Розанов учебник(ЭЭА) / GLAVA_7

подключение предварительно заряженного конденсатора (рис. 7.50,à), подключение LC-цепи с предварительно заряженным конденсатором (рис. 7.50,á) и использование колебательного характера переходного процесса в цепи нагрузки (рис. 7.50,â). При коммутации по схеме на рис. 7.50,à подключение коммутирующего конденсатора, например другим вспомогательным тиристором, вызывает его разряд на проводящий основной тиристор. Так как разряд-

ный ток конденсатора направлен встречно прямому току тиристора, последний снижается до нуля и тиристор выключается. Интервал времени между началом разряда конденсатора и изменением на нем полярности напряжения под воздействием внешних источников напряжения или тока должен соответствовать времени выключения тиристора tq. В схеме на рис. 7.50,á подключение LC-контура вызывает колебательный разряд коммутирующего

Рис. 7.51. Конструкции тиристоров: à – таблеточная; á – штырьевая

конденсатора Cê. При этом в начале разрядный ток протекает через тиристор встречно его прямому току, когда они становятся равными, тиристор выключается. Далее ток LC-контура переходит из тиристора VS â äèîä VD. Пока через диод VD

протекает ток контура, к тиристору VS будет приложено обратное напряжение, равное падению напряжения на открытом диоде. Этот интервал времени должен соответствовать времени выклю- чения тиристора tq. В схеме на рис. 7.50,â включение тиристора VS на комплексную RLC-нагрузку вызовет переходный процесс. При определенных параметрах нагрузки этот процесс может иметь колебательный характер с изменением полярности тока нагрузки ií. В этом случае после выключения тиристора VS происходит включение диода VD, который начинает проводить ток противоположной полярности. Время проводящего состояния диода, как и в схеме на рис. 7.50,á, должно соответствовать времени выключения тиристора tq. Иногда этот способ коммутации называют квазиестественным, так как он связан с изменением полярности тока нагрузки.

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 10 кВ и токами до 5 кА, а частота мощных приборов обычно не превышает 1 кГц. Конструктивное исполнение тиристоров (рис. 7.51) и силовых диодов сходны.

Обычные или традиционные тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, используемыми для коммутации высоковольтных и сильноточных цепей. Однако они имеют существенный недостаток – неполную управляемость, которая проявляется в том, что для их выключения необходимо создать условия снижения прямого

тока до нуля. Это во многих случаях ограничивает и усложняет использование тиристоров. Для устранения этого недостатка созданы тиристоры, запираемые сигналом по управляющему электроду. Такие тиристоры называют запираемыми (англ. GTO – Gate turn-off thyristor) или двухоперационными. Запираемые тиристоры (ЗТ) (рис. 7.52,à)

имеют четырехслойную p-n-p-n структуру, но в то же время обладают рядом существенных конструктивных особенностей, придающих им принципиально отличное от традиционных тиристоров свойство полной управляемости. Статическая ВАХ запираемых тиристоров в прямом направлении идентична ВАХ обычных тиристоров. Однако блокировать большие обратные напряжения ЗТ обыч- но не способен и часто соединяется со встречнопараллельно включенным диодом. Кроме того, для

ЗТ характерны значительные падения прямого напряжения. Для выключения ЗТ необходимо подать в цепь управляющего электрода мощный импульс отрицательного тока (примерно 1:5 по отношению к значению прямого выключаемого тока), но короткой длительности (10–100 мкс).

Запираемые тиристоры имеют более низкие значения предельных напряжений и токов (примерно на 20–30%) по сравнению с обычными тиристорами.

Тиристоры являются приборами критичными к скоростям нарастания прямого тока diA ⁄ dt и прямого напряжения duAC ⁄ dt. Тиристорам, как и диодам, присуще явление протекания обратного тока восстановления iRR, резкое спадание которого до нуля усугубляет возможность возникновения перенапряжений с высоким значением duAC ⁄ dt. Такие перенапряжения являются следствием резкого прекращения тока в индуктивных элементах схемы, включая малые индуктивности монтажа, рассеяния трансформаторов и др. Поэтому для защиты тиристоров обычно используют различные схемы ЦФТП, которые в динамических режимах осуществляют защиту от недопустимых значений diA ⁄ dt è duAC ⁄ dt. Для защиты от высоких значений diA ⁄ dt в цепях с низким полным сопротивлением обычно используется последовательно включенный реактор с индуктивностью Ls или насыщающийся реактор (см.п.7.1.4). Однако в большинстве случаев внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения, входящих в цепь включенного тиристора, оказывается достаточным, чтобы не вводить дополнительные индуктивности. Поэтому на практике чаще возникает необходимость в ЦФТП,

Рис. 7.53. Типовая схема защиты тиристора

снижающих уровень и скорость перенапряжений при выключении тиристора. Для этой цели обычно используют RC-цепи, подключаемые параллельно тиристору (рис. 7.53). Существуют различные схемотехнические модификации RC-цепей и методики расчета их параметров для разных условий использования тиристоров [81].

Для запираемых тиристоров рекомендуется использование ЦФТП, аналогичных по схемотехнике ЦФТП транзисторов.

1.Какие условия необходимо создать для перехода тиристора в проводящее состояние?

2.Определить емкость коммутирующего конденса-

тора, заряженного до напряжения UC = 300 В для выключения тиристора, проводящего ток нагруз-

êè Ií = 100 А. При расчете считать ток нагрузки на интервале выключения постоянным.

3. Тиристор подключает источник напряжения к цепи, состоящей из параллельно соединенных резистора сопротивлением Rí и реактора индуктивностью Lн. Определить энергию, выделяемую в тиристоре при его включении, для следующих исходных данных: напряжение источника питания E = 1000 В, сопротивление Rн = 10 Ом, индуктивность Lн = 10 мГн, время включения тиристора 50 мкс. На интервале включения на-

пряжение на тиристоре спадает по линейному закону.

4.Определить потери мощности в тиристоре, периодически включаемом в цепи переменного тока

с активной нагрузкой Rí. Исходные данные следующие: действующее значение напряжения ис-

точника переменного тока Uc = 220 В, форма напряжения – синусоидальная, сопротивление

Rí = 1 Ом. В проводящем состоянии тиристор эквивалентен источнику постоянного напряже-

íèÿ ñ ∆ U = 2 В и внутренним сопротивлением Rïð = 0,1 Ом. Включение тиристора происходит один раз в момент максимального значения переменного напряжения. Время включения и выключения равно нулю.

5. Какие требования предъявляются к импульсам управления тиристоров?

На практике нередко возникает необходимость параллельного или последовательного соединения однотипных ключей. Обычно причиной этому является потребность в повышении коммутируемых токов и напряжений или повышении надежности схемы посредством резервирования силовых клю- чей. Рассмотрим эти вопросы на примере соединения простейших видов ключей – диодов. При параллельном соединении (рис. 7.54,à) может возникать неравномерность распределения токов между отдельными диодами в установившемся режиме включенного состояния каждого из диодов. При- чиной этому является неидентичность статических

ВАХ параллельно соединенных диодов, находящихся в проводящем состоянии (рис. 7.54,á), что снижает допустимый уровень суммарного тока диодов.

При последовательном соединении диодов может возникать неравномерность в распределении обратных напряжений между диодами (рис. 7.55) из-за различия статических ВАХ диодов на участках, соответствующих обратному напряжению.

Достижение равномерных распределений токов или напряжения за счет подбора ключей с малоразличающимися ВАХ является экономически нецелесообразным и поэтому обычно не используется.

Более простым и дешевым методом является использование дополнительных выравнивающих резисторов. Для выравнивания токов используются низкоомные резисторы, включенные последовательно с диодами (рис. 7.56,à). При последовательном соединении используют высокоомные резисторы, подключенные параллельно диодам (рис. 7.56,á). Однако использование резисторов как при параллельном, так и при последовательном соединении приводит к дополнительным потерям мощности. Кроме того параллельно соединенные резисторы увеличивают обратные токи и снижают блокирующую способность диодов.

Неравномерность в распределении токов и напряжений возникает также в динамических режимах переключения диодов из одного состояния в другое. Для устранения таких явлений используют RC-цепи для последовательно соединенных диодов (рис. 7.56,â) и вводят магнитно-связанные реакторы (рис. 7.56,ã) при параллельном соединении.

МДС реакторов должны быть направлены так, чтобы при равных токах в них не возникали ЭДС самоиндукции. Например, для двух диодов это соответствует двухобмоточным реакторам со встреч- новключенными обмотками с равным числом витков.

Подобные методы используются при соединении других ключей: тиристоров, транзисторов и др. Однако для отдельных видов ключей, например для МОП-транзисторов, обеспечение равномерного распределения токов при параллельном соединении достигается без введения дополнительных сопротивлений. Это объясняется тем, что они обладают положительным температурным коэффициентом сопротивлений во включенном состоянии RDSon. Поэтому перегрузка по току одного из транзисторов приводит к повышению его нагрева и, следовательно, сопротивления RDSon, что автомати-

чески приводит к снижению тока перегруженного транзистора.

Рис. 7.59. Составной транзистор по схеме Дарлингтона с обратным диодом

усиления по току становится равным произведению коэффициентов транзисторов, входящих в каскад, т. е. может возрастать на несколько порядков. Однако одновременно снижается быстродействие модуля в целом, и растет напряжение насыщения.

Следует отметить, что большинство сильноточных транзисторов являются модулями с параллельным соединением бескорпусных одиночных транзисторов. Особенно широко такая интеграция используется при создании сильноточных МОП-транзисторов.

Конструктивно силовые модули, как правило, выполняются в корпусах, предназначенных для поверхностного монтажа (рис. 7.60).

нии. По существу ИСИС являются электронными модулями, объединяющими в одном кристалле (или корпусе) как силовые электронные компоненты, например силовые транзисторы, так и схемы их управления, защиты, диагностики состояния модуля, а также различные интерфейсы, позволяющие обеспечить функционирование модуля в системе с учетом обмена информацией и контроля более высокого уровня. ИСИС можно определить как устройство, функционально и конструктивно объединяющее элементы силовой и информационной электроники на основе высоких технологий их интеграции.

Модули ИСИС могут создаваться как в одном кристалле, так и посредством объединения элементов в одном корпусе по гибридной технологии. Монокристальные ИСИС, выполненные в одном кристалле, имеют сложную технологию производства по сравнению с гибридными модулями. Одна-

ко монокристальные ИСИС более компактны и надежны. Основой монокристальных ИСИС стали МОП-структуры. В качестве силовых ключей в таких модулях получили распространение силовые МОП-транзисторы и транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ). Основными преимуществами ключей этого типа являются малая мощность управления и высокая рабочая частота. На основе МОП-технологий, обеспечивающих высокую плотность интеграции элементов в кристалле, например, за счет двойной диффузии, в кристалле реализуются логические схемы и аналоговые схемы управления. В наиболее общем случае модуль ИСИС включается между источником питания и нагрузкой с характерными функциональными элементами (см.рис. 7.61).

Функциональные узлы управления, в частности, логические схемы, генераторы импульсов, компараторы и другие обычно имеют гальваническую

развязку от цепей силовых ключей. Такая развязка часто необходима для нормального функционирования системы с ИСИС, так как их выходные цепи связаны с силовой частью объекта управления, например, асинхронным двигателем. В то же время цепи управления ИСИС являются низковольтными и маломощными схемами с разветвленной топологией, не допускающие воздействия существенных помех со стороны силовых цепей. Для гальванической развязки обычно используют трансформаторную или оптоэлектронную развязку. На рис. 7.62 представлен вариант структурной схемы основных компонентов ИСИС и функциональных узлов ее системы управления, включенных со стороны первичных обмоток разделительных трансформаторов. Пример использования оптоэлектронной развязки показан на рис. 7.63, где представлена схема стати- ческого реле, выполненного в виде ИСИС [78].

Развязка посредством трансформатора является весьма эффективной и малокритичной к напряжениям и мощности развязываемых цепей. Однако ее реализация связана с усложнением конструкции модуля ИСИС и может значительно повлиять на его технико-экономические показатели.

Основным недостатком оптоэлектронной развязки является отрицательное влияние ”паразитной” емкости между элементами оптопары, что может оказаться существенным при воздействии высоко- частотных помех. Драйверы ИСИС обычно выполняются на основе МОП-транзисторов в соответствии с общепринятой схемотехникой для конкретных типов силовых ключей оконечного каскада модуля.

Большинство современных ИСИС имеют собственную защиту силовых ключей по току, напряжению и температуре. Основой такой защиты являются датчики, контролирующие эти параметры. Использование традиционных методов измерения с непосредственным включением датчиков в силовые цепи, например, дополнительных сопротивлений в силовые цепи, имеет ряд недостатков, в частности, дополнительные потери мощности и др. Поэтому для этих целей используют методы, основанные на измерении косвенных параметров. Например, ток нагрузки может быть определен по напряжению транзистора во вклю- ченном состоянии. С этой целью в качестве датчи- ков используют маломощные измерительные транзисторы, включаемые таким образом, чтобы минимизировать потери мощности при измерении и обеспечить максимальное быстродействие защиты.

Сигналы различных датчиков сравниваются с допустимыми (эталонными) значениями. Результирующие сигналы этих измерений обычно суммируются и поступают в триггерный элемент, срабатывание которого блокирует поступление импульсов управления на силовые транзисторы. Одновременно информация об аварии может поступать через интерфейс во внешние управляющие устройства.

Часто внешние управляющие устройства содержат микропроцессорную систему, обрабатывающую поступаемую информацию и выдающую соответствующие команды в большое количество ИСИС с различными функциями. Подобные системы используются в некоторых автомобилях.

Однако в отдельных случаях возникает необходимость, чтобы ИСИС содержала собственный микропроцессор, обеспечивающий управление силовыми ключами по определенному закону, и диагностировала его состояние при возникновении неисправности. Микропроцессорные ИСИС находят применение в самых различных областях техники и существенно повышают технико-экономи-

ческую эффективность содержащих их систем. Такой, наиболее обширной, областью является электропривод.

Основными преимуществами применения ИСИС являются: улучшение массогабаритных показателей управляющих устройств, минимизация монтажных соединений, программное изменение функций и высокие технические характеристики.

1.Для каких целей используется параллельное или последовательное соединение силовых электронных приборов?

2.К двум последовательно соединенным диодам

приложено обратное напряжение UR = 1 кВ. Определить сопротивление выравнивающих резисторов, при которых разница напряжений отдельных диодов не будет превышать 100 В, если обратные ветви статических ВАХ диодов аппроксимируются следующими сопротивлениями: RR = 100 êÎì, RR = 75 êÎì.

3.Через параллельно соединенные транзисторы, находящиеся во включенном насыщенном со-

стоянии, протекают токи IC1 è IC2. Определить сопротивление симметрирующих резисторов при следующих условиях: статические ВАХ включенных транзисторов аппроксимируются сопротив-

лениями Râêë1 = 0,3 Îì, Râêë2 = 0,5 Ом, транзисторы подключены к общему источнику тока

J = 20 А, допустимый разброс токов между транзисторами ∆ I = 2 À.

4.Два параллельно соединенных транзистора, работающих в режиме ключей, включаются на общую активную нагрузку (по схеме с общим эмиттером)

сопротивлением Rí = 10 Ом и напряжением источника питания E = 12 В. Статические ВАХ транзисторов идентичны. Определить максимальный ток транзисторов в динамическом режиме при следующих условиях: время включения одного

транзистора ton1 = 1 мкс, другого ton2 = 1,5 мкс. Значением напряжения на включенных транзисторах в установившемся режиме пренебречь. На интервалах включения принять для транзисторов модель генератора линейно спадающего тока.

5.Какие преимущества дает использование ИСИС при создании силовых электронных устройств по сравнению с традиционной технологией применения дискретных силовых электронных приборов?