Министерство образования и науки Украины

Донецкий национальный технический университет

Автономные преобразователи

(конспект лекций)

Донецк, 2010

1. Основные задачи преобразовательной техники

Преобразовательная техника, которая в последние годы стала называться силовой электроникой, является областью электротехники, в которой изучаются свойства преобразователей, построенных на силовых полупроводниковых приборах (диодах, тиристорах, мощных транзисторах).

Основным назначением полупроводниковых преобразователей является преобразование параметров, характеризующих электрическую энергию. К этим параметрам относятся:

- тип и форма напряжения и тока;

- величина напряжения и тока;

- частота;

- число фаз.

Кроме силовых полупроводниковых элементов в состав преобразователя, как правило, входят и другие элементы:

- реактивные элементы – конденсаторы, катушки индуктивности, дроссели;

- силовые трансформаторы, измерительные трансформаторы;

- система управления силовыми элементами;

- система защиты полупроводниковых приборов.

Силовые полупроводниковые элементы в преобразователях работают в ключевом режиме. Роль полупроводникового ключа заключается в коммутации различных частей схемы. С этой точки зрения ключ должен обладать идеальными свойствами: он должен мгновенно, при нулевой мощности управления переключать большие токи и блокировать большие напряжения, иметь нулевое остаточное напряжение и нулевые токи утечки. Реальные ключи лишь в той или иной степени приближаются к идеальным.

Классификация силовых полупроводниковых элементов показана на рис.1.1.

1. Силовые полупроводниковые диоды

Для выпрямления переменного тока промышленной частоты используются плоскостные диоды, имеющие большую площадь p-n перехода.

Вольтамперная характеристика диода (рис.1.2.) в открытом состоянии описывается линейным уравнением:

,

где – напряжение отсечки p-n перехода;

динамическое сопротивление p-n перехода в прямом направлении. В закрытом состоянии обратный ток диода принимается равным нулю.

Силовые диоды характеризуются набором статических, предельно допустимых и динамических параметров.

Динамические параметры определяются при переключении диода, под действием разнополярного напряжения прямоугольной формы (рис.1.3).

При включении из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде нарастает в течение времени . Совместно с нарастанием тока в диоде снижается напряжение на диоде, которое после становится равным и в цепи устанавливается стационарный режим.

При выключении полярность напряжения источника меняется на противоположную. Однако заряды, накопленные на границе p-n перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на противоположное. В течение времени происходит рассасывание зарядов на границе p-n перехода, т.е. разряд эквивалентной ёмкости. После интервала времени начинается процесс восстановления запирающих свойств p-n перехода. Процесс восстановления продолжается в течение времени , после чего ток диода становится равным нулю, а напряжение на диоде достигает значения .

Рассмотрение процессов включения и выключения диода показывает, что он не является идеальным ключом и в определённых условиях обладает проводимостью в обратном направлении. Мощность потерь в диоде резко возрастает в момент включения и особенно в момент выключения. Для снижения этих потерь и обеспечения надёжной работы диода применяются специальные схемы формирования динамических процессов – снабберы. Простейшая схема снаббера – цепь из последовательно включённых резистора и конденсатора, подключённая параллельно диоду.