На протяжении нескольких десятилетий тиристоры и их разновидности были основой силовой электроники во всем мире. В XXI веке их частично потеснили IGBT и SiC MOSFET транзисторы. Введение Западом экономических санкций против России способствовало росту интереса к тиристорам, поскольку наша промышленность достигла в производстве этого вида полупроводниковых приборов мирового уровня. При этом специалисты-практики отмечают, что зачастую тиристоры надежнее новомодных компонентов. Давайте разберемся, насколько лидерство России в производстве тиристоров способно обеспечить технологический суверенитет.
Название «тиристор» происходит от греческого слова «тира» (дверь) и слова «резистор». Этим термином обозначают полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла (обычно используется кремний), имеющий три или более электроннодырочных перехода. Важная особенность тиристора — он может находиться в одном из двух стабильных состояний. В одном из них он не пропускает ток, во втором — полностью открыт.
Существует несколько способов классификации тиристоров. По количеству выводов их делят на динисторы (два вывода) и тринисторы (три вывода, один из которых — управляющий электрод). В свою очередь, тринисторы делятся на однонаправленные (пропускают ток только в одном направлении) и симисторы (пропускают ток в обоих направлениях). Кроме этого, однонаправленные тринисторы также можно разделить на запираемые (можно запереть в любой момент времени, подав соответствующий сигнал на управляющий электрод) и незапираемые (посредством подачи сигнала на электрод его можно только открыть, а закрытие происходит в момент, когда ток, протекающий через прибор, оказывается ниже определенного значения). Все симисторы по принципу своей работы являются незапираемыми.
Помимо обычных, выпускаются также оптронные тиристоры. Они имеют встроенную оптическую развязку (оптопару), благодаря чему управляющий электрод имеет полную гальваническую развязку относительно управляемой сети. Также известны оптически управляемые тиристоры, иначе именуемые фототиристорами, в которых управление режимами осуществляется не электрическим, а оптическим сигналом, подаваемым по оптоволокну. Это позволяет защитить тиристор от ложных срабатываний изза электромагнитных помех.
Все перечисленные выше типы тиристоров производятся российской промышленностью.
Симисторы — наиболее распространенный сейчас вид тиристоров. В зарубежной литературе они часто обозначаются аббревиатурой TRIAC (TRIode for Alternating Current, что в переводе с английского означает «триод для переменного тока»). Именно по этой аббревиатуре получил свое название популярный тип диммеров TRIAC. Принцип работы данного диммера основан на регулировке угла отсечки.
Производство тиристоров в России
Первый тринистор в мире был создан в 1955 г. в США. Динистор изобрели там же, но уже в 1956 г. Некоторое время потребовалось на освоение его в серийном производстве. Наука тогда в СССР была на подъеме, поэтому уже в начале 60х годов было освоено серийное производство отечественных тиристоров, почти вровень с США. Причем в разработке симистора отечественные ученые даже опередили американских коллег. Уже в конце 60х годов по железным дорогам СССР стали ходить мощные электровозы ВЛ60КУ, выпрямители которых имели тиристорное управление. Тогда же инверторы на основе тиристоров стали использовать для индукционного нагрева металлов на советских заводах.
После распада СССР производство тиристоров на территории России продолжилось. Создавались все новые и новые типы этих приборов. Согласно данным портала Elec.ru, на момент написания статьи как минимум 6 заводов в нашей стране выпускали тиристоры.
Во многом выпуск тиристоров даже в сложные с точки зрения экономики времена поддерживался за счет спроса со стороны производителей электровозов и общественного транспорта. Российские железные дороги в постсоветское время закупали в основном отечественные электровозы, а перед общественным транспортом на электрической тяге была поставлена задача снижения энергопотребления, для чего тиристорные регуляторы оказались очень кстати.
Регулировка мощности, потребляемой нагрузкой
Первым применением данных приборов стали управляемые выпрямители, а также регуляторы с изменяемым углом отсечки. В обоих случаях открытие тринистора происходит по импульсу, который подается при заданном угле синусоиды переменного тока, закрытие — вблизи перехода синусоиды через ноль. В результате в нагрузку поступает только часть электрической энергии. В выпрямителе получаются импульсы постоянного тока, которые, после сглаживания, дают заданное напряжение на выходе. Если речь идет об электровозе, то на двигатель импульсы постоянного тока поступают почти без сглаживания.
В регуляторе с переменным углом отсечки «порезанная» синусоида поступает на нагрузку, способную питаться от тока несинусоидальной формы (например, лампа накаливания или некоторые типы электродвигателей). Наиболее известный пример — TRIACдиммеры. Регуляторы мощности всасывания в большинстве современных пылесосов работают по такому же принципу.
По сравнению со схемами регулировки тока и/или напряжения в нагрузке, предусматривающими включение последовательно с ней переменного резистора, решения на основе тиристора обеспечивают минимизацию потерь на нагрев. Потери в тиристоре, связанные с его нагревом, могут возникать по трем причинам: отличное от нуля прямое напряжение в открытом состоянии, наличие тока утечки в закрытом состоянии, отличное от нуля время переключения. Прямое напряжение в открытом состоянии обычно много меньше напряжения на нагрузке, ток утечки тоже мал. Потери электроэнергии происходят только во время переходных процессов, сопровождающих переход из открытого состояния в закрытое и обратно. Время переключения мощного тиристора составляет от 40 до 800 мкс. Если мы говорим про управляемый выпрямитель или регулятор с переменным углом отсечки, то речь идет о промышленной частоте 50 Гц, т. е. периоде 0,02 с. Время переключения много меньше указанного промежутка, поэтому для указанных применений тиристоры имеют высокую энергоэффективность.
На участках железных дорог, электрифицированных переменным током, в России применяются преимущественно электровозы, оснащенные коллекторными двигателями постоянного тока, поэтому управляемые тиристорные выпрямители до сих пор широко используются.
Тиристорные инверторы
Преобразователи постоянного тока в переменный (инверторы) на основе тиристоров получили распространение в системах индукционного нагрева, оборудовании для гальванических ванн, промышленных источниках бесперебойного питания, системах рекуперации электровозов, сварочных аппаратах. Тринисторы по сигналу от задающего генератора коммутируют постоянный ток для получения переменного тока, форма которого после фильтрации приближается к синусоидальной.
Проблема заключается в том, что массовые модели тиристорных инверторов имеют рабочую частоту не более 3 кГц. Использование специальных высокочастотных тиристоров позволяет увеличить этот предел максимум до 15 кГц. Для сравнения, IGBT инверторы способны работать на частоте до 100 кГц, а SiC MOSFET — до 200 кГц. Более низкая рабочая частота — это большие размеры трансформаторов и дросселей. К тому же устройство становится более шумным, так как рабочая частота попадает в звуковой диапазон. Поэтому тиристорные инверторы используются преимущественно в стационарном промышленном оборудовании.
Почему тиристоры такие медлительные?
Причина заключается в принципе работы прибора. Тиристор можно представить в качестве модели из двух транзисторов pnp и npn структуры. При открытии тиристора переходы «коллекторбаза» этих транзисторов смещены в прямом направлении. У транзистора такое смещение соответствует режиму насыщения. В режиме насыщения быстродействие полупроводникового прибора снижается на 1–2 порядка.
Что надежнее?
Сравнение начнем с IGBTтранзисторов, для которых в России имеется полный цикл производства, проблема лишь в объемах и ассортименте.
Мощный IGBTтранзистор содержит в себе, как правило, несколько кристаллов, соединенных параллельно. Нарушение этих межсоединений нередко является причиной отказа.
Тиристоры, даже самые мощные, имеют монокристальную конструкцию. Помимо более высокой надежности, эта особенность позволяет выпускать приборы в таблеточном и винтовом корпусах. Таблеточный корпус позволяет решить проблему надежного контакта, а также остаточной деформации элементов прибора при включении и выключении нагрузки. IGBT в таблеточном исполнении изза наличия нескольких кристаллов имеют более сложную конструкцию, поэтому их массово не производят. Резьбовой корпус предусматривает исполнение корпуса прибора и винта для крепления теплоотвода как единого целого, что улучшает отвод тепла. IGBT в таком формфакторе вообще не производят. То есть мнение о более высокой надежности тиристоров по сравнению с IGBT имеет под собой основание.
SiC MOSFET транзисторы благодаря использованию другого материала (карбида кремния) выдерживают температуры до +175°C. В то же время как тиристоры, изготовленные из кремния, способны выдержать в лучшем случае только +125°C. Устойчивость к перегрузкам у SiC MOSFET намного лучше, чем у тиристоров, так что этому виду приборов тиристоры по надежности в целом проигрывают. Но не будем забывать, что массового производства кристаллов SiC MOSFET в России пока нет, выпускающиеся сейчас отечественные транзисторы данного вида имеют внутри импортные кристаллы.
Есть у тиристоров еще одно преимущество, косвенно влияющее на надежность. Напряжение, которое нужно подать на управляющий электрод для открытия, составляет всего 3 В. Никаких специальных драйверов, которые устанавливают для IGBT и SiC MOSFET, тиристорам не нужно. В свою очередь, чем проще схема устройства, тем выше его надежность.
Выводы
Тиристоры закрывают потребность нашей страны в силовых полупроводниковых приборах для оборудования, применяемого в таких критически важных областях, как транспортная инфраструктура и машиностроение. Возможно дальнейшее развитие отечественных тиристоров в направлении повышения рабочих токов и напряжений. Там, где важны надежность и доступность сервисного обслуживания, тиристоры попрежнему вне конкуренции.
Тем не менее повышение быстродействия тиристоров упирается в их принцип работы. Поэтому в личных солнечных электростанциях, электротранспорте с автономным питанием и переносных сварочных аппаратах тиристоры уже не будут использоваться, поскольку низкая рабочая частота влечет за собой применение громоздких трансформаторов. Исходя из этого, для достижения технологического суверенитета важно и дальше развивать в России производство IGBT, а также начать массовый выпуск SiC MOSFET на основе отечественных кристаллов.
