Фазовое управление

July 23, 2013 by admin Комментировать »

Изобретение ртутных управляемых выпрямителей в 1920 г. сделало возможным управление напряжением на нагрузке путем изменения угла проводимости выпрямителя. Несколькими годами позже было освоено производство газонаполненных тиратронов, которые позволили использовать этот принцип управления напряжением и в маломощном оборудовании. Эти приборы использовались в драйверах электродвигателей, сварочном оборудовании и множестве других областей, но их недостаточная надежность и коэффициент полезного действия вкупе со сравнительно высокой ценой ограничивали их применимость.

Другой группой приборов, реализовывавших идеи фазового контроля, были реакторы с регулировкой насыщения магнитопровода и магнитные усилители. Реакторы с регулировкой насыщения использовались много лет в приложениях, которые допускали их низкое быстродействие. Существенное улучшение их характеристик было достигнуто после освоения производства магнитных материалов с прямоугольной петлей гистерезиса. В начале 50-х гг. прошлого века комбинации из магнитных усилителей и селеновых выпрямителей с малыми (по тем временам) токами утечки использовались даже в системах автоматического пилотирования военных самолетов, и все же их низкое быстродействие и большой вес делали эти приборы далекими от идеала.

Тиристоры

Разработка тиристоров (кремниевых управляемых выключателей) в конце 50-х гг. 20-го века породила массу новых систем в силовой электронике. Применение тиристоров не только сделало возможным выпрямле

ние больших значений переменного тока и напряжения, но и позволило управлять выходными параметрами выпрямителей с использованием маломощных сигналов. А время отклика при управлении с применением тиристоров уже определялось только частотой в линии электропитания. Быстрое развитие и совершенствование параметров тиристоров позволило к настоящему времени достичь уровней 10 кВ и 10 кА в одном приборе. Тиристоры могут быть соединены и последовательно, и параллельно, так что уровни управляемых напряжений и мощностей практически не ограниченны^.

Tиристор состоит из четырех слоев кремния pи n-типа, с выводом управляющего электрода, который служит для инициации лавинного пробоя при включении. На Рис. 10.1 приведена схема аналога тиристора, состоящая из двух транзисторов. В отсутствие сигнала на управляющем электроде эта схема проводит лишь незначительный ток утечки. При подаче между управляющим электродом и катодом напряжения управления тиристор переходит в проводящее состояние, в котором сопротивление между анодом и катодом очень мало. К аноду должно быть приложено напряжение положительной полярности по отношению к катоду. В проводящем состоянии тиристор находится до тех пор, пока не изменится полярность напряжения анод-катод.

Рис. 10.1. Эквивалентная схема тиристора и его волът-амперныехаракгперистики

В процессе включения тиристор проходит через переходной период, когда напряжение на нем еще велико, а ток уже большой. Для уменьшения потерь энергии и нагрева кристалла тиристора время переключения необходимо делать как можно меньше. Время полного включения тиристора

‘* О последовательном и параллельном соединении тиристоров подробнее см. гл. 11. — Примеч. пер.

занимает до нескольких микросекунд, что связано с распространением проводящей области в кристалле от зоны расположения управляющего электрода на всю площадь структуры. Тиристоры, способные работать при высокой скорости нарастания тока (di/dt), часто делают с полосообразными управляющими электродами.

Импульс управления тиристора обычно достигает нескольких ампер за 500 нс или даже за меньшее время, 5…10 мкс удерживается на этом или чуть меньшем уровне, а затем остается равным примерно 500 мА в течение времени, за которое завершается включение. Существует множество однои многоимпульсных вариантов управления тиристорами, но для всех них общим является использование для управления напряжения порядка нескольких десятков вольт и цепи ограничения тока. Для тиристоров, предназначенных для работы при частотах выше обычных 50 или 60 Гц, а также способных работать при высокой di/dt, могут быть более экзотические требования по управлению. Конечно, необходимо тщательно изучать справочные данные изготовителей тиристоров, но вопросы потерь при включении не всегда берутся в расчет при работе на промышленных частотах. На Рис. 10.2 приведена типичная форма импульса управления тиристором. Сигнал управления на тиристор следует подавать через скрученную пару проводов или коаксиальный кабель.

Рис. 10.2. Типоваяформаимпульсауправления

Процесс выключения тиристора лишь немногим сложнее его включения. Проводимость тиристора возможна при наличии носителей заряда в кремнии, и, прежде чем тиристор перейдет в запертое состояние, эти носители должны рассеяться (рассосаться). Пока носители заряда не рассосутся, тиристор способен проводить ток в обратном направлении так же, как и в прямом. В технической документации на тиристоры обычно приводятся два параметра, относящихся к процессу выключения. Это заряд обратного восстановления QRR и максимальный обратный ток /RR. Оба этих параметра зависят от температуры кристалла и скорости изменения тока в цепи при переходе его через ноль и изменении полярности.

Процесс восстановления сопротивления тиристора может быть промоделирован с использованием простейшей компьютерной программы. На Рис. 10.3 приведен график, описывающий этот процесс, предложенный Валдмейером (Waldmeyer) и Бэклундом (Backlund) из ABB semiconductor operation, Швейцария. Для определения di/dt цепи тиристор первоначально представляется короткозамкнутым. Ток в цепи уменьшается до нуля, изменяет полярность и достигает значения 1Ш. Время от момента перехода тока через нуль до достижения значения IRR, tx, равно IRR/(di/dt), а накопленный за это время заряд Qi равен (/RR£x)/2После достижения максимального значения /RR обратный ток через тиристор спадает по экспоненциальному закону до нуля. Если рассчитанное выше значение Qj вычесть из QRR, взятого из технической документации, то получится Q2Ток в процессе его спада описывается выражением i = /RRe_/T, где t — время от момента достижения током значения IRR, а x = Q-i/hmВ самом начале скорость спада этого тока dir/dt равна /RR/t. Отметим, что она может быть в несколько раз больше di/dt цепи, что способно привести к возникновению бросков напряжения на тиристоре. Приведенное выше описание запирания тиристора является, конечно, весьма упрощенной версией реальных процессов, но вполне достаточно для расчета демпфирующих цепей.

Рис. 10.3. Ток через тиристор при его выключении

На Рис. 10.3 показан ток через тиристор, а напряжения в цепи остались за кадром. Их можно определить с помощью эквивалентной схемы, приведенной на Рис. 10.4. В этой схеме параллельно тиристору включена демпфирующая цепь, состоящая из последовательно соединенных резистора и конденсатора. Такая цепь почти всегда требуется в схемах с тиристорами. Индуктивность в цепи тиристора определяет скорость изменения тока через него при выключении. Вначале, пока тиристор еще проводит ток в обратном направлении, ЛС-цепь им замкнута и токи I\ и /2 равны между собой, а ток /3 = 0. Токи I\ и /2 возрастают до значения /RR тиристора, а затем тиристор начинает выступать в роли источника тока с током /2, уменьшающимся по экспоненциальному закону, как это показано на Рис. 10.3. Параметры цепи могут быть найдены путем численного решения системы уравнений, приведенных на Рис. 10.4.

Рис. 10.4. Эквивалентная схема тиристора с демпфирующей цепью и описывающие ее

уравнения

Моделирование этой цепи дает массу интересных и полезных результатов. Самым важным является амплитуда броска обратного напряжения, попадающего на тиристор. Демпфирующая цепь должна быть рассчитана так, чтобы броски напряжения в схеме не превышали максимально допустимого обратного напряжения тиристора, т. e. обеспечивались хорошие демпфирующие свойства этой цепи. В расчет следует принимать и цену конденсатора, который должен быть предназначен для применения в цепях переменного тока, и выделение мощности на резисторе, который должен быть безындуктивного типа. Следует принимать во внимание и ограничение на значение di/dt тиристора, которое диктует необходимость снижения тока разряда конденсатора в демпфирующей цепи при включении тиристора. При определении мощности, выделяющейся на резисторе, следует учитывать потери как при выключении тиристора, так и при его включении. Отметим, что во множестве схем используется несколько демпфирующих цепей, взаимодействующих между собой, и значения их емкостей и сопротивлений должны учитываться при моделировании и расчетах. Например, для трехфазного двухполупериодного преобразователя эквивалентное сопротивление Кщ равно 3R/5, где R — номинальное сопротивление в каждой из демпфирующих цепей. Эквивалентная емкость Сщ равна 5C/.3. Из этих соотношений можно определить и номинальные значения сопротивления, и емкости в демпфирующих цепях. Для уменьшения последовательной индуктивности демпфирующие цепи следует устанавливать как можно ближе к тиристору.

Некоторые изготовители приводят параметр «s», который может быть использован для определения постоянной времени спада тока. Максимальная скорость спада тока di/dt при этом равна скорости уменьшения тока в цепи di/dt, деленной на значение «s». Для тиристоров типовое значение «5» составляет 0.33, адля некоторыхдиодов — всего 0.1. Постоянная времени в экспоненте, т, равна, как и ранее, /RR/(di,/dt).

Очень важно, чтобы обратное напряжение на тиристоре в процессе его восстановления не превысило рабочего напряжения варистора, используемого для защиты от перенапряжений при переходных процессах. В противном случае возможен перегрев и разрушение варистора. Варисторы предназначены для защиты только от редких случайных перенапряжений, и не могут работать при повторяющихся бросках напряжения, таких как при восстановлении тиристоров.

Энергия, выделяющаяся при восстановлении тиристоров, может быть определена путем интегрирования по времени произведения /RR-VR. Однако для больших тиристоров это не тривиальная задача даже на промышленных частотах. Обычно эти потери, в зависимости от тока и угла проводимости на промышленной частоте, приводятся изготовителями в технической документации на тиристоры. А вот при работе на высоких частотах из-за того, что данные потери пропорциональны частоте, определение этих потерь требует самого серьезного отношения.

Прямое падение напряжения

Зависимость прямого падения напряжения на тиристоре во включенном состоянии от тока имеет нелинейный вид. В то же время именно это падение напряжения определяет максимально допустимый ток тиристора. Большинство изготовителей тиристоров в технической документации приводят семейство зависимостей этого тока от угла проводимости. В случаях, когда режим применения тиристора не подходит под имеющиеся зависимости, приходится рассчитывать потери исходя из формы импульсов тока и зависимости прямого падения напряжения от тока. Например, в трехфазной мостовой схеме тиристор проводит ток около 120° за каждый период. Для расчета потерь следует проинтегрировать произведение I V с учетом реальной формы тока и напряжения. Для получения среднего значения потерь за период результат интегрирования надо разделить на 3. Необходимо отметить, что потери нельзя определить, используя только средний ток.

Сравним потери у двух идентичных тиристоров, работающих с разными рабочими циклами. Пусть у первого рабочий цикл составляет 10% при токе 100 А, так что средний ток равен 10 А, а у второго рабочий цикл — 100%, и через него течет постоянный ток 10 А. Предположим, что сопротивление тиристора равно 0.1 Ом. Тогда у первого тиристора импульсная рассеиваемая мощность окажется равной 1000 Вт, а средняя — 100 Вт, в то время как у второго — только 10 Вт. При этом пиковая температура кристалла у первого тиристора будет более чем в 10 раз выше, чем у второго.

Приведенные выше соображения имели своей целью обратить внимание читателя на необходимость тщательного изучения технической документации и другой доступной литературы для правильного конструирования тиристорных схем.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты