Передача, распределение и накопление электроэнергии

Ударим тиристорами по санкциям?

5 апреля 2024 г. в 15:41

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.

Тринисторы двух типов. Обозначение выводов: А — анод, К — катод, УЭ — управляющий элемент
Тринисторы двух типов. Обозначение выводов: А — анод, К — катод, УЭ — управляющий элемент

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.

Модуль с двумя оптронными тиристорами производства российском компании «Оптрон-Ставрополь»
Модуль с двумя оптронными тиристорами производства российском компании «Оптрон-Ставрополь»

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.

Современное тиристорное зарядно-выпрямительное устройство «ВАЗП Е» производства российской компании Uralcell предназначено для резервного электропитания предприятий и сглаживания пиков энергопотребления
Современное тиристорное зарядно-выпрямительное устройство «ВАЗП Е» производства российской компании Uralcell предназначено для резервного электропитания предприятий и сглаживания пиков энергопотребления

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.

Форма напряжения на выходе TRIAC-диммера. Vmax — амплитуда, φ — угол отсечки
Форма напряжения на выходе TRIAC-диммера. Vmax — амплитуда, φ — угол отсечки

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.

Эквивалентная схема замещения тиристора. А — анод, К — катод, УЭ — управляющий элемент
Эквивалентная схема замещения тиристора. А — анод, К — катод, УЭ — управляющий элемент

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.

Источник: Николай Пуделякин. Опубликовано в журнале «Электротехнический рынок» №2 (116) 2024 год

👉 Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Пуделякин Николай
Все новости и публикации пользователя Пуделякин Николай в персональной ленте вашего личного кабинета на Elec.ru
Подписаться
Читайте также
Новости по теме
Объявления по теме

ПРОДАМ: Тиристор низкочастотный однопозиционные Протон-Электротекс

ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС — это один из российских лидеров разработки и производства силовых полупроводниковых диодов, тиристоров, модулей, охладителей, IGBT (БТИЗов), а также силовых блоков для применения в различных преобразователях электрической энергии. Наша главная цель — обеспечить покупателей современной и надежной продукцией. Мы считаем, что для этого нужно работать по четырем направлениям: — Развитие персонала: мы делаем всё, чтобы привлечь талантливых разработчиков и помочь им себя проявить. Наши специалисты посещают крупнейшие мировые выставки в отрасли силовой электроники, проходят дополнительное обучение и размещают свои научные статьи в промышленных журналах; — Оптимизация организационной структуры: эффективное управление и планирование производства и отлаженное внутреннее взаимодействие позволяют нам быстро принимать и выполнять заказы; — Использование только высококачественных сырья и материалов: мы сотрудничаем с ведущими мировыми поставщиками компонентов полупроводниковых приборов; — Современное производственное и испытательное оборудование: автоматизированное производство и контроль качества — это отдельная гордость нашей компании.
Полостюк Михаил · Протон-Электротекс · Вчера · Россия · Орловская обл
Тиристор низкочастотный однопозиционные Протон-Электротекс

ПРОДАМ: Поставим Преобразователи частоты, устройства плавного пуска Российских производителей

ООО «СВ-Техноэлектро» в настоящее время является официальным дилером следующих заводов — производителей оборудования для частотно-регулируемых электроприводов: ООО «Компания Веспер», ООО «INSTART», ООО «Лидер», ООО «Силиум». Кроме того, ООО «СВ-Техноэлектро» является торговым партнером ESQ, DELTA, DANFOSS, ООО «Интехникс» — официального дистрибьютера в России Invertek Drives (Великобритания), Delta Electronics (Тайвань), AuCom (Новая Зеландия), ABB (Швеция, Швейцария) специализирующихся в выпуске оборудования в сфере промышленной автоматизации, специализирующихся в выпуске оборудования в сфере промышленной автоматизации.  Оборудование сертифицировано, с гарантией от производителя. Отгружается со склада производителя. Доставка осуществляется в любой регион России. Предоставляется техническая поддержка и сервисное обслуживание. Предоставляется техническая поддержка. Для каждого Заказчика предоставляется скидка от прайс листа производителя. Работая непосредственно с нами, Вы получаете новое в полной комплектности и технически исправное оборудование со складов производителей с полным комплектом гарантийных обязательств со скидкой и с доставкой любой транспортной компанией. Возникли вопросы — напишите нам по электронной почте или позвоните. Мы будем рады сотрудничеству и гарантируем полное соблюдение нами взятых обязательств перед Вами.
Журавель Валерий · СВ-ТЕХНОЭЛЕКТРО · Вчера · Россия · г Москва
Поставим Преобразователи частоты, устройства плавного пуска Российских производителей

ПРОДАМ: Тиристоры лавинные в штыревом исполнении Протон-Электротекс

ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС — это один из российских лидеров разработки и производства силовых полупроводниковых диодов, тиристоров, модулей, охладителей, IGBT (БТИЗов), а также силовых блоков для применения в различных преобразователях электрической энергии. Наша главная цель — обеспечить покупателей современной и надежной продукцией. Мы считаем, что для этого нужно работать по четырем направлениям: — Развитие персонала: мы делаем всё, чтобы привлечь талантливых разработчиков и помочь им себя проявить. Наши специалисты посещают крупнейшие мировые выставки в отрасли силовой электроники, проходят дополнительное обучение и размещают свои научные статьи в промышленных журналах; — Оптимизация организационной структуры: эффективное управление и планирование производства и отлаженное внутреннее взаимодействие позволяют нам быстро принимать и выполнять заказы; — Использование только высококачественных сырья и материалов: мы сотрудничаем с ведущими мировыми поставщиками компонентов полупроводниковых приборов; — Современное производственное и испытательное оборудование: автоматизированное производство и контроль качества — это отдельная гордость нашей компании.
Полостюк Михаил · Протон-Электротекс · Вчера · Россия · Орловская обл
Тиристоры лавинные в штыревом исполнении Протон-Электротекс

ПРОДАМ: Тиристоры низкочастотные в штыревом исполнении Протон-Электротекс

ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС — это один из российских лидеров разработки и производства силовых полупроводниковых диодов, тиристоров, модулей, охладителей, IGBT (БТИЗов), а также силовых блоков для применения в различных преобразователях электрической энергии. Наша главная цель — обеспечить покупателей современной и надежной продукцией. Мы считаем, что для этого нужно работать по четырем направлениям: — Развитие персонала: мы делаем всё, чтобы привлечь талантливых разработчиков и помочь им себя проявить. Наши специалисты посещают крупнейшие мировые выставки в отрасли силовой электроники, проходят дополнительное обучение и размещают свои научные статьи в промышленных журналах; — Оптимизация организационной структуры: эффективное управление и планирование производства и отлаженное внутреннее взаимодействие позволяют нам быстро принимать и выполнять заказы; — Использование только высококачественных сырья и материалов: мы сотрудничаем с ведущими мировыми поставщиками компонентов полупроводниковых приборов; — Современное производственное и испытательное оборудование: автоматизированное производство и контроль качества — это отдельная гордость нашей компании.
Полостюк Михаил · Протон-Электротекс · Вчера · Россия · Орловская обл
Тиристоры низкочастотные в штыревом исполнении Протон-Электротекс

ПРОДАМ: Тиристорные и диодные модули "Диод-диод" двухпозиционные Протон-Электротекс

ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС — это один из российских лидеров разработки и производства силовых полупроводниковых диодов, тиристоров, модулей, охладителей, IGBT (БТИЗов), а также силовых блоков для применения в различных преобразователях электрической энергии. Наша главная цель — обеспечить покупателей современной и надежной продукцией. Мы считаем, что для этого нужно работать по четырем направлениям: — Развитие персонала: мы делаем всё, чтобы привлечь талантливых разработчиков и помочь им себя проявить. Наши специалисты посещают крупнейшие мировые выставки в отрасли силовой электроники, проходят дополнительное обучение и размещают свои научные статьи в промышленных журналах; — Оптимизация организационной структуры: эффективное управление и планирование производства и отлаженное внутреннее взаимодействие позволяют нам быстро принимать и выполнять заказы; — Использование только высококачественных сырья и материалов: мы сотрудничаем с ведущими мировыми поставщиками компонентов полупроводниковых приборов; — Современное производственное и испытательное оборудование: автоматизированное производство и контроль качества — это отдельная гордость нашей компании.
Полостюк Михаил · Протон-Электротекс · Вчера · Россия · Орловская обл
Тиристорные и диодные модули "Диод-диод" двухпозиционные Протон-Электротекс
Компания LEDVÁNCE — один из ведущих мировых производителей осветительной техники: традиционных источников света, энергоэффективных светодиодных ламп, светильников, инновационных светотехнических решений для «умного дома». Продукция компании предназначена как для профессионального, специализированного применения, так и для конечного потребителя.