В сегодняшней конкурентной и стремящейся сократить затраты промышленной среде полупроводниковая и общая обрабатывающая промышленность нуждаются в надежном, универсальном и точном способе управления процессами электрического нагрева. Такие области применения требуют точного управления, простоты использования и максимальной надежности. В этом случае идеальными устройствами для этой цели являются контроллеры мощности SCR.
Контроллеры мощности с кремниевым выпрямителем (SCR) были разработаны в конце 1950-х годов, и с тех пор их возможности по управлению мощностью изменились с нескольких сотен Ватт до нескольких Мегаватт. Применение в промышленности резко возросло, в настоящее время используются практически во всех основных отраслях производств. Контроллеры состоят из тиристоров и цепи управления, электрические нагрузки могут переключаться миллиарды раз в течение миллисекунд.
Контроллеры мощности SCR более надежны и экономичны, чем переменные трансформаторы, контакторы или механические устройства. Они обеспечивают более высокую степень контроля и требуют меньшего объема обслуживания.
Контроллеры мощности, предлагаемые Advanced Energy Industries
Компания Advanced Energy Industries, Inc. (AE), являющаяся мировым лидером в сфере высокоточных изделий для управления мощностью и питанием, предлагает несколько контроллеров мощности SCR, которые способны выполнить самые сложные задачи при проектировании. Линейка Thyro от AE обеспечивает точный контроль температуры для ведущих производителей полупроводников и представителей других отраслей. В линейку входят следующие изделия:
- Thyro-S® (недавно модернизированный)
- Thyro-A® (недавно модернизированный)
- Thyro-AX®
- Thyro-PX®
Каталог тиристорных регуляторов линейки Thyro (откроется в новом окне)
Контроллеры мощности SCR Thyro-S и Thyro-A были дополнены функциями, которые существенно упрощают использования изделий потребителем.
Преимущества контроллеров мощности SCR
Контроллеры мощности SCR более надежны и экономичны, чем переменные трансформаторы, контакторы или механические устройства. Также обеспечивается более высокая степень контроля и требуется меньший объем обслуживания. Вот лишь некоторые преимущества:
- Бесконечное разрешение. SCR позволяют управлять основными параметрами — напряжением, током или мощностью — от нуля до 100 процентов с почти бесконечным разрешением, что обеспечивает точное и бесступенчатое управление процессом.
- Надежность при минимальном обслуживании. Как и твердотельные устройства, контроллеры мощности SCR практически не подвержены износу, поэтому они требуют минимального обслуживания и имеют высокую среднюю наработку на отказ.
- Высокая эффективность. При КПД 99,5% контроллеры мощности SCR обладают явными преимуществами перед альтернативными устройствами, такими как блоки питания и преобразователи на основе IGBT.
- Очень быстрый отклик. Контроллеры мощности SCR за счет отсутствия в них движущихся частей могут очень быстро включать и выключать питание.
- Выбираемые параметры. Контроллер мощности SCR может управлять несколькими электрическими параметрами: мощность нагрузки, среднеквадратичное значение напряжения нагрузки и среднеквадратичное значение тока нагрузки. Также способен ограничивать ток или напряжение.
Общее описание
Основные элементы контроллера мощности SCR являются следующими:
- SCR. Кремниевый выпрямитель, также называемый тиристором, является сердцем контроллера.
- Контрольная цепь. Цепь контролирует работу SCR путем включения и выключения SCR с высокой скоростью, чтобы на нагрузку подавался точно требуемый ток.
- Элементы теплорассеивания. Все твердотельные силовые устройства (SCR, TRIAC, пр.), рассеивающие выделяемое тепло.
- Защитные цепи. Для защиты SCR от токов перегрузки, таких как короткое замыкание или скачок напряжения, контроллеры мощности SCR от компании AE оснащены встроенными полупроводниковыми предохранителями.
Контроллеры SCR для тепловых систем
Общая тепловая система, управляемая контроллером мощности SCR, показана на рисунке 1. Она состоит из датчика температуры нагревателя, регулятора температуры, контроллера мощности SCR, нагревательного элемента и нагрузки. Вывод контроллера температуры не подключен к нагревателю, как и в тепловой системе без контроллера SCR. Вместо этого имеет место подключение к контроллеру мощности SCR. Электрический ток (ток нагрузки), подаваемый на нагреватель, устанавливается контроллером мощности SCR.
Тепловой датчик посылает на регулятор температуры сигнал на нагрев, требуемый нагрузкой. Выходной технологический сигнал регулятора температуры передается на контроллер мощности SCR. Электронные компоненты контроллера используют сигнал для расчета скорости, необходимой для включения и выключения электрического тока в нагревателе. Переключение происходит очень быстро, поэтому сопротивление элемента нагревателя по причине изменения температуры меняется незначительно. Это и есть основное преимущество использования контроллера мощности SCR. Нагревательные элементы обычно изготавливаются из проволоки, использование механического реле для включения нагревателя обычно занимает 30 или более секунд.
Реле образуют дуги, искры и регулярно перегорают. Это явление известно как тепловой удар. Может произойти и перепад температуры. Нагреватель может расширяться и сжиматься, становясь все более хрупким. Элемент сопротивления подвергается непрерывной серии длительных циклов нагрева и охлаждения, что сокращает срок службы нагревателя. В тепловой системе под управлением SCR колебания температуры уменьшаются или исключаются, поэтому срок службы нагревателя значительно увеличивается.
Режимы работы — способы срабатывания SCR
Мощность, подаваемая на нагрузку, может регулироваться контроллером с использованием одного из следующих режимов управления или включения:
- Перекрестное или потоковое включение.
При данном методе включения, который также называется быстрым циклом, SCR включаются и выключаются только при мгновенном нулевом значении синусоидальной волны. Преимущество режима включения заключается в уменьшении или полном устранении электрических помех, передаваемых SCR. При наличии электрического шума чувствительные электронные устройства могут не функционировать должным образом, но перекрестное включение предотвращает такое явление. На рисунке 2 показана схема вывода двухточечной системы SCR. Обратите внимание, что SCR всегда срабатывают (включаются) при нулевом напряжении. Для уменьшения электрических помех включение и выключение должно происходить при минимально возможном уровне напряжения. После включения SCR останется во включенном положении до полного отключения проводимого тока. Это происходит каждый полупериод при переменном токе. Дополнительное преимущество данного режима заключается в том, что в момент переключения не создаются гармонические искажения.
- Фазово-угловой режим.
При использовании данного способа включение происходит каждый последующий полупериод в синусоиде выходного переменного тока. Каждый SCR (в двухточечной паре в системах переменного тока) включается в течение выбранной переменной части управляемого полупериода. Следовательно, мощность может регулироваться выбором точки (фазового угла), в которой SCR должен включаться в своем полупериоде. Соответственно, время переключения указывается в миллисекундах, и никаких экстремальных отклонений температуры не происходит.
Невозможность включения в точно выбранной точке цикла приводит к нежелательным результатам. Если SCR срабатывает в начале полупериода, выходная мощность нагревателя будет высокой, поскольку большой ток проходит через SCR. Если SCR срабатывает в конце полупериода, через SCR и нагреватель проходит небольшой ток, а мощность нагревателя будет очень низкой.
Важно отметить, что с помощью данного метода SCR не переключается при пересечении нуля, поэтому генерируется значительный шум. Шум проявляется в виде скачков напряжения в фазе переключения синусоидальной волны переменного тока. (Примечание: на рисунке 3 скачки напряжения не показаны.)
- Управление включением и выключением.
Контроллер мощности SCR, работающий в данном режиме, отключается, если отсутствует входной сигнал, в противном случае он всегда включен. Метод обеспечивает переключение аналогично механическим или ртутным реле, но с преимуществом гораздо более короткого временного цикла.
Выбор контроллеров мощности SCR
Существует три основных типа нагревательных нагрузок, подходящих для переключения с помощью SCR: (а) нагреватели с элементами с постоянным сопротивлением, (б) нагреватели с элементами с переменным сопротивлением и (в) нагреватели с трансформаторной связью (в основном, это индуктивные нагрузки). Нагрузка может быть однофазной, двухфазной или трехфазной (с двумя или тремя этапами).
В целом, для выбора контроллера необходимо определить:
- Требования к току и напряжению, а также конфигурацию нагрузки (однофазная, двухфазная или трехфазная).
- Режим управления в зависимости от типа нагрузки и нагрева. Режимом управления может быть контроль напряжения, контроль тока или контроль мощности.
- Требуемый режим включения, в зависимост и от типа нагрузки, которую нужно переключать.
Использование контроллеров мощности на полупроводниковых и промышленных рынках
Полупроводниковая отрасль промышленности известна быстрым циклом разработки продукции. Основными целями всегда было снижение себестоимости производства, повышение производительности и уменьшение размеров чипов. За технологическими целями стоит поиск узлов меньшего размера. Однако эти тенденции могут привести к существенным технологическим препятствиям на пути реализации, поэтому для производства чипов требуются более совершенные средства.
Стремление к дальнейшему уменьшению размеров ускорило изменения в сфере разработки материалов и методов, используемых для производств. В результате процесс стал более сложным благодаря использованию химикатов, изменениям в условиях эксплуатации и другим факторам. Поэтому требования к контролю температуры и точным высоковольтным устройствам становятся все более жесткими. Усовершенствованные решения для управления мощностью и тепловыми процессами от Advanced Energy дадут OEM-производителям реальное преимущество с точки зрения производственных возможностей и повысят производительность средств производств полупроводников.
Для полупроводниковой отрасли точные измерения и контроль температуры пластин являются обязательными в большинстве производственных процессов, в частности, при быстрой термообработке (RTP) и создании эпитаксиальных полупроводниковых пластин кремния (EPI). Advanced Energy предлагает передовые решения самых сложных задач персонально для каждого клиента. Надежное и универсальное семейство контроллеров мощности SCR Thyro обеспечивает высокое качество, надежность и воспроизводимость в критических задачах, обеспечивая точные профили температуры и улучшенные средства управления тепловым процессом.
- Усиленный тиристорный переключатель Thyro-S® (SCR) с высокой скоростью переключает электрическую нагрузку по току, напряжению и мощности. Разработанный с учетом требований к простоте монтажа и эксплуатации, может быть легко интегрирован в широкий спектр областей применения. Имея номинальное напряжение 230 В, 400 В и 500 В и номинальный ток от 16 до 280 А, может подключаться ко многим промышленным шинам (PROFIBUS® DP, DeviceNet®, Ethernet/IP® и др.)
- Цифровой контроллер мощности Thyro-A® с универсальным интерфейсом нагрузки и источника питания точно и надежно регулирует мощность при использовании RTP, EPI и во многих других областях применения. Рассчитан на напряжение до 600 В и ток 1500 А, а за счет оснащения встроенными полупроводниковыми предохранителями обеспечивает высокое сопротивление току короткого замыкания и напряжению блокировки.
Выводы
Имеются бесконечные преимущества применения средств SCR перед другими методами контроля температуры. Вот лишь некоторые из них:
- Максимально точное технологическое управление (PID)
- Повышенная скорость отклика
- Увеличенный срок службы нагревателя
- Уменьшенные затраты на обслуживание
- Сниженное энергопотребление
