» » Элементная база электроники

Элементная база электроники

Современная элементная база силовой электроники

Страница 1 из 6

Одним из весьма эффективных направлений энергосберегающих технологий является широкое применение устройств силовой электроники. Достигнутый за последние 20 лет уровень развития этой наукоемкой и быстроразвивающейся области техники выдвинул ее на передовые рубежи высоких технологий.
Промышленное освоение полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов, характеризующихся высокими значениями коммутируемой мощности, КПД, массогабаритных показателей и надежности, позволило осуществлять экономичное преобразование электроэнергии и открыло широкие возможности для создания современных преобразовательных устройств.
В нефтегазовой промышленности устройства силовой электроники находят все большее применение в коммутационных аппаратах, устройствах плавного пуска и регулирования скорости электроприводов технологических установок, агрегатов бесперебойного питания.
Силовая электроника — область техники, связанная с управлением потоками электроэнергии посредством мощных электронных приборов, которые, как правило, работают в ключевых режимах, пропуская или блокируя поток электроэнергии, что позволяет изменением алгоритмов их переключения управлять усредненными значениями мгновенной мощности по требуемым законам. Это интенсивно развивающаяся область науки и техники, охватывающая по существу все сферы деятельности человека, — промышленность, добывающие отрасли, транспорт, связь.
Основными элементами силовой электроники служат полупроводниковые приборы, обладающие характеристикой ключевого элемента, которые коммутируют (включают и отключают) участки электрической цепи.
Современный силовой полупроводниковый ключ — сложная схема, содержащая множество параллельных структур.
Действие ключевого элемента основано на том, что во включенном состоянии он обладает очень малым сопротивлением, а в выключенном — весьма большим. Обозначение ключевого элемента показано на рис.
Основными параметрами ключевого элемента являются сопротивления во включенном и выключенном состояниях, остаточное напряжение и быстродействие, определяемое временем переключения. Вольтамперная характеристика «идеализированного» ключевого элемента показана на рис. Элементы с такими вольтамперными характеристиками имеют два устойчивых состояния: включенное, соответствующее Rвкл= 0 (участок 1 вольтамперной характеристики); выключенное, соответствующее Rвыкл = ∞ (участок 2). При этом должно обеспечиваться мгновенное переключение из одного состояния в другое и наоборот по соответствующему логическому сигналу управления нулевой мощности.
Реальные ключевые элементы, у которых RвклФ 0 и Rвыкл Ф не равно ∞, могут лишь приближаться по своим параметрам к «идеализированным». При этом разные параметры накладывают и различные ограничения на возможность эффективного использования ключей. Так, например, вольтамперная характеристика реального элемента, имеющего падение напряжения при прямом токе AUS и обратный ток A ИР (рис.), определяет потери мощности в ключе в проводящем и непроводящем состояниях.

ключевые элементы силовой электроники
Рис. Обозначение ключевого элемента (а). Вольт-амперные характеристики ключевых элементов - идеализированного (б) и реального (в)

Потери мощности в ключе сказываются на КПД силового электронного устройства, поэтому их снижение является одной из основных задач разработчиков приборов. Динамические потери в ключевом элементе, возникающие в процессе его коммутации, накладывают ограничение на повышение рабочих частот силовых электронных устройств. В то же время повышение рабочих частот силовых электронных устройств является доминирующей тенденцией в силовой электронике за последние годы. Это дает возможность улучшить технико-экономические показатели преобразовательных устройств и повысить их быстродействие.
В настоящее время функции ключевых элементов выполняют полупроводниковые приборы различных типов. К элементам силовой электроники относят приборы, рассчитанные на предельные значения среднего или действующего значения тока более 10 А. Классификацию ключевых элементов проводят по степени их управляемости. При этом под признаком управляемости подразумевают возможность переводить прибор из проводящего состояния в непроводящее и обратно посредством воздействия на него маломощным управляющим сигналом.

По степени управляемости управляемые полупроводниковые приборы разделяются на следующие группы:
1. Не полностью управляемые приборы, которые можно посредством управляющего сигнала переводить только в проводящее состояние, но не наоборот (традиционные тиристоры, симмисторы).
2. Полностью управляемые (запираемые) приборы, которые можно переводить в проводящее состояние и обратно посредством управляющего сигнала (транзисторы, запираемые тиристоры).

Силовая электроника, начиная с 80-х годов переживает вторую революцию. Ее интенсивное развитие обусловлено освоением производства за последние 1 5—20 лет новых полностью управляемых приборов силовой электроники, из которых в настоящее время наибольшее распространение получили следующие типы:
1 . Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET-Metall-Oxid-Semiconductor Field-Effekt-Transistor).
2. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-Insulated Gate Bipolar Transistor).
3. Запираемые тиристоры (GTO-Gate-Turn-Off).
4. Запираемые тиристоры с интегрированным управлением (IGCT-Integrated Gate-Commutated Thyristor).
Низкий уровень потерь энергии и малая мощность управления современных приборов силовой электроники позволяет реализовать силовые интегральные схемы, в которых на одном кристалле технологическими приемами изготавливаются силовые ключевые элементы, устройства их управления, защиты и диагностики. Такие устройства получили название интеллектуальных (Smart Intelligent) схем.

Области применения приборов силовой электроники следующие.
Традиционные тиристоры (SCR) — преобразователи с естественной (сетевой) коммутацией большой (свыше 1 МВ-А) мощности, применяемые для электроприводов постоянного тока, высоковольтных регулируемых электроприводов переменного тока, мощных статических компенсаторов реактивной мощности, технологических целей (электролиз, гальваника, плавка).
Запираемые тиристоры (GTO) — преобразователи мощностью сотни киловольт-ампер (а в будущем свыше 3 МВ-А) для привода вентиляторов, компрессоров, насосов (в том числе высоковольтных); мощных агрегатов бесперебойного питания (АБП); статических компенсаторов реактивной мощности.
Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — преобразователи мощностью до единиц мегаватт-ампер для электроприводов переменного тока, АБП, статических компенсаторов реактивной мощности и активных фильтров, ключевых источников питания.
Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) — высокочастотные преобразователи (сотни килогерц) и низковольтные преобразователи для приводов вентильных двигателей, компактных АБП, ключевых источников питания.
Симмисторы (Triac) — преобразователи для пуска и управления двигателями переменного тока, ключи и реле.
Указанные полностью управляемые приборы силовой электроники в настоящее время вытесняют практически из всех областей применявшиеся ранее традиционные тиристоры (SCR-Silicon Controlled Rectifier) и биполярные силовые транзисторы (BPT-Bipolar Power Transistor), так как при тех же коммутируемых токах и напряжениях они имеют значительно меньшие мощности управления и время коммутации, стойкость к перегрузкам по току и напряжению, а также более широкую область безопасной работы. Высокие частоты коммутации (до 50 кГц), простота и малая мощность систем управления обеспечили значительное улучшение технико-экономических показателей (снижение габаритов и массы, повышение надежности и КПД) преобразовательного оборудования на базе IGBT по сравнению с оборудованием тиристоров (SCR).
Параметры приборов силовой электроники непрерывно улучшаются, например, за последние два десятилетия сменилось три поколения IGBT. Величина коммутируемого напряжения увеличилась с 1,2—1,7 кВ в конце 80-х годов до 3,0 — 3,5 кВ в настоящее время, намечается в будущем производство IGBT с коммутируемым напряжением 4,5 — 7,0 кВ. Прямое падение напряжения уменьшилось: 4 В у I поколения, 3,3 В у II, 2,1 В у III и 1,2 В у IV и в настоящее время.
По прогнозам в ближайшие годы IGBT полностью заменят традиционные биполярные транзисторы и GTO в преобразовательном оборудовании мощностью до единиц мегавольт-ампер. В области малых мощностей и низковольтных преобразователей будут доминировать MOSFET, а в области больших мощностей (выше 3 МВ-А) — GTO.
За последние годы рядом фирм (АВВ, «Mitsubishi») освоено производство нового класса приборов силовой электроники IGC — тиристоров, управляемых по затвору. По сравнению с GTO у IGCT значительно снижены падение напряжения при прямом токе, мощность управления, статические и динамические потери; значительно увеличено быстродействие. На базе IGCT изготовлен и с 1996 г. проходит опытную эксплуатацию преобразователь мощностью 1 00 МВ-А (г. Бремен).
Число квалификационных испытаний и опыт эксплуатации преобразователей на базе IGCT показали, что для 3 МВ*А трехфазного инвертора можно получить наработку на отказ не менее 45 лет и интенсивность потока отказов не более 2300 FIT (FIT соответствует одному отказу на миллиард*ч).
Ожидается, что приборы IGCT будут основными элементами для применения в области средних и больших напряжений мощностью от 0,5 до 100 МВ-А. Это достигается последовательным соединением мощных приборов. Высокая надежность IGCT и возможность последовательного соединения достаточного числа приборов открывает широкие перспективы их применения в области очень высоких мощностей и в специальном силовом оборудовании.
С учетом дополнительных требований по низкой стоимости, малого числа элементов в преобразователе и высокой эффективности в сравнении с другими приборами силовой электроники IGCT не имеют реальных конкурентов в этом диапазоне мощностей.
В табл. 1 приведены сравнительные характеристики современных приборов силовой электроники, а в табл. 2 — максимально достигнутые на конец 1 997 г. их параметры.

Сравнительные характеристики современных приборов силовой электроники с двухсторонним теплоотводом

Тип прибора

Преимущества

Недостатки

Относи-
тельная
стоимость

Традиционный
тиристор (SCR)

Самые низкие потери
во включенном состоянии.
Самая высокая   перегрузочная        способность.
Высокая надежность.
Возможность     параллельного и последовательного соединения

Не    способен    к
принудительному
запиранию по управляющему электроду.
Низкая     рабочая
частота

1

Запираемый   тиристор (GTO)

Способность к управляемому запиранию.
Сравнительно высокая
перегрузочная способность.
Возможность последовательного соединения.
Рабочие    частоты   до
250 Гц при напряжении до 4 кВ

Высокие     потери
во включенном состоянии.
Очень      большие
потери в системе
управления.
Сложные системы
управления.
Большие     потери
при переключении

2

Запираемый   тиристор  с  интегрированным  управлением
(IGCT)

Способность к управляемому запиранию.
Перегрузочная способность такая же, что у
GTO.
Низкие    потери     во
включенном     состоянии на переключение.
Рабочие    частоты   до
единиц кГц.
Встроенный блок   управления.
Возможность последовательного соединения

Не выявлены из-за
недостаточного
опыта    эксплуатации

3

Биполярный
транзистор     с
изолированным
затвором (IGBT)

Способность к управляемому запиранию.
Высокая рабочая  частота (десятки кГц).
Простая    неэнергоемкая  система   управления.
Встроенный драйвер

Больше потери во
включенном    состоянии

4

Тип прибора

Преимущества

Недостатки

Относи-
тельная
стоимость

CNews: Одна из актуальных тем в ИТ-сфере сегодня – изменение международного положения и возникшая в связи с этим необходимость замещенияимпорта элементной базы. Как вы оцениваете готовность отрасли на сегодняшний день?

Андрей Зверев: Импортозамещение – очень важная тема для государства. Но в области бытовой электроники нет смысла этим заниматься. Существует Юго-Восточная Азия, которая качественно и дешево выпускает электронные компоненты для всего мира. Другой вопрос – это электронные компоненты профессионального и специального назначения. Там нужны не сотни миллионов штук, а десятки и сотни тысяч различных чипов и прочих элементов, и могу сказать, что все это мы прекрасно можем производить здесь.

Выпускающая кафедра биотехнических систем (БТС)


4.4. Схемы включения биполярных
транзисторов………………….63


4.4.1. Схема с общей базой……………………………………………64


4.4.2. Схема с общим
эмиттером……………………………………..64


4.4.3. Схема с общим
коллектором…………………………………..65

Глава
5. Полевые транзисторы
………………………………….66


5.1. Полевые транзисторы с
p-n-переходом………………………...67


5.2. Полевые транзисторы с
изолированным затвором


(МОП-транзисторы)……………………………………………..70


5.3. Схемы включения полевых
транзисторов……………………..74

Глава 6. Тиристоры…………………………………………………75


6.1.Динисторы……………………………………………………….76


6.2.Трехэлектродные тиристоры
(тринисторы)…………………….77


6.3. Симметричные тиристоры
(симисторы)……………………….79

Глава 7. Электровакуумные
приборы
……………………………81


7.1. Общие сведения………………………………………………….81


7.2. Электронная эмиссия……………………………………………82


7.3. Катоды электронных
ламп……………………………………..84


7.4. Электровакуумный
диод………………………………………..85


7.5. Электровакуумный
триод……………………………………….87


7.6. Электровакуумный
тетрод………………………………………93


7.7. Электровакуумный пентод и
лучевой тетрод………………….94


7.8. Многоэлектродные и
комбинированные лампы……………....95

Глава 8. Газоразрядные
приборы
………………………………….97



Первый элемент обозначения полупроводниковых приборов (буква или цифра) определяет исходный полупроводниковый материал: Г или 1 – германий; К или 2… Второй элемент (буква) определяет подкласс прибора: Т – биполярные… Третий элемент (цифра) обозначает один из характерных признаков прибора (назначение, принцип действия и др.).…





ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ

2.1. Усилительные устройства

Классификация усилителей

Усилителями называют устройства, осуществляющие однозначное и непрерывное преобразование электрических сигналов малой величины в сигналы значительно большие по величине. Усилители находят применение в самых различных областях науки и техники, например, при измерениях неэлектрических величин, контроле и автоматизации производственных процессов, в системах управления, в радиотехнических устройствах и т. п.

В качестве усилительного элемента в современных усилительных устройствах используются преимущественно биполярные и полевые транзисторы. Все большее применение в настоящее время находят микросхемы, содержащие как усилительные элементы, так и резисторы. Они осуществляют не только усиление, но и другие преобразования входных сигналов, например, выполняют математические преобразования сигналов (суммирование, интегрирование, логарифмирование). Это так называемые операционные усилители.

По количеству используемых усилительных элементов различают:

1. Однокаскадные усилители, имеющие один усилительный элемент;

2. Многокаскадные усилители. Как правило, схема усилителя выполняется из нескольких каскадов.

По роду усиливаемой величины усилительные каскады классифицируют на 3 типа:

1. Усилители напряжения;

2. Усилители тока;

3. Усилители мощности.

Эта классификация удобна на практике, хотя и условна, поскольку во всех трех типах усилителей имеет место усиление мощности сигнала.

Усилители мощности обычно являются оконечными каскадами, а усилители напряжения - каскадами предварительного усиления. Нагрузкой каждого каскада предварительного усиления является входное сопротивление следующего каскада, нагрузкой оконечного каскада может быть обмотка электромагнитного реле, обмотка управления электродвигателя, отклоняющая система электроннолучевой трубки, обмотка громкоговорителя и т.п.

Следует отметить, что может иметь место параллельное включение усилительных элементов в пределах одного каскада с целью увеличения мощности (например: в двухтактном усилителе мощности).

По типу элементов, объединяющих усилительные каскады друг с другом, в основном различают:

1. Резистивно-емкостные связи;

2. Трансформаторные связи.

В зависимости от диапазона частот, в котором используются усилители, их разделяют на:

1. Усилители постоянного тока (УПТ) – для усиления медленно изменяющихся сигналов;

Uds, в

Id, А

Тип

Uсе, в

Тип

Uce, В

Ic, А

М2ТКП-25-6

600

2x25

М2ТКИ-25-12

1200

2x25

CNews: Если представить, что эта нормативная база принята, то что из импорта могла бы заместить«Росэлектроника»?

Специальные дисциплины подготовки бакалавров:  

1.3. Катушки индуктивности.


Катушки индуктивности, за
исключением дросселей, предназначенных
для использования в цепях питания, не
являются комплектующими изделиями,
как, например, резисторы и конденсаторы.
Они изготовляются на сборочных заводах
и имеют те параметры, которые необходимы
для конкретных изделий. Внешний вид
катушек представлен на рис. 1.3.1.


Из-за трудностей микроминиатюризации,
значительных массогабаритных показателей,
плохой повторяемости характеристик и
параметров, повышенной трудоемкости
изготовления область их применения
ограничена. Однако при создании ряда
устройств электроники обойтись без них
пока нельзя. При этом важным является
то, что индуктивные компоненты с
использованием существующей изоляции
могут успешно работать при температуре
до 200—500 °С. Катушки индуктивности, как
правило, имеют цилиндрическую или
спиральную форму витков и выполняются
как однослойными, так и многослойными.
Характер намотки зависит от назначения
катушки индуктивности. Так, для уменьшения
межвитковых емкостей витки укладывают
на каркас с определенным шагом или
применяют специальные способы намотки,
когда витки укладываются не параллельно,
а под некоторым


Рисунок 1.3.1.
Катушки индуктивности.


углом друг к другу (универсальная
намотка). Для увеличения значений
индуктивности и повышения их добротности
широко применяют магнитопроводы с
постоянными или регулируемыми
параметрами.


Наиболее распространенные формы
магнитопроводов — броневая и тороидальная
(см. рис. 1.3.2, а, б). Регулирование
параметров магнитопровода осуществляют
с помощью подвижного сердечника3
(рис. 1.3.2, а), который выполняют из
ферромагнитного материала. При его
перемещении меняются параметры
магнитопровода и индуктивность катушки.
В ряде случаев для подстройки катушек
индуктивности внутрь их вводят только
один подстроечный сердечник из
ферромагнетика или диамагнетика.
Диамагнетики (латунь, медь) используют
только на высоких частотах (десятки —
сотни МГц). В отличие от ферромагнетика
при их введении индуктивность катушки
уменьшается. В катушках индуктивности,
работающих на низких частотах (до 1 кГц),
в качестве магнитопроводов обычно
используют пермаллои. При этом
магнитопровод, как правило, тороидальный,
собранный из тонких колец (h= 0,0024 - 0,1мм) или навитый из ленты тех
же толщин. На более высоких частотах
(до нескольких МГц) широко применяют
ферриты, причем их марка зависит от
диапазона рабочих частот. На частотах
свыше нескольких МГц используют катушки
индуктивности, имеющие только подстроечные
сердечники или вообще не имеющие их.


Рисунок 1.3.2.
Магнитопроводы катушек индуктивности:


а – броневой;
б – тороидальный; 1,2 – чашки броневого
магнитопровода; 3 - подстроечный сердечник.

Основные параметры катушек
индуктивности:


1. Номинальная индуктивность
катушки (значение индуктивности,
являющееся исходным для отсчета
отклонений).


2. Допускаемое отклонение
индуктивности катушки (разность между
предельным и номинальным значениями
индуктивности).


3. Номинальная добротность катушки
индуктивности (значение добротности
при номинальном значении индуктивности).


4. Эффективная индуктивность
(значение индуктивности, определенное
с учетом влияния собственной емкости,
собственной индуктивности и изменения
начальной проницаемости сердечника).


5. Начальная индуктивность
(значение индуктивности, определенное
на низкой частоте, где отсутствует
влияние собственной емкости).


6. Температурный коэффициент
индуктивности катушки (TKL)
— отношение относительного изменения
индуктивности ΔL/Lк интервалу температур, вызвавшему
это изменение:


TKL= ΔL/(L×ΔI)


7. Температурная нестабильность
индуктивности катушки (относительное
изменение индуктивности, вызванное
изменением температуры).


8. Температурный коэффициент
добротности (ТКД) — отношение относительного
изменения добротности ΔQ/Qк интервалу температурΔΤ,
вызвавшему это изменение:


ТКД = ΔQ/(Q×ΔΤ)


9. Собственная емкость катушки
индуктивности (электрическая емкость)
составляющая с ее индуктивностью
резонансный контур, измеренная на
частоте собственного резонанса.


10. Рабочий диапазон температур
(максимальная и минимальная температуры).

ОСНОВЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Общие сведения и основные понятия

Трудно найти область современного производства, где бы не использовались методы и средства контрольно-измерительной техники. Значение измерений и контроля в настоящее время возросло и в связи с широкой автоматизацией технологических процессов в различных областях промышленности. Особенная роль принадлежит электроизмерительной технике, которая имеет ряд преимуществ по сравнению с другими средствами: относительную простату проведения измерений, высокую точность, чувствительность, быстродействие, возможность передачи информации на большие расстояния, возможность сочетания с электронными средствами, ЭВМ и др.

Электроизмерительная техника применяется в современном производстве не только для получения информации о тех или иных электрических и неэлектрических физических величинах, но и для автоматизации контроля и управления производственными процессами.

Измерение –это определение значений физических величин опытным путём при помощи специальных технических средств и выражение этих значений в принятых единицах. На производстве также широко применяются более производительная операция измерений – контроль.

Электроизмерительный прибор– это средство электрических измерений, которое предназначено для выработки сигнала измерительной информации, т. е. сигнала, который функционально связан с измеряемой физической величиной, в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительный преобразователь – это основная часть измерительного прибора, в котором сигнал преобразуется в вид, удобный для подачи на индикаторные или регистрирующие устройства.

В зависимости от вида измеряемых величин измерительные преобразователи делятся на две группы: преобразователи электрических величин в электрические (шунты, делители напряжения, усилители и т.д.) и преобразователи неэлектрических величин в электрические (термо- и тензо-резисторы, индуктивные преобразователи и т.д.).

Электроизмерительные приборы, показания которых являются непрерывными функциями измеряемых величин, называются аналоговым.

Электроизмерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представлены в цифровой форме, называют цифровыми приборами.

По методам измерения различают электроизмерительные приборы непосредственной оценки и приборы сравнения. В первых измеряемую величину определяют по показанию прибора, шкала которого проградуирована в соответствующих единицах. Во вторых – измеряемая величина сравнивается с известной величиной (мосты, компенсаторы).



Диапазон измерений– область значений измеряемой величины X, для которой нормированы допустимые погрешности. Эта область ограничена пределами… Чувствительностью sаналогового электроизмерительного прибора к измеряемой… ,








Приборы магнитоэлектрической системы с подвижным магнитом являются приборами низких классов точности и применяются как указательные в транспортных… Электроизмерительные приборы с подвижной рамкой имеют высокую точность и… На рамку с током в магнитном поле действует электромагнитная сила.








Кроме того, следует определить максимальныё и минимальный пределы измерения (и ) и цену деления шкалы
,
где - число делений между и .








Магнитоэлектрический, электромагнитный, электродинамический измерительные механизмы можно применять для измерения тока (амперметр) и напряжения… При изменении тока какой-либо ветви механизм включают последовательно с… Для расширения пределов измерения значений тока параллельно измерительному механизму включают резистивный элемент…







 
 

 
Рис. 4.4. Блок-схема вольтметра
 
 
 

 
Рис. 4.5. Блок-схема вольтметра








Измерение мощности в цепях постоянного и переменного токов промышленной частоты осуществляется ваттметрами, обычно с электродинамическими…  

Рис. 4.9. Схема включения ваттметра
Электродинамические ваттметры выпускаются виде переносных приборов высоких классов точности (0,1; 0,5).








В большой группе измерительных приборов реализуется метод сравнения измеряемой вели­чины с ее мерой (мерой называется образец, представляю­щий собой… У приборов, работающих по методу сравнения, большая чувствительность, чем у… Потенциометр постоянного тока (компенсатор). Принципом работы потенциометра постоянного тока является уравновешивание…







Наиболее часто для измерения этих параметров приме­ няют следующие методы: омметра, амперметра - вольтмет­ра, мостовой. Применение компенсаторов для… Омметры. Непосредственно и быстро сопротивле­ния элементов цепи постоянного…  








 
Входные величины у цифровых, как и у анало­говых, измерительных устройств… Цифровой прибор имеет два обязательных функцио­нальных узла: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровой…

Наверх