НИЦ СПП ОАО "ЭЛЕКТРОВЫПРЯМИТЕЛЬ"

Научно-инженерный центр силовых полупроводниковых приборов ОАО "Электровыпрямитель"

НИЦ СПП – научно-инженерный центр силовых полупроводниковых приборов ОАО «Электровыпрямитель», ведущее подразделение предприятия по разработке мощных полупроводниковых приборов силовой электроники.

НИЦ СПП включает в себя пять самостоятельных отделов, выполняющих комплекс работ по всему циклу создания новых приборов: маркетинг – конструирование – разработка технологии – разработка нормативно-технической документации (технические условия, паспорта, информационные материалы и пр.) - разработка и изготовление измерительного и испытательного оборудования – разработка конструкции и технологии изготовления охлаждающих устройств, а также силовых блоков на их основе.

Кадровый состав НИЦ СПП - опытные специалисты в области проектирования стандартных СПП и молодое поколение, успешно работающее в перспективных направлениях развития силовой электроники.

НИЦ СПП владеет мощным компьютерным обеспечением, имеет экспериментальную базу, оснащенную современным технологическим и испытательным оборудованием.

Ниже представлен краткий перечень наиболее крупных разработок в области полупроводниковых приборов силовой электроники, проведенных НИЦ СПП.

1971 год

• Роторные диоды и тиристоры для бесщеточных систем возбуждения мощных электрических машин, в том числе, турбогенераторов мощностью до 1000 МВт. Эти приборы позволили осуществить прорыв в области электрических машин высокой мощности. Оригинальная конструкция роторных СПП обеспечивает и сегодня надежную эксплуатацию этих приборов в схемах возбуждения, которые монтируются непосредственно на роторах машин, скорость вращения которых достигает 3600 об/мин.

1972 год

• Таблеточные диоды и тиристоры с диаметром выпрямительных элементов 32, 40, 50, 56 мм. Это первые отечественные таблеточные СПП с прижимными контактами в металлокерамических корпусах, с помощью которых удалось резко увеличить коммутируемую диодами и тиристорами мощность, на несколько порядков увеличить срок службы при работе СПП в тяжелых циклических режимах. Разработка данных приборов расширила область применения СПП, позволила создать мощные преобразователи для электроприводов прокатных станов, электротранспорта, первых линий электропередач постоянного тока и для других применений.

1973 год

• Высокотемпературные диоды и тиристоры для специальных применений. Приборы были спроектированы для работы в условиях высоких температур и тяжелых механических нагрузок. Это были первые в стране силовые полупроводниковые приборы с максимальной рабочей температурой перехода 200 ºС. Они надежно работают и сейчас во вращающихся системах, где центробежные ускорения достигают 8000 g, успешно применяются сегодня в спецтехнике.

1976 год

• Единая унифицированная серия силовых диодов, тиристоров и симисторов штыревой конструкции с конкурентоспособными технико-экономическими показателями. Данная серия завершила перевод СПП штыревой конструкции с паяными контактами на более надежные прижимные контакты. При этом металлостеклянные корпуса старых приборов были заменены на более прочные металлокерамические. ЕУС штыревой конструкции была одной из сложнейших разработок, так как в короткие сроки необходимо было создать и освоить принципиально новые конструктивы и технологические процессы изготовления этих приборов. НИЦ СПП совместно с другими техническими службами завода успешно справился с поставленной задачей. Было создано и освоено производство более 40 типов современных приборов штыревой конструкции, которые по своим технико-экономическим показателям находились на уровне лучших зарубежных аналогов. Широкий диапазон номинальных токов и напряжений, низкие потери мощности в открытом состоянии, высокие (di/dt)_crit, (dv/dt)_crit, стойкость к ударным токам, удобство монтажа и надежность в эксплуатации, в том числе, и в циклических режимах, широкий диапазон рабочих температур и другие преимущества этих приборов позволили разработчикам преобразовательных устройств применять их практически во всех отраслях народного хозяйства. Эти приборы были и пока остаются наиболее востребованными сегодня на российском и зарубежных рынках.

1978 год

• Единая унифицированная серия силовых диодов и тиристоров таблеточной конструкции. Основной задачей этой разработки являлось создание серии высокоэффективных таблеточных приборов нового поколения с диаметром выпрямительных элементов 24, 32, 40, 50 и 56 мм. Эти приборы, по сравнению с первыми таблетками, имели лучшую симметрию внутренних тепловых сопротивлений, что дало возможность эффективно использовать их при двухстороннем охлаждении. Кроме того, они имели более высокие технические характеристики, широкий диапазон рабочих токов и напряжений. В этой разработке были учтены требования взаимозаменяемости новых приборов со старыми, а также соответствия техническим параметрам и массогабаритным показателям зарубежных аналогов. В результате был создан унифицированный ряд конструкций таблеточных СПП, удовлетворяющий требованиям национальных и международных стандартов. По совокупности параметров новые приборы были разработаны на уровне лучших аналогов, выпускаемых ведущими фирмами мира: Westinghouse, General Electric, Siemens, International Rectifier и др., что позволяет этим приборам и сегодня иметь сбыт, высокую потребность на российском рынке, а также хороший экспорт, в том числе и в развитые страны (Германию, Италию, Корею, Швецию и др.). Работы по расширению токового ряда и диапазона рабочих напряжений таблеточных приборов продолжаются. Сегодня выпускаются приборы этой серии на токи от 160А до 2000А, напряжения от 100В до 6000В.

1979 год

Важным этапом развития приборов обеих серий явилась доработка их до требований ГОСТ В. Был проведен большой объем работы по доработке конструкций СПП, удовлетворяющих требованиям военной техники, проведены все необходимые испытания, подтверждающие соответствие этих приборов требованиям технических заданий и ГОСТ В. Силовыми полупроводниковыми приборами ЕУС штыревой и таблеточной конструкции и сегодня комплектуются силовые установки военной техники и вооружения.

1982 год

• Существенный вклад в развитие отечественных таблеточных СПП оказал лицензионный договор с фирмой "Сименс" на производство мощного высоковольтного тиристора с диаметром выпрямительного элемента 55 мм. В соответствии с этим договором в ОАО в середине 80-х годов была запущена линия с уникальным по тому времени технологическим оборудованием. Фирмой "Сименс" была передана ОАО вся техническая документация и "ноу-хау", необходимые для изготовления этого тиристора. Специалисты ОАО – конструкторы и технологи – прошли обучение на фирме. Многие работники НИЦ СПП стали впоследствии ведущими специалистами вновь созданного цеха по производству новых тиристоров. Эти приборы нашли широкое применение для нужд МПС: в тяговых электроприводах электровозов и в системах электроснабжения железных дорог.

1983 год

• Мощные тиристоры с диаметром выпрямительного элемента 80 мм. Создание этих приборов было заметной вехой в развитии мощных отечественных СПП. С их появлением коммутируемая мощность СПП была увеличена более чем в 2 раза и достигла величин порядка 5-6 МВт. Это позволило разработчикам преобразовательных устройств с успехом выполнять такие важные народнохозяйственные проекты, как: строительство линий электропередач постоянного тока, а также вставки постоянного тока для экспорта электроэнергии в другие страны, строительство мощных компенсаторов реактивной энергии, создание супермощных электроприводов, оснащение цветной металлургии мощными источниками питания для производства меди и алюминия.

1985 год

• Мощные тиристоры с диаметром выпрямительного элемента 76 мм в новом прочном металлокерамическом корпусе диаметром 107 мм. Данные приборы явились развитием СПП, осваиваемых по лицензии с фирмой «Сименс». В этом корпусе впервые появились Т273-1250-40, Т173-1600-32, Т173-2000-20. В дальнейшем в этом конструктивном исполнении был разработан еще ряд приборов, в том числе, тиристоры и диоды с малыми потерями на супервысокие номинальные токи. Сегодня, при наличии заказов, предприятие может поставлять диоды и тиристоры на токи до 5000А с рабочим напряжением до 8.0кВ.

1986 год

• Реверсивно-включаемые динисторы. В 80-е годы по инициативе члена-корреспондента АН СССР И. В. Грехова специалистами НИЦ СПП была разработана на основе четырехслойной полупроводниковой структуры диаметром 80 мм первая в мире конструкция и технология изготовления нового мощного импульсного таблеточного прибора – реверсивно включаемого динистора (РВД). Включение такого прибора происходит практически мгновенно по всей площади структуры, что дает возможность коммутировать импульсы тока в субмиллисекундном диапазоне амплитудой до 350 кА с высокими скоростями нарастания (di/dt более 30 кА/мкс). Разработаны РВД с диаметрами выпрямительных элементов от 8мм до 80мм с рабочим напряжением до 4000В. Уникальные характеристики РВД позволяют успешно проектировать импульсную технику, предназначенную как для промышленности, так и для решения фундаментальных физических проблем и задач оборонной направленности.

1989 год

• В конце 80-х годов НИЦ СПП провел разработку и подготовку производства мощного тиристора с диаметром выпрямительного элемента 101 мм. На сегодняшний день это самый мощный отечественный тиристор. По мнению специалистов, мощные тиристоры с диаметрами выпрямительных элементов 76 и 101 мм будут еще востребованы российской промышленностью, особенно когда начнутся инвестиции в крупные проекты: строительство ЛЭП ПТ и вставок постоянного тока, выпуск приводов переменного тока для двигателей большой мощности (от 1 МВт до 15 МВт). Эти приборы найдут широкую область применения в различных отраслях промышленности: системах водоснабжения (насосы, нагнетатели воздуха), бумажной промышленности (насосы), горно-шахтной промышленности (вентиляторы, насосы), производстве цемента (вентиляторы, насосы), трубопроводах (компрессоры), нефтехимии (экструдеры, мешалки), прокатные станы металлургии и т.д.

1993 год

• Разработка частотных полупроводниковых приборов – быстровосстанавливающихся диодов и быстродействующих тиристоров, предназначенных для работы в частотно-импульсных режимах. Сегодня диоды этой группы в зависимости от рабочего напряжения и тока имеют времена обратного восстановления от 1мксек до 5мксек, а частотные тиристоры выпускаются с временами выключения от 8мкс до 50мкс. Рабочее напряжение этих приборов 300-2400В. По требованиям заказчика предприятие поставляет подобные приборы и с более высокими рабочими напряжениями (до 4000В и выше) с нормированными временами выключения, которые оптимизированы для инверторных применений.

1994 год

• Отвечая потребности рынка, НИЦ СПП начинает разработку беспотенциальных диодно-тиристорных модулей с изолированным основанием. Модульная конструкция СПП в сочетании с внутренней изоляцией позволяет существенно упростить конструкцию силовой схемы, снизить издержки монтажа и обслуживания преобразовательного устройства. Прижимные контактные соединения в модулях обеспечивают их надежную работу при длительной эксплуатации в циклическом режиме работы. Первым был разработан модуль для сварочного оборудования на ток 250А. Сейчас семейство диодно-тиристорных модулей включает в себя более 80-и типов в шести базовых конструкциях (с шириной корпусов 20, 34, 50 и 60 мм), выполненных по одно и двух - ключевым схемам на токи от 40А до 1250А в, диапазон рабочих напряжений от 100 до 4400В. Области применения - привода постоянного тока, устройства "мягкого" пуска электродвигателей, выпрямительные схемы, различные технологические установки. В ближайшее время начнется выпуск принципиально новой серии диодно – тиристорных модулей с паяными контактами на выходные токи от 100А до 630А, выполненных по схемам одно и трехфазных мостов. Эти компактные и дешевые приборы позволят еще более снизить затраты в производстве преобразователей различного назначения мощностью до 250кВт. Ведутся разработки специализированных модулей с интегрированной в прибор системой охлаждения.

1995 год

• Продолжаются работы по расширению номенклатурного ряда стандартных СПП. Осваивается серийный выпуск низкочастотных диодов, диодов лавинных, тиристоров, тиристоров симметричных в герметичных металлостеклянных корпусах на токи 10 ¸ 80А, с повторяющимся напряжением до 1600 В со шпилькой под винт М5, М6, М8 и М10. Приборы соответствуют лучшим зарубежным аналогам, полностью заменяют все аналогичные приборы, выпускаемые в странах СНГ (Украина, Киргизия). Сейчас на этой конструктивной базе разработаны и выпускаются быстровосстанавливающиеся диоды и быстродействующие тиристоры на токи 10 ¸ 63А, с повторяющимся напряжением до 1400 В, а также оптронные тиристоры на токи 25 ¸ 80А, с повторяющимся напряжением до 1200 В. Конструктивное исполнение приборов соответствует международным стандартам (IEC, DIN и др.). В 2003 г. низкочастотные тиристоры доведены до требований приемки «5». В 2005 году планируется доработать диоды, а в 2006г. – триаки.

1996 год

• Серия мощных высоковольтных запираемых тиристоров с диаметрами выпрямительных элементов 40, 56 и 76 мм. Это первые полупроводниковые полностью управляемые ключи, разработанные и освоенные в ОАО "Электровыпрямитель". Они нашли применение в качестве коммутаторов тока и напряжения в преобразователях электроэнергии, например, в инверторах напряжения преобразователей частоты асинхронного электропривода для мощных насосов и вентиляторов коммунальных хозяйств и промышленности, в электротранспорте (локомотивы железных дорог), в преобразователях средней и большой электроэнергетики. Сегодня НИЦ СПП проводит работы по проектированию и подготовке производства IGCT тиристоров, которые являются четвертым поколением GTO. Эти приборы позволяют коммутировать токи 3-4кА при напряжении 6000В. В варианте IGCT запираемый GCT тиристор объединен в одно устройство с драйвером управления. На основе этой концепции, в 2005-2007 годах, планируется разработать и освоить производство серии запираемых тиристоров (симметричных, ассиметричных и с диодами обратного тока) с интегрированными драйверами управления, рассчитанные на коммутируемые токи до 4000А блокируемое напряжение до 8000В.

1997 год

• НИЦ СПП приступает к разработке принципиально новых полностью управляемых полупроводниковых приборов - силовых модулей на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и быстровосстанавливающихся диодов с "мягкими" характеристиками обратного восстановления (SFRD). Разработано шесть базовых конструкций, на основе которых организовано производство 60 типов IGBT модулей на токи от 25А до 2400А, напряжение до 3300В, выполненными по схемам одиночных ключей, полумостов и чопперов. Основные области применения – коммунальные хозяйства, промышленность (в том числе, добывающие отрасли) и транспорт. С 2001года начаты работы по созданию IGBT модулей для электроподвижного состава. По требованиям МПС, с учетом особенностей российских железных дорог, разработаны IGBT модули специального исполнения, предназначенные для эксплуатации в циклическом режиме, при низких минусовых температурах, в условиях жестких механических воздействий. Для вспомогательных СПЧ бортового питания электровозов и пассажирских поездов, а также тяговых приводов магистральных электровозов разрабатываются IGBT модули с напряжением изоляции не менее 13 кВ. Сегодня проектируются шестиключевые модули в экономичных корпусах, модули с повышенным напряжением изоляции, циклостойкие мощные IGBT модули и др. Разрабатываются высоковольтные сильноточные ключи на токи до 1400А, напряжение до 6500В в герметичных металлокерамических корпусах прижимной конструкции, обладающих большой надежностью, имеющих высокие энерготермоциклоустойчивость и стойкость к механическим и климатическим воздействиям. Область применения их - высоконадежные преобразовательные устройства мощностью до 10 МВт для топливно-энергетического комплекса страны (гибких линий электропередач, компенсаторов реактивной мощности, регулируемых приводов переменного тока, активных фильтров и т.п.); транспортных средств – городского, пригородного и железнодорожного электротранспорта, большегрузных карьерных самосвалов, подводных и надводных судов и т.п.

1998 год

• Разработана и внедрена в производство серия быстродействующих частотно-импульсных тиристоров (ТБИ) на токи 100 – 2000А, повторяющееся напряжение до 2400В. Области применения этих тиристоров - мощные электроприводы для промышленности и транспорта; индукционный нагрев; электросварка; источники бесперебойного питания и др. ТБИ – усовершенствованные быстродействующие тиристоры. Благодаря специальной топологии катодного эмиттера (отличие от серии ТБ) тиристоры имеют малое время полного включения и низкие потери энергии при работе с большими скоростями нарастания тока нагрузки. В сочетании с малыми значениями времен задержки включения, нарастания тока и времени выключения это позволяет эффективно использовать тиристоры на частотах до 10 кГц, а в некоторых случаях – до 20 кГц и выше (в многофазных последовательных резонансных инверторах напряжения на частотах до 50кГц). ТБИ полностью заменяют быстродействующие тиристоры, выпускающиеся фирмами "ESTEL" (Эстония), POLOVODIČE (Чехия), «Протон-Электротекс» (Россия) и т.д.

1999 - 2004 года

• В течение пяти лет НИЦ СПП разработало и внедрило в производство свыше 450 типов новых СПП, что составило более 60 % от общей номенклатуры выпускаемых изделий. Завод планирует в ближайшие три года удвоить производство приборов силовой электроники, в первую очередь, за счет новых разработок в области SCR, IGBT, IGCT, SFRD, модулей, силовых блоков на базе этих приборов и охлаждающих устройств, выполняемых по схемам многофазных выпрямителей, инверторов, регуляторов переменного тока и другим схемам. Росту объемов продаж СПП способствуют также работы, проводимые специалистами предприятия по расширению номенклатуры, повышению качества и надежности серийных СПП. ОАО «Электровыпрямитель» стремится поддерживать высокое качество своих полупроводниковых приборов. На предприятии действует система менеджмента качества применительно к проектированию, разработке и производству силовых полупроводниковых приборов, сертифицированная в Военном регистре и ЦОС «ВОЕНЭЛЕКТРОНСЕРТ» на соответствие ГОСТ Р ИСО 9001-2001. Целенаправленно планируются и ведутся работы по совершенствованию изделий, направленные на повышение качества и надежности приборов. На предприятии действует многоступенчатая система контроля параметров на всех этапах производства СПП: цеховой межоперационный контроль, испытания отделом технического контроля, приемка заказчиками (ВП, МПС, ГАЭН и др.), испытания надежности, включая все электрические, тепловые, механо-климатические испытания, а также испытания на безотказность и долговечность. Разработчики НИЦ СПП активно сотрудничают с учеными и специалистами многих НИИ и предприятий России и стран СНГ: ВЭИ им. В.И. Ленина, ФТИ им. Иоффе, ВНИИЭМ, ВНИИЭФ, НИИЭФА, ОАО "Ангстрем", ОАО "Электросила", "Уралэлектротяжмаш", ХЭМЗ, ВНИИСО, ИФП СО РАН, АСЭ, ВИАМ и другими предприятиями. Научно-техническая деятельность специалистов НИЦ СПП воплощена в изделиях, выпускаемых ОАО "Электровыпрямитель", разработанной ими технической документации, технических отчетах, многочисленных публикациях в специальных журналах, изобретениях и патентах.