Encyklopedia

Aby silnik pojazdu elektrycznego mógł pracować z prędkością wymaganą przez kierującego pojazdem, ważne jest sterowanie energią elektryczną przekazywaną do niego przez urządzenie sterujące napędem. Z uwagi na niewielkie straty mocy własnej, w nowoczesnych pojazdach elektrycznych do sterowania silnikami trakcyjnymi dużej mocy używa się przekształtników lub falowników opartych o półprzewodnikowe elementy mocy, wśród których wiodącą rolę odgrywają obecnie: tranzystory i tyrystory. Zaletą tych elementów jest to, że za pomocą niewielkiego sygnału wejściowego, sterować można dużo większą energią elektryczną trafiającą z obwodu wysokiego napięcia do obciążenia (np. silnika asynchronicznego).

Budowa

W ogólności tranzystor opisać można jako półprzewodnikowy aktywny element przełączający. Zbudowany może być dwojako: w oparciu o 3 odmiennie domieszkowane warstwy półprzewodnika (NPN lub PNP – tranzystor bipolarny), lub kanał przewodzący z bryły półprzewodnika jednego typu (N lub P) sterowany polem elektrycznym bramki typu przeciwnego (P lub N) - tranzystor unipolarny. Definicja, że jest to element aktywny wynika z faktu, że do jego pracy potrzebne jest źródło zasilania, zaś bi- lub uni-polarność odnosi się do zróżnicowania ładunków elektrycznych w nim występujących. W tranzystorach bipolarnych za przepływ prądu odpowiadają zarówno ładunki ujemne, jak i dodatnie (prądy elektronowe i dziurowe), zaś w elementach unipolarnych są to zawsze ładunki jednego typu. W dosłownym tłumaczeniu skrót IGBT oznacza tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (Insulated Gate Bipolar Transistor), jego nazwa ma swoje podstawy w budowie - tranzystor IGBT stanowi połączenie obu podstawowych typów tranzystorów w monolitycznie zespolonej bryle półprzewodnika, czyli w jednej obudowie. Baza elementu sterowanego prądowo (bipolarnego) jest zasilana przez źródło sterowanego napięciem elementu polowego (unipolarnego). Emiter zaś jest wspólny z drenem. Taka konstrukcja wynika z potrzeby, dla której skonstruowano ten element przełączający, czyli do napięciowego załączania i odłączania dużych mocy (rzędu kilkuset kilowatów) przy częstotliwości pracy kilkudziesięciu kiloherców. Obecnie największe tranzystory IGBT pracują z częstotliwością rzędu 30kHz, wytrzymują napięcia przebicia do 6kV i sterują przepływem prądów rzędu 1kA. W urządzeniach przetwarzających duże moce elektryczne tranzystory IGBT często pracują parami, dlatego często stosowane są monolityczne moduły IGBT zawierające 2 tranzystory w jednej obudowie. Zalety tych tranzystorów, to łatwość sterowania przepływem dużego prądu za pomocą zmiany potencjału izolowanej bramki oraz mniejsze straty mocy przy pracy impulsowej niż w zwykłym tranzystorze bipolarnym.

Zastosowania tranzystorów IGBT

Tranzystory IGBT są stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest przełączanie dużych mocy elektrycznych z częstotliwościami rzędu dziesiątek kiloherców. Główne ich przeznaczenie to przekształtniki energoelektroniczne dużej mocy, czyli przetwornice napięcia, kształtowniki i falowniki. Coraz częściej stosowane są do sterowania układami napędowymi pojazdów z napędem elektrycznym z uwagi na umożliwienie zwiększenia ich sprawności względem konstrukcji starszych (np. opartych o rozrusznik oporowy – takie rozwiązanie stosowane jest w tramwajach rodziny 105N). Niestety tranzystory te, podobnie jak wszystkie półprzewodnikowe elementy przełączające, grzeją się podczas pracy. Dlatego też wymagają zastosowania dużych radiatorów oraz nierzadko wentylatorów w celu odprowadzenia ciepła. Urządzenia chłodzące zawsze towarzyszą układom napędowym pojazdów elektrycznych (tramwaje, lokomotywy, trolejbusy, autobusy z napędem hybrydowym).

Tranzystory IGBT w tramwajach

Dążenie do maksymalnej oszczędności energii elektrycznej skłoniły projektantów pojazdów do zbudowania przetwornic napięcia o niewielkich własnych stratach mocy, a także układów umożliwiających odzyskiwanie energii w procesie elektrycznego hamowania dynamicznego. Obecnie najczęściej stosowanym rozwiązaniem są silniki prądu stałego, których sterownie oparto o przekształtnik napędowy z tyrystorami GTO oraz asynchroniczne silniki trakcyjne sterowane falownikiem z tranzystorami IGBT. Ten sposób przekazywania energii silnikom napędowym stosuje obecnie większość producentów wagonów tramwajowych. W oparciu o falowniki z tranzystorami IGBT budowane są zespoły napędowe tramwajów czeskiej Skody (14T, 16T), bydgoskiej Pesy (120N, 121N, 122N), poznańskiej FPS H. Cegielski (123N), wrocławskiego Protramu (204WrAs, 205WrAs), a także Bombardiera (NGT6), chorzowskiego producenta Alstom-Konstal (116Nd), również niektóre wersje czeskich Tatr (K2T, K2S) oraz wiele innych. Podobne moduły sterujące wózkami napędowymi oparte o tranzystory IGBT montowane są w wielu modernizowanych wagonach starszego typu. Przykładem mogą być tu zmodernizowane wagony 105NCh z Gdańska (4 składy w tym 2 potrójne), zmodernizowany we Wrocławiu skład 105NWrAs (będący elektrycznym prototypem wagonów 204WrAs), Tatry T5C5 eksploatowane i modernizowane w Budapeszcie, wreszcie skład 805N zmodernizowany przez firmę Woltan dla Łodzi oraz liczne modernizacje warszawskie wagonów rodziny 105N. Zarówno w łódzkich 805N, jak i warszawskich 105N-MW zamontowano impulsowy układ rozruchu z tranzystorami IGBT, pozostawiono jednak silniki prądu stałego. W innych warszawskich wagonach określonych oznaczeniem 105N-MWAs zamontowano już silniki asynchroniczne prądu przemiennego STDa-200L4, ciekawostką jest to, że wagony te przebudowano ze składu typu 106Na wyprodukowanego w 1992 roku. W szczecińskich tramwajach do 2008 roku tranzystory IGBT w układach napędowych nie występowały. Stosowane jednak były jedynie w mniejszych urządzeniach takich jak: przetwornice statyczne realizujące ładowanie akumulatorów oraz chłodzenie rozrusznika oporowego, a także nowszych wersjach przekształtników napięcia pokładowego 40/26V zasilających instalację kasowników, tablic elektronicznych i autokomputera. Sytuacja zmieniła się w 2008 roku, kiedy na szczecińskich torach pojawił się nowy skład, który zyskał oznaczenie 105N/S/HF/09. W tramwaju tym zastosowano co prawda napędowy przekształtnik tyrystorowy, jednak tranzystory IGBT pojawiły się w układzie hamowania. Warto wspomnieć również, że w 2011 roku w Tramwajach Szczecińskich pojawić się mają pierwsze wagony tramwajowe wykorzystujące nowe napędy z asynchronicznymi silnikami trakcyjnymi.

Największą konkurencję dla falowników energoelektronicznych opartych o tranzystory IGBT stanowią obecnie układy wykorzystujące zamiast nich tyrystory typu GTO (Gate Turn-Off – wyłączalny prądem bramki), jednak producenci napędów elektrycznych stopniowo odchodzą od tych elementów na korzyść tranzystorów IGBT, z uwagi na łatwiejsze sterowanie tymi elementami.