного устройства резервной батареи: постоянное напряжение, 12/24/48 В;
    • Источники бесперебойного питания:
      • входное напряжение: переменного тока, однофазное 220…230 В или трехфазное 380…400 В;
      • выходное напряжение: переменного тока, однофазное 220…230 В.

Общим требованием, предъявляемым к индустриальным источникам питания, является широкий рабочий диапазон температур окружающей среды. Принято считать, что нижняя граница этого диапазона должна находиться в районе -40…-30°C, а верхняя – в интервале от 60 до 80°C. Наибольшую опасность для электронных компонентов в составе источника питания представляет выход за границы допустимого диапазона в сторону высоких температур. Поэтому, во избежание повреждений от теплового удара, в составе источника питания индустриального назначения в обязательном порядке должна быть предусмотрена схема защиты от перегрева. Порог срабатывания такой схемы обычно лежит в пределах 90…95°C. Кроме того, любой индустриальный источник питания должен обладать всевозможными средствами защиты от перегрузок по выходу и от перенапряжений по входу. Надо также иметь в виду, что любой нелинейный прибор, подключаемый к сети общего пользования, неизбежно вносит нелинейные и гармонические помехи в ее работу. Чтобы сократить эти помехи до минимума, в составе источника питания должна быть предусмотрена схема коррекции коэффициента мощности.

На рисунке 1 представлена типовая блочная схема индустриального источника питания, подключаемого к сети переменного тока, с указанием типов полупроводниковых компонентов, рекомендуемых для применения в составе отдельных частей прибора.

Рис. 1. Типовая блок-схема сетевого источника питания

Во входных цепях применяются двунаправленные супрессоры, ограничивающие импульсы входного напряжения до допустимого уровня. Затем, после диодного моста, выпрямленное напряжение поступает на схему корректора коэффициента мощности, который преобразует форму тока в цепи так, чтобы она совпадала по форме и фазе с входным напряжением. В этом каскаде рекомендуется применять MOSFET-транзисторы и диоды Шоттки на карбиде кремния. Такие же транзисторы следует применять и в силовом каскаде, выполненном по мостовой или полумостовой схемам. Нагрузкой такого каскада служит высокочастотный импульсный трансформатор, со вторичных обмоток которого переменное напряжение поступает в выходные цепи и в схему обратной связи, где оно сравнивается с опорным напряжением на стабилитроне с целью формирования сигнала рассогласования, используемого схемой управления для коррекции выходных параметров. В оконечных цепях импульсы с обмоток трансформатора с помощью силовых выпрямительных диодов преобразуются в необходимые выходные параметры для питания нагрузки.

Самой главной задачей при проектировании источника питания является правильный выбор компонентов, основанный на детальном анализе их характеристик, с тем, чтобы обеспечить надежное функционирование прибора во всех возможных режимах работы при любых допустимых изменениях характера нагрузки и сетевого питания.

Супрессоры для входных цепей подбираются исходя из значений параметров их вольт-амперных характеристик (рисунок 2).

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики однонаправленного (слева) и двунаправленного (справа) супрессоров

Главный параметр супрессора – это напряжение Vbr (Breakdown voltage – напряжение пробоя), – пороговая величина, с которой начинается лавинный пробой. В технической документации приводится диапазон возможных значений этого параметра – от минимального (Vbr_min) до максимального (Vbr_max). Vc (Clamp voltage – дословно «напряжение фиксации») обозначает напряжение супрессора на максимально допустимом значении тока в импульсе, обозначенном как Ipp (Peak Pulse current – пик токового импульса). При этом супрессор не должен срабатывать при естественных колебаниях напряжения в сети. Поэтому вводится параметр Vrwm (Working peak reverse voltage – рабочее пиковое обратное напряжение), обозначающий максимально возможное сетевое напряжение, при котором супрессор гарантированно не должен срабатывать. Сетевое напряжение в нашей стране составляет 230 В ± 10%. Но это действующее значение, а супрессор будет реагировать на амплитуду входного напряжения, которая будет в корень из двух раз больше. С учетом этого, Vrwm супрессора должно быть не менее:

$$V_{rwm}\geq 230\times \sqrt{2}\times 1.1\cong 356.7\:В$$

В таблице 1 перечислены двунаправленные супрессоры SUNCO с ближайшим значением по Vrwm, превышающим данную величину. Кроме вышеописанных параметров, в таблице также представлены максимальная пиковая мощность (Pm) и максимальный пиковый ток (Ism). Диапазон рабочих температур данных супрессоров: -55…150°C.

Таблица 1. Технические характеристики двунаправленных супрессоров

Подобрать супрессор, который идеально подойдет для защиты вашего устройства, можно с помощью удобного поиска на нашем сайте.

При выборе диодов для выпрямителя сетевого напряжения необходимо учитывать не только максимально допустимые значения обратного напряжения и прямого тока в рабочем режиме, но и значение пускового тока, который возникает при первом включении источника питания в сеть (так называемый холодный старт). Этот бросок тока во входных цепях обусловлен физическими свойствами конденсаторов, которые в момент подачи на них напряжения ведут себя подобно короткозамкнутому проводнику. На рисунке 3 показан путь тока на входе источника питания в момент включения при положительной полуволне входного напряжения.

Рис. 3. Путь пускового тока на входе источника питания при положительной полуволне входного напряжения

Резистор Rp на рисунке 3 обозначает суммарное сопротивление всех последовательно включенных элементов входной цепи (предохранителей, дросселей входного фильтра и самих проводов) на участке от электрической розетки до диодного моста. С учетом этого сопротивления максимальное значение пускового тока (которое достигается в момент включения прибора на максимуме сетевого напряжения) будет выражаться формулой:

$$I_{i}=\frac{V_{i}-2\times V_{d}}{R_{p}}\cong \frac{V_{i}}{R_{p}},$$

где Vi – амплитудное значение входного напряжения, а Vd – падение напряжения на отрытом диоде. Так как напряжение Vd на два порядка меньше амплитуды входного напряжения, этой величиной вполне можно пренебречь, что приводит формулу для расчета максимальной величины пускового тока к простому отношению амплитуды сетевого напряжения к сопротивлению входной цепи. С учетом того, что сопротивление входной цепи обычно не превышает единиц Ом, пусковой ток может достигать значительных величин, хотя и на весьма короткое время, определяемое скоростью заряда конденсатора.

Что касается прямого тока выпрямительных диодов в рабочем режиме, то он определяется выходной мощностью и коэффициентом полезного действия (КПД) источника питания. Так как в большинстве случаев применяется двухполупериодная схема выпрямления, средний ток через выпрямительный диод будет равен половине тока потребления источника питания, который можно оценить, поделив его мощность на действующее значение сетевого напряжения и КПД.

Величина обратного напряжения диодов выпрямительного моста должна быть не меньше максимального амплитудного значения сетевого напряжения. Как показал расчет Vrwm в разделе, посвященном супрессорам, для сети на 230 В ± 10% эта величина равна 356,7 В. В номенклатуре SUNCO этому значению соответствуют диодные мосты с номиналом обратного напряжения 400 В. Список таких позиций оказался довольно большим – более 200 наименований, поэтому сначала была сделана выборка групп по максимальному прямому току, затем из каждой группы были выделены позиции с максимальным значением по величине пика токового импульса, а потом из них выбирался компонент с наименьшим тепловым сопротивлением. Полученный список представлен в таблице 2, где приведены следующие параметры изделий:

• I_{o_Max} – максимальный прямой ток;
• I_{FSM_Max} – максимальная величина импульса прямого тока длительностью не более полупериода сетевого напряжения. Именно этот параметр надо рассматривать как максимальное значение пускового тока источника питания на холодном старте;
• Rated l_o – номинальный прямой ток, при котором нормируется максимальное значение прямого тока диодов моста;
• V_{F_Max} – максимальное прямое напряжение диодов моста на номинальном токе;
• I_R@25°C – типовой ток утечки при 25°C;
• R_θ – тепловое сопротивление «переход-поверхность»;

Таблица 2. Технические характеристики диодных мостов на номинал обратного напряжения 400 В

Диапазон рабочих температур для всех диодных мостов составляет -55…150°C.

Нужен диодный мост? Воспользуйтесь нашим каталогом, чтобы быстро найти подходящее решение.

Для схемы коррекции коэффициента мощности, как указывалось выше, рекомендуется использовать компоненты – транзисторы MOSFET и диоды Шоттки – именно на карбид-кремниевой основе, главным образам благодаря их превосходным динамическим и нагрузочным характеристикам, а также из-за малых потерь и высокой термостабильности. Упрощенная схема корректора коэффициента мощности показана на рисунке 4.

Рис. 4. Упрощенная схема корректора коэффициента мощности

Как становится ясно из рассмотрения схемы корректора, ключевой транзистор должен быть рассчитан на достаточно большое напряжение «сток-исток», так как импульсы напряжения на дросселе могут достигать значительных величин (как правило, не ниже 600 В). Кроме того, он должен обладать достаточно низким сопротивлением в открытом состоянии и хорошим быстродействием с незначительными коммутационными потерями (что свойственно всем транзисторам на карбиде кремния). Точно такими же свойствами должны обладать и MOSFET-транзисторы, предназначенные для работы в ключевом каскаде (рисунок 1). Как минимум они должны быть рассчитаны на то же напряжение, что и транзистор в схеме корректора, так как ключевой каскад получает электропитание непосредственно с выходного конденсатора этой схемы. Следовательно, в обоих каскадах можно использовать одни и те же транзисторы. В линейке продукции компании SUNCO всего 71 позиция MOSFET-транзисторов на карбиде кремния. Все они высоковольтные, на три номинала напряжений – 650, 1200 и 1700 В, и рассчитаны на работу в широком диапазоне температур до 175°C. В таблице 3 выборочно представлены наиболее интересные с технической точки зрения представители этой группы.

Таблица 3. Технические характеристики MOSFET-транзисторов на карбиде кремния

Подобрать подходящий по корпусу, напряжению и сопротивлению канала SiC MOSFET от SUNCO вы можете, используя параметрический поиск на нашем сайте.

Необходимость применения именно карбид-кремниевого диода Шоттки в составе схемы корректора коэффициента мощности объясняется прежде всего его ничтожными потерями на переключение, что обусловлено практически нулевым током обратного восстановления. В то же время электрические характеристики допускают его использование на больших токах и напряжениях. В частности, его обратное напряжение при работе в схеме корректора должно быть не ниже того, на которое рассчитан MOSFET-транзистор этой схемы. Что касается величины прямого тока, надо учесть, что через данный диод проходит не только ток заряда конденсатора, но и весь ток, потребляемый остальной схемой источника питания, расположенной за схемой корректора. Здесь может пригодиться уникальное свойство диодов Шоттки на карбиде кремния: их можно объединять в параллель без использования дополнительных компенсирующих цепей, за счет положительного температурного коэффициента прямого падения напряжения. В ассортименте компании SUNCO – 94 наименования диодов Шоттки на карбиде кремния, они выпускаются на четыре номинала обратного напряжения – 650, 1200, 1700 и 2000 В и работают в широком диапазоне температур от -55 до 175°C. В таблице 4 представлены самые мощные представители из каждой группы по напряжению. Список параметров включает:

• V_r – максимально допустимое обратное напряжение;
• I_f – максимальный прямой ток;
• V_f – прямое напряжение;
• I_r – ток утечки;
• I_fsm – максимальное значение кратковременного токового импульса;
• Q_c – емкостной заряд;
• P – максимальная мощность;
• R_th – тепловое сопротивление.

Таблица 4. Технические характеристики диодов Шоттки на карбиде кремния

Ознакомьтесь с ассортиментом SiC диодов Шоттки и выберите оптимальный вариант для ваших задач.

Как показано на рисунке 1, в выходном каскаде источника питания рекомендуется использовать диоды быстрого восстановления, именуемые в англоязычной технической литературе как Fast Recovery Diode или, сокращенно, FRD. Это кремниевые диоды с p-n переходом, отличающиеся от обычных выпрямительных более коротким временем перехода из открытого состояния в закрытое и низким уровнем коммутационных потерь. Это позволяет с успехом использовать их в выходных каскадах импульсных источников питания. В ассортименте выпускаемой продукции компании SUNCO – 274 позиции компонентов этого класса, которые работают в диапазоне напряжений от 50 до 4500 В на токах от 0,5 до 3000 А в температурном диапазоне от -55 до 150°C. В таблице 5 представлены наиболее мощные диоды из групп по напряжению. Список параметров включает:

• V_rm – максимальное обратное напряжение;
• I_o – максимальный прямой ток;
• I_fsm – максимальное значение кратковременного токового импульса;
• Rated l_o – номинальный прямой ток, при котором нормируется прямое напряжение;
• V_f – прямое напряжение на номинальном прямом токе;
• T_rr – время обратного восстановления (Reverse Recovery Time);
• R_θ – тепловое сопротивление.

Таблица 5. Технические характеристики выпрямительных диодов быстрого восстановления

Для поиска диодов с быстрым восстановлением мы предлагаем удобный каталог, где вы найдете подходящее устройство.

SUNCO – одна из немногих компаний, реализующих полный цикл производства полупроводниковой продукции, начиная от изготовления кремниевых пластин и заканчивая корпусированием готовых изделий. Благодаря тотальному контролю за соблюдением технологических процессов на всех без исключения этапах производства достигается высокое качество выпускаемой продукции. Кроме того, производственный процесс непрерывно совершенствуется за счет анализа отказов, выявленных в процессе эксплуатации. Каждый случай отказа изделия тщательно анализируется, проводится полное обследование вплоть до уровня слоев кристалла, после чего формируется подробный отчет о выявленных дефектах, на основании которого вносятся соответствующие изменения в технологический процесс производства (рисунок 5).

Рис. 5. Процесс анализа отказов

Основу продукции SUNCO составляют компоненты силовой электроники – биполярные с изолированным затвором (IGBT) и полевые транзисторы (MOSFET), мощные IGBT-модули, выпрямительные диоды и мосты, диоды Шоттки, тиристоры и симисторы, стабилитроны и защитные диоды (TVS). При этом, наряду с полупроводниковой продукцией, изготовленной по стандартной кремниевой технологии, компания SUNCO производит компоненты на основе карбида кремния (SiC).

Компоненты SUNCO идеально подходят для создания мощных индустриальных источников питания, способных работать, если учесть широчайший температурный диапазон используемых компонентов, в самых тяжелых условиях. А принимая во внимание тщательный сквозной контроль качества, который применяется на всех этапах производства, можно также с уверенностью говорить и о высокой степени надежности этих компонентов. Нет сомнений в том, что данная продукция найдет достойное применение в составе изделий российских производителей электронной техники.