Все лекции по ЭУиСТ ЭПУ РЭС / 7- ЭПУ РЭС (Мягк. ком, Тир. И)

Тема: Методы снижения потерь в транзисторе

Потери в транзисторе в ключевом режиме:

Р_нас = Р_нас + P_отс + P_пер

• насыщение: Р_нас ≈ U_{КЭ НАС} ∙ I_{К НАС}

• отсечка: P_отс ≈ U_{КЭ max} ∙ I_{К ОБР}  0

• переключение: P_пер ≈  U_{КЭ max} ∙ I_{К НАС} ∙ _фр ∙ f _пер

1. Использование реакторов

2. «Мягкая» коммутация транзистора

Переход на ключевой режим работы силовых транзисторов позволил значительно снизить потери энергии и габариты проектируемых устройств. Но возникла новая сложная проблема. Дело в том, что ключ (силовой транзистор в ключевом режиме) это генератор помехи с частотой переключения. Резкое повышение частоты переключения (в настоящее время до одного МГц) привело к вторжению этой помехи (и её верхних гармоник) в работу устройств – потребителей поставляемой энергии, внесение искажений в передаваемую, принимаемую и обрабатываемую информацию. То, что потребителем рассматривается как помеха, это переходные процессы которые проявляют себя при коммутации транзистора, т.е. при переходе из одного состояния в другое (насыщение – отсечка). Идея «мягкой» коммутации реализуется в квазирезонансных (собственная частота контура равна частоте переключения) и резонансных (собственная частота контура намного больше частоты переключения). Кроме того, в однотактных ППН реализуется режимная «мягкая» коммутация, при которой за счёт выбора величины индуктивности (вторичной обмотки трансформатора, реактора СФ) транзистор включается «мягко», без потерь энергии и переходных процессов

«помеха»

Переходные

процесс

Цель «мягкой» коммутации в том, чтобы энергию, которая тратится на переходные процессы, сделать равной нулю и, тем самым, ликвидировать «помеху» в самом источнике питания.

P_{ПОТ. НАС} = U_{КЭ НАС} ∙ I_{К НАС}

• Идея «мягкой» коммутации в том, чтобы ток коллектора I_{К НАС} или напряжение коллектор-эмиттер насыщенного транзистора U_{КЭ НАС} в моменты включения и выключения (смена состояний: -отсечка-насыщение-отсечка-) были равены нулю. Тогда потери мощности (энергии) будут равны нулю

• Смена состояний сопровождается переходными процессами, длительность и амплитуда которых определяется обменом энергией между паразитными емкостями и индуктивностями, проявляющими себя на высоких частотах переключения. Длительность переходных процессов, как правило, значительно меньше длительности импульса (времени насыщенного состояния), поэтому потребителем он рассматривается как помеха с периодом повторения Т_пер

P_{ПОТ. НАС}  0

 U_{КЭ НАС}  0

 I_{К НАС}  0

Для реализации «мягкой» коммутации необходимо изменить траекторию тока коллектора I_{К НАС} (или напряжение U_{КЭ НАС} ) насыщенного транзистора: в пределах импульса ток коллектора должен изменяться по синусоидальному закону от нуля в начале до нуля в конце импульса. Для этого инвертор нагружается на резонансный фильтр, собственная частота которого равна частоте переключения транзистора. Контур устанавливается после выпрямителя и работает только в пределах импульса

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

i_{K НАС} (t) = I_{К НАС} ∙ Sin _прt

0 ≤ t ≤ t_имп

U_{КЭ НАС} (t) = U_{КЭ НАС} ∙ Sin _прt

0 ≤ t ≤ t_имп

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Тема: Параллельный тиристорный инвертор

-

i _Тир1 = i _Сk^/ + i _W1^//

i _Тир2 = i _Сk^// + i _W1^//

U_{Ск m} = U_ПОС + | e_W1 | ≈ 2 U_ПОС

Инвертор напряжения

(L  max)

t

Инвертор тока

(L  min)

t_восст ≥ 2 t_{выкл. тир.} (справочник)

| i _Тир  0

Схема коммутации тиристоров включает тиристоры, подавая импульс на управляющий электрод с интервалом полпериода частоты переключения. Для выключения тиристора к нему необходимо приложить напряжение противоположной полярности: на анод – минус, а на катод – плюс.

Особенности работы

• Пусть схема коммутации открыла тиристор 1 (Тир 1) (тиристор2 закрыт). При этом начинает в соответствии с направление зарядного тока i _Сk^/ будет заряжаться конденсатор С_К . На верхней обкладке конденсатора появляется отрицательный потенциал (минус) , на нижней обкладке – положительный (плюс).

Через полпериода схема коммутации включает тиристор 2 и незначительную часть периода оба тиристора находятся в проводящем состоянии. При этом плюс с нижней обкладки конденсатора через открытый тиристор 2 (Тир 2) поступает на катод тиристора 1. Происходит переполюсовка: на катоде Тир 1 – плюс, а на аноде – минус (с верхней обкладки конденсатора С_К. Тиристор 1 запирается и начинается заряд конденсатора С_К током i _Сk^// противоположного направления.

Таким образом, конденсатор С_К это механизм запирания тиристоров.

• На коммутирующем конденсаторе С_К имеет место удвоенное напряжение источника (ЭДС + U_ПОС) - амплитудное значение

• Время, в течение которого проводят оба тиристора должно быть мало, чтобы исключить заход инвертора в режим «опрокидывания». Если это условие не выполняется, то начинается резкий рост тока через тиристоры, магнитопровод трансформатора заходит в зону насыщения (режим, близкий к короткому замыканию). Потери мощности резко растут и элементы инвертора выходят из строя.

• Для исключения режима «опрокидывания» принимаются следующие меры:

1. Включается коммутирующая индуктивность (реактор L_K). ПротивоЭДС реактора препятствует росту тока через тиристоры, снижая скорость роста тока

2. Значение индукции материала магнитопровода выбирается в пределах ≤ 0.3 В_S индукции насыщения (в линейной зоне кривой характеристики В_S = f (I_H) с тем, чтобы оставался большой участок линейной зоны до захода в насыщение при росте тока тиристора

3. Выбирать значение ёмкости коммутирующего конденсатора С_К из соотношения:

t_восст ≥ 2 t_{выкл. тир.}

i_Тир 0

где t_восст - время спада тока тиристора до нуля (момент запирания тиристора) при разряде конденсатора С_К .

( из справочника для выбранного типа тиристора),

Недостатки

• Большой объём трансформатора как из-за низкой величины индукции магнитопровода, так и большой мощности, на которую проектируется инвертор

• Низкий коэффициент мощности из-за наличия в основном реактивных элементов в составе инвертора

• Низкая частота переключения из-за большой инерционность элементной базы, низкой граничной частоты тиристоров и большой инерционности элементной базы

• Невозможность получения на выходе инвертора переменного напряжения прямоугольной формы

U_ПОС

t

U_У1

t

U_У2

t

i _Тир1

t

U_Ск

U_Скm ≈ 2 U_ПОС

U_{ТИР 1}

t_восст

t_восст

Тиристор закрыт

Разряд конденсатора ( i _Тир1  0 )

t

t