Перспективы использования диодов с резким восстановлением в силовой электронике

Введение

В настоящее время в развитых странах мира более половины получаемой электроэнергии проходит через полупроводниковые преобразователи, что обеспечивает рациональное и экономное её потребление. Уровень развития силовой электроники определяет эффективность генерации и использования электроэнергии в энергетике, промышленности, бытовом секторе и во многом определяет уровень жизни населения и обороноспособность страны. Поэтому такие направления, как энергоэффективность, базовые технологии силовой электротехники, технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии, технологии создания электронной компонентной базы, входят в перечень приоритетных и критических направлений развития науки, технологий и техники в РФ.

Одна из основных проблем в силовой электронике – проблема восстановления обратного сопротивления быстродействующего кремниевого диода (БКД), когда к проводящему прямой ток диоду быстро прикладывается обратное напряжение. От того, как решена эта проблема, определяющим образом зависят КПД и надёжность преобразующего устройства в целом, т.к. при выводе накопленного в БКД заряда возникают токовые перегрузки, перенапряжения и дополнительные динамические потери в ключах и диодах. Несмотря на значительный прогресс в развитии БКД, диод по-прежнему рассматривается многими разработчиками преобразовательной техники как «слабый» элемент, ограничивающий возможность увеличить рабочую частоту, КПД и надёжность преобразователей, работающих в режиме «жёстких» переключений (например, частота коммутации силовых IGBT-ключей в тяговом приводе электровоза составляет всего 500 Гц).

Параметры отечественных серийно выпускаемых БКД уступают лучшим образцам зарубежных производителей. Поэтому задача по разработке БКД, имеющих более низкие прямые и динамические потери по сравнению с лучшими зарубежными аналогами, актуальна с точки зрения импортозамещения. В настоящее время развитие БКД идёт по пути совершенствования технологии изготовления кремниевых диодных структур с целью одновременного получения малого прямого напряжения, малого заряда обратного восстановления, мягкого характера обратного восстановления и надёжной работы при высоких dI/dt, dU/dt. Для этого подбирается профиль диффузионных слоёв диодной структуры, формируется неоднородный аксиальный профиль распределения времени жизни неосновных носителей путём протонного и/или электронного облучения (Control Axial Lifetime technology), а также путём комбинированной диффузии золота и платины, снижается эффективность эмиттера за счёт сложной мозаичной конструкции эмиттера.

За мягкий характер восстановления БКД приходится платить увеличенными прямыми потерями и динамическими потерями на фронте спада обратного тока, которые невозможно убрать полностью даже с использованием снаббера тока. Отметим, что БКД с мягким восстановлением разработаны специально для бесснабберного применения, при этом динамические потери в силовом ключе во много раз превышают потери в БКД.

Применение известных простых снабберных цепей, включённых последовательно с БКД D1 (см. рис. 1а, б), уменьшает потери в ключе и диоде, но при этом возникают дополнительные потери в самих снабберных цепях.

Разработка высокоэффективного снаббера тока

В ООО «Силовая электроника» разработан новый высокоэффективный снаббер тока. Введение дополнительной обмотки W_aux с током подмагничивания I (как правило, это один виток с током, равным среднему току нагрузки) на дросселе насыщения L1 (см. рис. 1в) приводит к радикальному изменению процесса обратного восстановления диода D1. При прикладывании обратного напряжения к цепи D1–L1 дроссель насыщения L1 выходит из насыщения и становится трансформатором тока, поэтому обратный ток диода D1 равен току подмагничивания I, делённому на отношение обмоток трансформатора тока. Сразу после запирания диода D1 этот ток замыкается по цепи R1–D2, что приводит к обратному перемагничиванию сердечника дросселя L1 вплоть до насыщения. Подробно работа снаббера тока с ограничением обратного тока диода (тиристора) рассмотрена в [1–6].

Отметим основные преимущества предлагаемого снаббера тока:

Использование снаббера тока с ограничением обратного тока при восстановлении БКД открывает возможность с успехом использовать БКД с резким (snappy) характером восстановления в режимах «жёсткой» коммутации силовых ключей. При выводе из БКД накопленного заряда всё напряжение прикладывается к дросселю насыщения, поэтому в диоде и силовом ключе в этот момент нет динамических потерь, а ключ можно замыкать максимально быстро. При восстановлении запирающих свойств БКД, во-первых, не возникает резкого фронта обратного напряжения из-за медленного контролируемого вывода накопленного заряда, во-вторых, не возникает высокочастотных колебаний напряжения на запертом БКД благодаря огромной индуктивности дросселя в ненасыщенном состоянии, к тому же шунтированного R1–D2-цепью. В результате по статическим и динамическим потерям такой БКД в паре с предлагаемым снаббером тока близок к SiC-диоду Шоттки, но дешевле и надёжнее.

На рисунке 2 приведены осциллограммы тока диода и напряжения на диоде в режиме обратного восстановления с использованием предлагаемого снаббера тока для различных типов диодов при одинаковых условиях коммутации: прямой ток диода 30 А, коммутируемое напряжение 300 В.

Отметим, что у карбид-кремниевого диода CSD20060 нет накопленного заряда и, несмотря на очень быстрое выключение (dI/dt>1000 А/мкс), нет больших перенапряжений на запертом диоде. В случае БКД с резким восстановлением КД2997 практически весь заряд выводится при нулевом напряжении на диоде, а динамические потери в диоде на фронте нарастания обратного напряжения не превышают 2 Вт на частоте 20 кГц при коммутируемой мощности 9 кВт. Для ультрабыстрого диода с мягким восстановлением TURBOSWITCH STTA2512P напряжение на диоде начинает нарастать, когда только часть накопленного заряда выведена из p-n-перехода, поэтому динамические потери в 4,5…5 раз больше, чем у диода КД2997.

На примере импульсного регулятора напряжения (см. рис. 3) оценим, какой выигрыш в суммарных динамических потерях в силовом ключе и диоде при замыкании ключа даст замена БКД с мягким восстановлением на БКД с резким восстановлением в паре с предлагаемым снаббером тока.

С целью упрощения оценки энергии потерь при восстановлении диода D1 с мягким восстановлением (см. рис. 4) сделаем следующие замечания и допущения:

При таких допущениях t₁–t₀=t₂–t₁=t₃–t₂=t₀, поэтому энергия потерь E₀ равна:

где 2U₀I₀τ₀ – потери в силовом ключе S1, связанные с током нагрузки; ⅚U₀I₀τ₀ – потери в силовом ключе S1, связанные с обратным током диода D1; ⅙U₀I₀τ₀ – потери в диоде D1 на фронте нарастания обратного напряжения; Q₀U₀– суммарные потери в силовом ключе S1 и диоде D1, связанные с выводом накопленного заряда Q₀.

Из рисунка 4 видно, что потери в силовом ключе S1 в 17 раз больше, чем в диоде D1. Наличие «хвоста» обратного тока и перенапряжения на диоде D1 в момент его восстановления уменьшают эту разницу, но потери в силовом ключе всё равно примерно на порядок больше потерь в диоде. При уменьшении dI/dt вдвое в рамках предложенной модели получим: t₁–t₀=2τ₀, t₂–t₁=t₃–t₂=√2τ₀, I_rr=I₀√2, а энергия потерь Е₁ будет равна:

Сравнивая E₀ и E₁, отметим, что при уменьшении dI/dt полные потери увеличиваются (даже с учётом того, что накопленный заряд уменьшается при уменьшении dI/dt), причём за счёт увеличения потерь в силовом ключе S1, поэтому усилия разработчиков современных БКД направлены на создание диодов, надёжно работающих при высоких значениях dI/dt, имеющих коэффициент мягкости К≥10 и уменьшенный накопленный заряд Q₀ [7].

Другой путь снижения полной энергии потерь в момент восстановления диода D1 – включение снаббера тока последовательно с диодом D1, что позволяет использовать максимально быстрое включение силового ключа S1 и максимально быстрый фронт обратного восстановления диода (т.е. К<<1).

Оценим суммарную энергию потерь E₂ в силовом ключе S1 и диоде D1 при замене диода D1 с мягким восстановлением (см. рис. 3) на диод с резким восстановлением в паре с предлагаемым снаббером тока (см. рис. 1в), причём дополнительная обмотка W_aux включена последовательно с основным дросселем L1 (см. рис. 3). Для этого используем реальную осциллограмму, представленную на рисунке 2б:

где τ₁ – время нарастания тока в силовом ключе S1; U_S1 – падение напряжения на замкнутом ключе S1; U_D1 – падение напряжения на диоде D1; Q₁ – накопленный заряд в диоде D1, выведенный при почти нулевом напряжении на диоде D1 и силовом ключе S1; τ₂ – время нарастания напряжения на диоде D1; К_тр – коэффициент трансформации дросселя насыщения L1 (см. рис. 1в).

Отметим, что отношение (U_S1+U_D1)Q₁/QU₀≈0,01, поэтому слагаемым (U_S1+U_D1)Q₁ в формуле (2) можно пренебречь.

Оценим отношение E₀ / E₂:

Величину τ₀ определим исходя из условий: I₀=30 А, амплитуда обратного тока I=30 А. По графику из технических характеристик на диод STTA2512P (см. рис. 5) получаем dI/dt=300 А/мкс, т.е. τ₀=100 нс.

Примем τ₁=30 нс, τ₂=50 нс, К_тр=5. Итого получаем E₀/E₁=15, т.е. полные динамические потери на включение силового ключа S1 (см. рис. 3) уменьшены более чем на порядок.

Выигрыш в надёжности при замене БКД с мягким восстановлением на БКД с резким восстановлением в паре с предлагаемым снаббером тока ещё значительнее.

Одна из основных причин выхода из строя БКД и силовых ключей при бесснаберном восстановлении БКД в режимах «жёсткой» коммутации – увеличение амплитуды обратного тока и динамических потерь из-за роста накопленного заряда с увеличением температуры кристалла диода (накопленный заряд увеличивается в 2–4 раза при нагреве кристалла БКД на 100°С). В результате возникает положительная зависимость динамических потерь от температуры: чем выше температура, тем больше динамические потери. Из рисунка 6 видно, что амплитуда обратного тока диода достигает 65 А (при комнатной температуре), а ток в силовом ключе – 95 А. При увеличении температуры кристалла силового ключа на 100°С амплитуда тока может вырасти до 150 А и более, что может привести к выходу силового ключа, рассчитанного на ток 40–50 А, из насыщенного режима в линейный режим работы с последующим выходом из строя.

При использовании предлагаемого снаббера тока и БКД с резким восстановлением с увеличением температуры кристалла БКД будет увеличиваться время t_rr протекания обратного тока (см. рис. 2б) при почти нулевом напряжении на диоде и силовом ключе, т.е. динамические потери в диоде и ключе практически не увеличиваются с увеличением температуры кристалла БКД. Обратный ток диода будет оставаться практически постоянным в течение всего времени восстановления диода. Такое решение существенно повышает КПД и надёжность преобразователя в целом.

Требования к БКД с резким восстановлением невысокие: он должен иметь малое прямое падение напряжения и малый накопленный заряд. К нему не предъявляются требования высокой динамической стойкости, как к БКД с мягким восстановлением, поэтому технология изготовления диодов с резким восстановлением может быть существенно проще, а стоимость – значительно ниже, чем для БКД с мягким восстановлением и карбид-кремниевых диодов Шоттки.

Выводы

Прежде всего, стоит отметить, что в настоящее время сложилась парадоксальная ситуация: разработчик преобразовательной техники, применяя снабберы тока и напряжения для увеличения КПД и надёжности, вынужден использовать диоды с мягким восстановлением, которые разработаны специально для бесснаберного режима работы! Применение разработанного ООО «Силовая электроника» снаббера совместно с БКД с резким восстановлением позволит исправить эту ситуацию.

Предлагаемый снаббер тока является лучшим из известных аналогов по совокупности параметров: габариты, стоимость, форма и амплитуда обратного тока диода (тиристора), КПД, простота и удобство использования.

Использование БКД с резким восстановлением (БКДРВ) совместно с предлагаемым снаббером тока позволит радикально повысить КПД и надёжность преобразователей электроэнергии, работающих в экстремальных температурных условиях (нефтяные погружные насосы, электротранспорт, военная техника, космические объекты и т.д.) или при повышенных напряжениях, когда используемые силовые ключи и диоды обладают низким быстродействием (РЖД, энергетика, промышленность).

Ввиду полного отсутствия БКДРВ на рынке необходимо провести НИР, ОКР и освоить промышленное производство нового перспективного типа диодов, которые нельзя использовать всегда и везде, а необходимо рассматривать как диоды для спецприменения, требующие специальных схемотехнических решений.

Разработка снаббера с ограничением обратного тока при восстановлении БКД (или тиристора), исследование характеристик обратного восстановления диодов различных типов с использованием разработанного снаббера тока, схемотехнические решения применения снаббера тока в различных преобразовательных устройствах были выполнены в основном за счёт сил и средств ООО «Силовая электроника». Для реализации следующих этапов (разработка новых типов БКДРВ, создание инженерного расчёта элементов снаббера тока, развитие схемотехники преобразователей электроэнергии с использованием БКДРВ) необходима государственная поддержка данного направления, нацеленного на импортозамещение и технологическую независимость России, которое может стать новой точкой роста в силовой электронике [8], причём сейчас в этом направлении Россия имеет абсолютный приоритет.

Литература

1. Боровиков В.М., Красников Ю.И. Способ ограничения обратного тока при восстановлении диода. Патент RU 2256283, опубликован 10.07.2005. Бюл. № 19.
2. Боровиков В.М., Красников Ю.И. Способ ограничения обратного тока при восстановлении диода. Международная заявка на изобретение WO 2005/074114 A1, опубликована 11.08.2005.
3. Красников Ю.И., Красников И.Ю. Новые решения старых проблем в импульсных регуляторах напряжения. VIII Международный симпозиум «Электротехника 2010», доклад 5-08, Московская область, 24–26 мая 2005 г.
4. Yu. Krasnikov. New solutions to the old problems of buck and boost converters. 11th European Conference on Power Electronics and Applications, 11–14 September 2005, Dresden, Germany.
5. Боровиков В., Красников Ю. Поиск «идеальных» решений в силовой электронике: от постановки задачи до реализации проекта. Современная электроника. 2006. № 8.
6. Yuriy I. Krasnikov. Improved Buck and Boost Converters for High-power Applications. 2007 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 4–7 June, 2007, Vigo, Spain.
7. Писарев А., Черников А., Сурма А. Мощные мягкие быстровосстанавливающиеся диоды для высокоэффективных инверторных систем: www.proton-electrotex.com/ru/articles/moshhnye-
8. myagkie-bystrovosstanavlivayushhiesya
9. Государство ждёт оппонента: эксперты обсудили, как сделать отечественную электронику доходной. Современная электроника. 2017. № 8.

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!