Экспорт данных в Excel

Рис. 1.10. Окно свойств Multisim 8

Postprocessor и Grapher – это программы пакета Multisim 8, которые позволяют отобразить результаты моделирования в графическом виде.

Общие правила моделирования

При моделировании схем необходимо соблюдать следующие общие правила:

– любая схема должна обязательно содержать хотя бы один символ заземления;

– любые два конца проводника либо контакта устройства, встречающиеся в точке, всегда считаются соединенными. При соединении трех или более концов необходимо использовать символ соединения (узел);

– в схемах должны присутствовать источники сигнала (тока или напряжения), обеспечивающие входной сигнал, и не менее одной контрольной точки (за исключением анализа схем на постоянном токе).

Топология схем

В схеме не должны присутствовать контуры из катушек индуктивности и источников напряжения.

Источники тока не должны соединяться последовательно.

Не должно присутствовать короткозамкнутых катушек.

Источник постоянного напряжения должен соединяться с катушкой индуктивности и трансформатором через последовательно включенный резистор. К конденсатору, подключенному к источнику тока, обязательно должен быть параллельно присоединен резистор.

Упражнение

Собрать схему, показанную на рис. 1.11 (двойное нажатие левой кнопки мыши позволяет изменить параметры элемента; цвет проводов для удобства работы можно изменять выделением провода правой кнопкой мыши и выбором «Change Color» в появившемся контекстном меню).

Рис. 1.11. Схема усилителя

Запустить схему. Осциллограф автоматически строит графики зависимости входного и выходного напряжений от времени (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Осциллограммы входных и выходных напряжений усилителя

Для просмотра этих осциллограмм достаточно дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на осциллографе.

2. Силовые полупроводниковые диоды

2.1. Общие сведения из теории

Принцип работы любого преобразователя электроэнергии в системах энергоснабжения и в приборостроении основан на периодическом включении и выключении электрических вентилей [7]. В качестве вентиля может использоваться любой выпускаемый промышленностью прибор, работающий в ключевом режиме. В ключевом режиме на приборе будет выделяться минимальная мощность, что в основном и определяет КПД устройства. В случае идеального ключа на этапе его проводящего состояния падение напряжения на ключе равно нулю. В запертом состоянии отсутствие тока также определяет нулевое значение потери мощности. В настоящее время в качестве электрических вентилей используются полупроводниковые приборы, основные из которых представлены на рис. 2.1 (для каждого прибора даны его символическое изображение и типовая вольт-амперная характеристика).

Современный силовой полупроводниковый ключ – сложная схема, содержащая множество параллельных структур. По степени управляемости полупроводниковые приборы разделяются на неуправляемые вентили (диоды, рис. 2.1, а), не полностью управляемые приборы (традиционные тиристоры, рис. 2.1, б, и симисторы, рис. 2.1, г) и полностью управляемые приборы (транзисторы, рис. 2.1, д, е, ж). Силовые полупроводниковые диоды – это приборы с прямым током более 10 А, двумя выводами и одним p–n-переходом (рис. 2.1). Их можно разделить на две группы: выпрямительные и быстродействующие. Выпрямительные предназначены для выпрямления переменного тока. Быстродействующие силовые диоды служат для блокировки транзисторных ключей в обратном направлении (антипараллельные диоды) и для создания путей протекания токов нагрузки при запирании силовых транзисторов (нулевые и демпферные диоды).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диодов при малых токах совпадает с ВАХ p–n-перехода [9]:

, (2.1)

где – тепловой ток;– температурный потенциал перехода, равный при нормальной температуре 25 мВ;– технологический коэффициент, близкий к единице. При токах более 10 А напряжениемежду выводами диодов следует заменить на разность, где– объемное сопротивление полупроводника и контактов, оцениваемое долями ома. ВАХ силового диода в проводящем состоянии можно аппроксимировать двумя отрезками прямых (рис. 2.2,а), что позволяет определить необходимые параметры (– пороговое напряжение,– эквивалентное сопротивление) для анализа, расчета и моделирования и представить диод эквивалентной схемой (рис. 2.2,б), содержащей источник напряжения и сопротивление. В закрытом (непроводящем) состоянии сопротивление диода принимается бесконечным, ток через диод равным нулю.

а

б

в

г

д

е

ж

Рис. 2.1. Силовые полупроводниковые приборы

Рис. 2.2. Упрощенная ВАХ (а) и эквивалентная схема (б) диода

Силовые диоды обычно характеризуются набором статических, предельно допустимых и динамических параметров. К статическим параметрам относятся пороговое напряжение и эквивалентное сопротивление, рассмотренные выше, а также среднее значение прямого тока, прямое напряжениепри некотором значении этого тока и импульсное прямое напряжениеВ качестве предельно допустимых параметров в паспортных данных на диоды приводятся максимальный средний прямой ток, повторяющееся импульсное обратное напряжение, ударный (импульсный) прямой токпри оговоренной длительности импульса, неповторяющееся импульсное обратное напряжение[2].

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики: время обратного восстановления , заряд восстановления, предельная частота без снижения режима диода. Время обратного восстановления характеризует инерционные свойства диода при переключении в тестовой схеме (рис. 2.3,а) с заданного значения прямого токана заданное значение обратного напряжения(рис. 2.3,б).

Рис. 2.3. Испытательная схема (а) и временная диаграмма спада

обратного тока (б) диодов

В течение времени происходит рассасывание зарядов неосновных носителей на границеp–n-перехода, т. е. разряд эквивалентной емкости. После интервала рассасывания начинается процесс выключения диода, характеризующийся временем спада обратного тока. Таким образом, время обратного восстановления диодов

. (2.2)

Заряд восстановления запирающих свойств диода определяется как

, (2.3)

где – заряд рассасывания неосновных носителей;– заряд спада обратного тока.

Потери мощности в диоде складываются из потерь в проводящем состоянии и динамических потерь, возникающих на этапе обратного восстановления.

(2.4)

При работе диода в режиме периодической коммутации потери проводимости можно рассчитать по формуле

, (2.5)

где – коэффициент формы тока.

Потери восстановления запирающих свойств диода определяются выражением [1]

, (2.6)

где – амплитуда обратного тока через диод;– частота коммутации диода.

Динамические потери в диоде накладывают ограничение на повышение частот коммутациив силовых электронных устройствах. В то же время повышение частот коммутации является основным направлением развития силовой электроники. Оно дает возможность уменьшить номиналы индуктивных и емкостных элементов, а также улучшить технико-экономические показатели и быстродействие преобразовательных устройств. При частоте коммутации, равной десяткам и сотням килогерц, силовой диод должен иметь малое время восстановления запирающих свойств, так как оно, во-первых, определяет динамические потери мощности диода (2.6) и, во-вторых, задает максимальное значение и длительность всплеска тока транзисторного ключа, при отпирании которого происходит выключение диода. При работе диодов в составе таких устройств силовой электроники, как автономные инверторы, преобразователи частоты, импульсные источники питания, корректоры реактивной мощности и др., время обратного восстановленияне должно превышать 0,1…0,3 мкс.

Выпрямительные диоды. Эта группа диодов отличается высокими значениями обратного напряжения (от 50 В до 5 кВ) и прямого тока (от 10 А до 5 кА). Массивная структура диодов ухудшает их быстродействие. Поэтому время обратного восстановления обычно не нормируется и находится в диапазоне 25…100 мкс, что ограничивает использование диодов в цепях с частотой не выше 500 Гц. Прямое падение напряжения в выпрямительных диодах достигает 2,5…3 В у приборов высокого напряжения. Кроме отдельных выпрямительных диодов выпускаются силовые диодные модули, включающие в себя последовательно-параллельные сборки и схемы мостовых конфигураций.

Быстродействующие диоды подразделяются на быстровосстанавливающиеся диоды и на диоды Шоттки. При производстве быстровосстанавливающихся диодов используются различные технологические методы, уменьшающие время восстановления. Благодаря этому удается снизить время до 3…5 мкс. Наиболее быстродействующие диоды с напряжением до 400 В и током до 50 А имеют время обратного восстановления 0,2…0,5 мкс. Такие диоды могут работать в устройствах силовой электроники с частотой коммутации 10 кГц и выше. В диодах с барьером Шоттки вместоp–n-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником.

Таблица 2.1