Широтно-импульсная модуляция в силовой электронике

July 21, 2013 by admin Комментировать »

Если источник питания, показанный на схеме Рис. 13.1, быстро подключать к нагрузке и отключать от нее, то получатся графики напряжения, приведенные на том же рисунке внизу. Изменением рабочего цикла включено-выключено в этой схеме можно получить среднее значение напряжения на нагрузке от (почти) нуля до (почти) полного напряжения питания. Слово «почти» добавлено потому, что реальные ключи всегда имеют минимальное время включенного и выключенного состояний, которые не позволяют достичь средним напряжением на нагрузке точно нуля или точно полного выходного напряжения источника питания. Ключи могут быть полностью включены или выключены, но на краях диапазона регулировки всегда существуют маленькие зоны нарушения работы ключей.

Рис. 13.1. Основыширотпо-импулъсноймодуляции

Ограничения, накладываемые необходимостью использования переменного тока или искусственной коммутации, не позволяют применять тиристоры в системах с широтно-импульсной модуляцией. Это стало побудительным мотивом к разработке запираемых тиристоров (GTO — Gate Turnoff Thyristor). Для запирания этих тиристоров используется сигнал с большой импульсной мощностью, но с малой средней. Существуют запираемые тиристоры на большие токи и напряжения, и они нашли несколько ниш в разных областях применения, где их характеристики являются предпочтительными. Однако они остаются очень дорогими и не могут быть отнесены в настоящее время к промышленным изделиям широкого применения.

Другим представителем семейства запираемых тиристоров является тиристор с интегралънъш управлением (IGCT — Integrated Gate Controlled Thyristor). В этих тиристорах прерывание анодного тока достигается при подаче в цепь управляющего электрода тока, большего, чем анодный. При питании цепи управляющего электрода от низковольтной цепи управления для получения в ней больших токов требуется обеспечить очень маленькую индуктивность этой цепи. Для этого приходится встраивать схему управления непосредственно в корпус тиристора. Энергия, требуемая для выключения этих тиристоров, запасается в специальных низковольтных электролитических конденсаторах с высокой плотностью энергии, известных под названием «суперкап». Однако, хотя данные тиристоры успешно применяются в некоторых высоковольтных установках, их также нельзя отнести к промышленным изделиям широкого применения. Оба этих типа запираемых тиристоров уступают обычным тиристорам по ряду параметров. Проводящее состояние в них не прекращается просто так, а требует специального управления.

Многолетние разработки в области мощных транзисторов привели к прорыву, когда полевой транзистор «поженили» с обычным биполярным. Результат этого брака, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT — Isolated Gate Bipolar Transistor), быстро занял ведущее положение во многих областях применения. Это было обусловлено рождением множества силовых электронных систем, в которых использовалась работа в ключевом режиме. IGBT-транзисторы способны работать на частотах, на много порядков превышающих рабочие частоты тиристоров, хотя самые мощные IGBT-транзисторы несколько ограничены гю максимальным частотам.

В состав IGBT-транзистора входят p n -p (~ и п о л я p н ы й мощный транзистор и полевой транзистор, и при этом используются наилучшим образом достоинства обоих этих приборов. Они могут работать при очень больших уровнях мощностей, а так как управление осуществляется по цепи затвора полевого транзистора, ток в ней равен нулю. На Рис. 13.2 приведены эквивалентная схема IGBT-транзистора и его выходные вольт-амперные характеристики. При увеличении напряжения затвор—эмиттер через IGBT-транзистор начинает протекать ток, и этот ток увеличивается при увеличении напряжения коллектор—эмиттер. При не очень больших напряжениях затвор—эмиттер после достижения некоторого значения напряжения коллектор—эмиттер рост тока прекращается, однако при достаточно большом напряжении затвор—эмиттер наступает насыщение, и напряжение коллектор—эмиттер лишь незначительно растет с увеличением тока коллектора. Хотя IGBT-транзисторы и способны работать в качестве линейных усилителей, почти всегда они используются в ключевом режиме, причем в режиме насыщения напряжение управления выбирают настолько большим, чтобы обеспечить минимальное падение напряжения на транзисторе. Типовое значение падения напряжения на IGBT-транзисторе составляет около 3 В. В настоящее время производятся IGBT-транзисторы, способные работать при напряжении до 6000 В и токе до 2000 А. Большинство больших IGBT-транзисторов имеют пластмассовые корпуса с встроенным основанием кристалла, служащим для соединения с теплоотводом. Сама транзисторная структура состоит из множества маленьких IGBT-транзисторов, соединенных между собой параллельно. С внешними выводами соединение выполняется с помощью приваренных проволок. Многие типы IGBT-транзисторов имеют встроенный диод, включенный антипараллельно транзисторной структуре.

Рис. 13.2. Эквивалентная схема ЮВТ-транзистора и его вьаодные вольт-амперныехарактеристики

Внешние цепи IGBT-транзисторов должны обеспечивать возможность их быстрого переключения. Время выключения может быть всего 500 нс, что при токе в несколько тысяч ампер создает в цепи внушающие страх уровни di/dt. Для исключения возникновения перенапряжений на транзисторах абсолютно необходимо, чтобы все паразитные индуктивности в цепях IGBT-транзисторов имели минимально возможное значение. Кроме того, необходимо исключать протекание через IGBT-транзисторы чрезмерных токов при выходе из режима насыщения, когда выделяемая на транзисторе мощность способна вывести его из строя за несколько микросекунд. А еще быстрое выключение напряжения управления может создать чрезмерную di/dt и перенапряжения при выключении системы из-за аварии. В общем разработчик должен, управляя скоростью изменения сигнала на затворе при выключении ЮВТ-транзистора, найти баланс между необходимостью ограничения рассеиваемой мощности и броска напряжения.

Из всего изложенного выше можно было бы заключить, что IGBT-транзисторы являются хрупкими созданиями, но это не так. IGBT-транзисторы доказали свое право на жизнь в качестве ключевых элементов в преобразователях для питания двигателей переменного тока мощностью более 20000 л. с. и понижающих преобразователях постоянного напряжения для электродуговых печей мощностью более 100 МВт. Это надежные приборы.

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