Казачковський_аппч2

Одним із напрямків розвитку електроніки, у тому числі силової, є збільшення ступеня інтеграції елементів. Інтеграція силових ключів відбувається шляхом об’єднання в одному корпусі (або навіть кристалі) керованого ключа зі зворотним діодом, кількох ключів і навіть силової частини всього перетворювача у цілому. Силові виводи такого модуля (або силової інтегральної схеми) електрично ізольовані від його основи, що дає можливість монтажу кількох модулів на спільному радіаторі. Усе це забезпечує зменшення габаритів та ціни, спрощує конструкцію, збільшує надійність засобів перетворювальної техніки. Крім того, позбавлення зовнішніх міжелементних з’єднань у силовій схемі сприяє зменшенню паразитних індуктивностей монтажу, обумовлених ними перенапруг та зростанню швидкодії схеми.

На рис. 1.17 наведені деякі варіанти схем силових інтегральних модулів: діодних (а…д), діодно-тиристорних (г…ж), тиристорних (з…к), IGBT (л…ц). Тиристорні та діодно-тиристорні модулі можуть бути також побудовані на базі оптотисторів, а транзисторні – на базі біполярних (схеми л, р) та польових (л…ц) транзисторів. Використання подібних модулів дає змогу за допомогою одного елемента реалізувати силову схему випрямляча (г, д) або

Символ  означає, що в даному підрозділі є розрахункові приклади

21

його фази (в, є, к), фазу переривника змінної напруги або безпосереднього перетворювача частоти (є, з, і, к), переривник постійної напруги (м…у), фазу автономного інвертора напруги (р) або інвертор цілком (у, ч), а також двоступеневий перетворювач частоти з гальмівним ключем (ц) та без нього (ф, х).

Зі збільшенням потужності модулів

ступінь інтеграції зменшується. Так, IGBT-модулі за схемою повних трифазних інверторів (рис. 1.17,ч) виготовляються на струми до 300 А, подвійні ключі за схемою рис. 1.17,р – на 400…900 А, за схемою рис. 1.17,у – 900…1800 А. Для більших струмів використовують поодинокі ключі (рис. 1.17,л), а також та їх паралельне та послідовне з’єднання.

Комутована сучасними IGBT-модулями потужність сягає 5 МВА.

У MOSFET, GTO та BPT-модулях зворотні діоди реалізовані в одному кристалі кремнію разом із керованим ключем, у модулях IGBT – в окремому кристалі, розташованому у спільному корпусі. Випускаються модулі, які містять у собі датчики температури напівпровідникової структури, струму та напруги колектора, сигнали від яких можуть бути подані до схеми захисту.

Конструкція тиристорного модуля зображена на рис. 1.4,г, IGBT – на рис. 1.18.

Для двоключових IGBT-модулів розроблені спеціальні схеми снаберів (рис. 1.19), оскільки застосування окремих снаберів для кожного транзистора призводить до збільшення динамічних втрат. З модулями на струми 10…100 А використовують схему рис. 1.19,а, на струми 150…30 А – схему рис. 1.19,б, на струми, більші від 400 А – схему в. У схемах а, б конденсатори не розряджаються під час кожної комутації, а реагують лише на короткочасні перенапруги, обумовлені паразитними індуктивностями монтажу.

Рис. 1.19. Снабери двоключових IGBT-модулів

Приклад 1.1. Вольт-амперна характеристика IGBT-модуля

Зняті експериментально вольт-амперні характеристики IGBT-модуля за схемою рис. 1.17,н подані на рис. 1.20 (чорні точки – діод, білі – транзистор). Шляхом лінійної апроксимації знайти порогові напруги та динамічний опір обох приладів. Використавши результати апроксимації, розрахувати по-

23

Потужність втрат

P UпорVT IrдVT I 0,6 UпорVD IrдVD I 0,4= =(2,3+1000 0,00333)1000 0,6+(1,9+1000 0,00283) 0,4=5270 Вт. 

1.8. Драйвери

Споживач силових ключів часто не в змозі забезпечити всіх вимог до форми керуючого імпульсу. Тому випускаються готові спеціальні пристрої – драйвери, які є вихідними каскадами системи керування перетворювачем та призначені для її узгодження з силовими ключами. До їхнього входу можна подавати логічні ТТЛабо КМОП-сигнали.

Функції драйверів:

формування імпульсів керування ключами потрібної форми та потужності виходячи з отриманого від системи керування логічного сигналу;

керування швидкістю перемикання ключів для зменшення перенапруг у силовій схемі шляхом стабілізації dU dt та dIdt за допомогою зворотних зв’язків (це дає можливість відмовитися від використання снаберів принаймні для IGBT-транзисторів);

гальванічна розв’язка кіл керування та затвору для підвищення стійкості до зовнішніх електромагнітних завад (для порівняно високовольтних ключів);

реалізація мертвого часу (див. п. 2.5);

захист ключа від аварійних режимів та їх індикація (може бути відсутня). Драйвери можуть реалізовувати захисти від:

перевищення струму колектора (стоку);

короткого замикання;

перенапруг на колекторі (стоці);

недонасичення (переходу з цілком відкритого стану до активного режиму);

зниження напруги живлення драйвера.

24

Класифікують драйвери за такими ознаками.

2.Спосіб передачі вхідного та вихідного керуючого сигналу:

без гальванічної розв’язки (до 1200 В);

із трансформаторною розв’язкою (до 1700 В);

з оптронною розв’язкою (понад 1700 В);

з оптоволоконною розв’язкою (понад 1700 В).

3.Спосіб передачі енергії та форми керуючого імпульсу:

спільна передача;

роздільна передача.

4.Конструктивне виконання:

в одному корпусі з силовим ключем (модулем);

у вигляді окремої інтегральної схеми.

До складу драйверів (рис. 1.21) можуть входити:

вузол гальванічної розв’язки ВГР, який приймає логічний сигнал від системи керування або контролера;

вузол узгодження ВУ, призначений для перетворення логічного сигналу на сигнал необхідного рівня та потужності (фактично – підсилювач);

формувач імпульсів керування ФІК, що остаточно формує сигнал керування та подає його до затвору ключа;

блок живлення БЖ вузлів драйвера (звичайно імпульсний).

Для оптичних розв’язок характерні, з одного боку, висока завадозахищеність, з іншого – нестабільність зі зміною температури, низький коефіцієнт передачі за струмом (особливо для діодних оптопар) та невисока швидкодія (для транзисторних). На користь трансформаторних розв’язок – висока напруга ізоляції (до 4 кВ), проте в них обмежені максимальна та мінімальна тривалості сигналу, а амплітуда вихідного імпульсу залежить від шпаруватості. Найдешевші драйвери без гальванічної розв’язки, найдорожчі – з оптоволоконним зв’язком.

Приклади схем формувачів імпульсів керування для транзисторів з ізольованим затвором наведені на рис. 1.22.

Доки у схемі рис. 1.22,а на вході присутній нульовий потенціал, транзистор VT1 закритий, а силовий ключ закритий поданим через відкритий VT2 негативним потенціалом від джерела –Е. Після надходження до входу схеми логічної одиниці замість VT2 відкривається VT1, який подає на затвор позитивний потенціал від джерела +Е.

25

У розглянутій схемі форма та енергія керуючого імпульсу передається від ФІК до затвору ключа роздільно. Крім того, є потенціальний зв’язок між джерелами живлення та силовим колом. Це не завжди зручно, оскільки не дає можливості використати спільні джерела для драйверів верхніх та нижніх ключів моста, керуючі входи які не мають спільної точки. Тому на виході ФІК вмикають імпульсний трансформатор (рис. 1.22,б). Після відкривання транзистора VT1 конденсатор заряджається від джерела через первинну обмотку трансформатора і до затвору ключа з вторинної обмотки надходить позитивний потенціал. Коли стани транзисторів міняються на протилежні, конденсатор розряджається через відкритий VT2, а ключ отримує негативний імпульс, який сприяє його закриванню. Використанням імпульсного трансформатора обумовлена необхідність широтного модулювання вхідного логічного сигналу високочастотною несучою. До складу ФІК IGBT-транзисторів можуть також входити пристрої, які контролюють напругу “колектор-емітер” та забезпечують потрібний темп перемикання ключа.

Рис. 1.22. Вихідні вузли драйверів силових транзисторів

Розміщують драйвери якнайближче до ключа, щоб мінімізувати паразитні індуктивності між вихідним каскадом драйвера та затвором ключа, які зменшують швидкість перемикання.

Формувачі імпульсів керування для двоопераційних тиристорів мають певну специфіку внаслідок особливих вимог до форми імпульсу керування.

Для малопотужних тиристорів такі ФІК виготовляються у вигляді силових інтегральних мікросхем, для потужних – на базі дискретних елементів. Як правило, вони мають потенціальну розв’язку з силовим колом. Основними вузлами ФІК є блоки вмикання та вимикання.

Формувачі класифікують за двома основними ознаками.

1)За кількістю джерел живлення:

з одним незалежним джерелом;

з окремими джерелами для вмикання та вимикання;

без незалежного джерела живлення (з живленням від анодного кола);

2)За наявністю та місцем розв’язки:

без розв’язки;

із розв’язкою у колі живлення;

26

тиристора подається невеликий негативний потенціал від конденсатора С1.

Після заряду конденсатора С5 струм керування знижується до рівня ICG і проходить лише резистором R11. Конденсатор С1 на інтервалі провід-

ності тиристора заряджений до максимальної напруги від вторинної обмотки трансформатора через діод VD1.

Після зняття вхідної напруги на виході D1.1 з’являється логічна одиниця. Починається заряд С4 через R7. На початку заряду різниця потенціалів U C 4 між його обкладинками невелика і на обох входах D1.2 присутні логічні

одиниці, на виході – нуль. Завдяки цьому протягом 100 мкс після початку вимикання тиристора існує заборона на його нове вмикання (нуль на нижньому вході D1.1). Транзистори VT1, VT 2 закриваються, а VT3...VT5 – від-

криваються. Конденсатор С1 розряджається через VT5 та керуючий електрод, формуючи негативний імпульс струму та забезпечуючи вимикання тиристора. Після його розряду до керуючого електроду надходить невеликий негативний потенціал від блока живлення.

1.9. Ключі та модулі з інтегрованою системою захисту

Ключі з інтегрованою системою захисту є подальшим розвитком силових IGBT та MOSFET-модулів і об’єднують у собі як силові (один із варіантів схем рис. 1.17), так і керуючі елементи. Складові частини таких ключів можуть бути реалізовані на одному (до 5 А, 500 В) або на кількох кристалах, однак у всякому випадку вони розташовані у спільному корпусі. Залежно від ступеня інтеграції та потужності розрізняють:

30