Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Силовые полупроводниковые приборы. Учебно-методическое пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИЛОВЫЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ПРИБОРЫ
Учебно-методическое пособие
НОВОСИБИРСК
2018
1
УДК 621.382(075.8)
С 365
Авторский коллектив:
А.Н. Решетников, А.В. Гейст,
Р.Ю. Дубкова, А.Г. Волков
Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент А.В. Удовиченко
канд. техн. наук, доцент Д.В. Макаров
Работа подготовлена на кафедре электроники и утверждена
Редакционно-издательским советом университета в качестве
учебно-методического пособия электротехники для студентов
II курса РЭФ, обучающихся по направлению 11.03.04 «Электроника
и наноэлектроника», профиль «Промышленная электроника»
С 365 Силовые полупроводниковые приборы: учебно-методи-
ческое пособие / А.Н. Решетников, А.В. Гейст, Р.Ю. Дубкова,
А.Г. Волков. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2018. – 60 с.
ISBN 978-5-7782-3501-4
Представлен цикл лабораторных работ по дисциплине «Силовые
полупроводниковые приборы». Содержание работ отражает часть
учебной дисциплины, в которой изучаются условия работы полупроводниковых приборов в составе силовых преобразователей. Рассмотрены вопросы теории, представлены описание структуры и принцип работы исследуемых схем. Приводятся основные соотношения в схемах и
программа исследования с использованием компьютерного моделирования.
УДК 621.382(075.8)
ISBN 978-5-7782-3501-4 © Решетников А.Н., Гейст А.В.,
Дубкова Р.Ю., Волков А.Г., 2018
© Новосибирский государственный
технический университет, 2018
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ................................................................................................................... 5
Принятые сокращения ............................................................................................. 6
Лабораторная работа № 1. Исследование влияния параметров
схемы на токовую и тепловую загрузку полупроводниковых диодов
в неуправляемом выпрямителе .......................................................................... 9
1.1. Принцип действия схемы .............................................................................. 9
1.2. Подготовка к лабораторному занятию ....................................................... 14
1.3. Порядок выполнения лабораторной работы .............................................. 16
1.4. Дополнительная обработка результатов численных экспериментов ..... 18
Контрольные вопросы ........................................................................................... 18
Лабораторная работа № 2. Исследование токовой и тепловой
загрузки тиристоров в однофазной мостовой схеме управляемого
выпрямителя однофазного тока при работе на RL-нагрузку ..................... 20
2.1. Принцип действия схемы ............................................................................ 20
2.2. Подготовка к лабораторному занятию ....................................................... 26
2.3. Порядок выполнения лабораторной работы .............................................. 31
Контрольные вопросы ........................................................................................... 32
Лабораторная работа № 3. Исследование условий работы
полупроводниковых приборов в прерывателе переменного тока,
работающего на мостовую схему выпрямления однофазного тока
в режиме стабилизации среднего значения тока нагрузки ......................... 34
3.1. Принцип действия схемы ............................................................................ 35
3.2. Подготовка к лабораторному занятию ....................................................... 41
3.3. Порядок выполнения лабораторной работы .............................................. 45
3.4. Контрольные вопросы. ................................................................................ 47
3
Лабораторная работа № 4. Исследование условий работы силовых
полупроводниковых приборов в Buck-Boost-преобразователе
постоянного напряжения ................................................................................... 48
4.1. Принцип действия схемы ............................................................................ 48
4.2. Алгоритм функционирования системы управления ................................ 52
4.3. Описание макета исследуемой системы .................................................... 53
4.4. Подготовка к лабораторному занятию ....................................................... 55
4.5. Порядок выполнения лабораторной работы .............................................. 56
Контрольные вопросы ........................................................................................... 58
Библиографический список .................................................................................. 59
4
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые приборы, применяемые в силовой электронике, работают в импульсном режиме, т. е. имеют два установившихся
состояния: открыт (проводит ток), закрыт (не проводит ток). Другими
словами, их еще называют ключи или вентили.
Силовые полупроводниковые приборы выпускаются двух видов: неуправляемые (диоды) и управляемые (тиристоры, транзисторы). Управляемые вентили подразделяются на два класса: с неполным управлением
(однооперационные тиристоры, симисторы) и с полным управлением
(двухоперационные тиристоры, полевые транзисторы и биполярные
транзисторы с изолированным затвором).
При протекании тока через прибор в нем выделяется мощность потерь, в результате чего прибор нагревается. Нагретый прибор отдает
тепло в окружающую среду. В состоянии установившегося теплового
равновесия количество выделяемого и отдаваемого тепла будет одинаковым. Если при этом температура полупроводниковой структуры
прибора окажется меньше предельно допустимой, он будет работать
надежно. В противном случае прибор выйдет из строя.
5
E
E
E
E
f
R
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
e
– мгновенное значение выпрямленного (постоянного) напряже-
d
ния (direct)
E – постоянная составляющая (среднее значение) выпрямлен-
()dav
ного напряжения (average value), в отечественной литературе
– переменная составляющая выпрямленного напряжения
de
– максимальное (амплитудное) значение выпрямленного
dm
напряжения
– среднее значение постоянного напряжения управляемого
dE
выпрямителя
– среднее значение выпрямленного напряжения при угле ре-
0d
гулирования
e
– мгновенное значение ЭДС питающей сети
2
– действующее значение ЭДС питающей сети
2
– амплитуда ЭДС питающей сети
2m
i
– мгновенное значение тока питающей сети
2
– частота напряжения питающей сети
с
U
– максимальное (амплитудное) значение обратного напряже-
Rm
ния (Reverse)
i
– мгновенное значение выпрямленного тока
d
I – постоянная составляющая (среднее значение) выпрямлен-
()dav
ного тока, в отечественной литературе
– переменная составляющая выпрямленного тока
di
I
– максимальное (амплитудное) значение выпрямленного тока
dm
– резистивная нагрузка в звене постоянного тока
d
= 0
I
срd
E
срd
6
L
– индуктивный сглаживающий фильтр в звене постоянного тока
J
J
J
A
d
X
– индуктивная нагрузка в звене постоянного тока
d
i
– мгновенное значение анодного тока (anode)
a
I
– максимальное (амплитудное) значение анодного тока
am
I – среднее значение анодного тока
()aav
I – номинальное среднее значение анодного тока
о()нмaav
I – среднее значение анодного тока тиристора
)Т(av
I
– действующее значение анодного тока, в зарубежной литера-
aд
I (effective)
туре
()aeff
I
– действующее значение анодного тока тиристора
Тд
k – коэффициент формы, в зарубежной литературе fk
ф
k
– коэффициент амплитуды, в зарубежной литературе
а
u
– мгновенное значение анодного напряжения
a
U – пороговое напряжение диода
()TO
r
– динамическое сопротивление диода
T
– установившееся тепловое (θ) сопротивление системы: по-
CR
k
а
лупроводниковая структура (Junction) – корпус (Case)
– установившееся тепловое (θ) сопротивление системы: кор-
CSR
пус (Case) – поверхность охладителя (Sink)
– установившееся тепловое сопротивление системы: охлади-
SAR
тель (Sink) – охлаждающая среда (Ambient)
– полное установившееся тепловое сопротивление системы:
AR
полупроводниковая структура – охлаждающая среда
T
– максимально допустимое значение температуры полупро-
maxJ
водниковой структуры
T
– среднее значение температуры полупроводниковой структуры
T
– температура охлаждающей среды
P – среднее значение мощности потерь, которая выделяется в
()Fav
полупроводником приборе, при протекании через него прямого тока
(Forward)
7
v – скорость охлаждающего воздуха
F
s
f
s
λ – длительность протекания анодного тока
U – номинальная величина сигнала управления
уном
U
оп.max
min
max
y
– амплитуда опорного сигнала
– минимальная величина угла регулирования
– максимальная величина угла регулирования
– импульс управления
– частота коммутации полностью управляемого ключа (switch)
T
– период коммутации ключа
– номинальная величина относительной длительности вклю-
D
ном
ченного состояния силового ключа
t
– длительность включенного состояния ключа (on)
on
E – напряжение источника питания
U
– среднее значение выходного напряжения схемы (out)
o
I
– среднее значение выходного тока схемы
o
*
– относительная величина размаха пульсаций тока в накопи-
I
L
тельной индуктивности
*
– относительная величина размаха пульсаций выходного
U
o
напряжения схемы
R – сопротивление MOSFET во включенном состоянии (сток
()DS on
Drain – исток Source)
T
– время моделирования
mod
8
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ
СХЕМЫ НА ТОКОВУЮ И ТЕПЛОВУЮ ЗАГРУЗКУ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
В НЕУПРАВЛЯЕМОМ ВЫПРЯМИТЕЛЕ
Цели работы
1. Начальное знакомство с программным обеспечением. Приобретение навыков использования программного обеспечения в получении,
обработке и анализе результатов численного эксперимента.
2. Исследование условий работы полупроводниковых диодов в мостовой схеме выпрямления однофазного тока при ее работе на R- и RLнагрузку.
Метод исследования
Численные эксперименты с использованием программного обеспе-
чения.
1.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СХЕМЫ
Выпрямитель – это устройство, предназначенное для преобразова-
ния энергии переменного тока в энергию постоянного тока.
Выпрямители относятся к семейству так называемых AC/DC-преобразователей (от англ. Alternating Current – переменный ток, Direct
Current – постоянный ток).
Упрощенный вариант электрической схемы замещения неуправляемого выпрямителя однофазного тока показан на рис. 1.1.
В состав схемы входят следующие основные элементы.
1. Идеальная питающая сеть состоит из источника синусоидальной
e
ЭДС
.
2
9
L
R
Рис. 1.1. Мостовая схема выпрямления
однофазного тока
2. Вентильный комплект, который, собственно, и преобразует переменное напряжение в постоянное. В данном случае вентильный
комплект состоит из четырех диодов. У двух из них соединены
катоды – это так называемая «катодная группа вентилей», приборы в
D
которой принято нумеровать нечетными числами – диоды
1
и
D
3
У двух оставшихся соединены аноды, и они образуют «анодную группу вентилей», приборы в которой принято нумеровать четными числа-
D
D
и
ми – диоды
2
.
4
Легко заметить, что при подобном соединении диодов вентильный
комплект можно рассматривать как мостик, в одну диагональ которо-
e
го включена питающая ЭДС
, а к другой подключена RL-нагрузка.
2
По этой причине схему, показанную на рис. 1.1, в силовой электронике
обычно называют мостовой схемой выпрямления однофазного тока.
3. Индуктивный сглаживающий фильтр
, используемый для
d
сглаживания пульсаций выпрямленного тока (тока нагрузки).
4. Резистивная нагрузка
, которая, собственно, и является по-
d
требителем энергии постоянного тока.
Идеализированные диаграммы токов и напряжений в схеме при
двух граничных параметрах нагрузки показаны на рис. 1.2.
Диоды в мостовой схеме выпрямления однофазного тока работают
попарно. На интервале
0
включены диоды
D
1
и
D
2
, а на
.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]