1.1 Принципы построения преобразователей

Принцип работы преобразователя основан на периодическом включении и выключении тех или иных полупроводниковых приборов (вентилей). Под включенным понимается проводящее или открытое, а под выключенным - непроводящее или закрытое (запертое) состояние полупроводникового прибора. Особое значение для реализации показанных на рис. 1.1 типов преобразователей имеет принцип выключения или запирания прибора, приводящий к размыканию соответствующей ветви силовой цепи. Способ выключения зависит от вида источника напряжения, который обеспечивает ток, необходимый для выключения полупроводникового прибора. В большинстве случаев ток, проходящий через прибор, который выключается, переводится под действием этого источника напряжения в другую ветвь цепи за счет включения (отпирания) прибора в этой ветви; такой процесс называется коммутацией. Если источником коммутирующего напряжения является первичная или вторичная сеть переменного тока, коммутацию называют сетевой (или естественной); если источником коммутирующего напряжения является вспомогательное напряжение, получаемое с помощью элементов, входящих в специальные коммутирующие цепи самого преобразователя (вентилей, конденсаторов, дросселей и др.), коммутацию называют принудительной (или искусственной). В последнем случае могут быть также использованы приборы, которые полностью или частично (т.е. в комбинации с другими средствами) выключаются с помощью управляющего электрода, например транзисторы или специальные запираемые тиристоры.

В соответствии со своим назначением и требуемым законом регулирования преобразователь может иметь различные регулировочные характеристики. Под “регулированием” в этом смысле понимается любое изменение электрической мощности, передаваемой из входной (питающей) сети в выходную (приемную) сеть, или любое наперед заданное изменение напряжения U, тока I или частоты f в выходной сети.

Не все виды преобразования выходных параметров (U, I, f) или мощности могут быть реализованы с помощью простейших схем преобразователей, поэтому еще существуют комбинированные преобразователи. Простые преобразователи основаны на использовании какой-либо одной из основных преобразовательных схем, в их состав входят один или несколько силовых приборов и соответствующие вспомогательные элементы. Комбинированные преобразователи основаны на использовании нескольких простейших преобразователей, которые электрически соединены между собой.

Каждый преобразователь является законченным прибором или устройством и в зависимости от назначения, технологических требований и типа преобразователя включает в определенной комбинации функциональные части (или некоторые из них), показанные на рис. 1.2.

1.2 Классификация преобразователей.

Классификация простых преобразователей показана на рис. 1.3.

Простые преобразователи могут реализовывать не все необходимые на практике режимы работы, например, они могут работать лишь в одном или двух квадрантах диаграммы ток-напряжение, поскольку ток через него может протекать только в одном направлении. Для повышения мощности диодов и тиристоров, ток и напряжение которых ограничены, эти элементы включаются и применяются в простых преобразователях параллельно или последовательно. С учетом необходимости улучшения коэффициента мощности, снижения содержания высших гармоник как на стороне постоянного, так и на стороне переменного тока, а также для повышения нагрузочной способности необходимо при помощи 1 МВт (мегаватта) включать несколько простых преобразователей последовательно или параллельно; такие преобразователи относятся к комбинированным и показаны на рис. 1.4.

Встречно-параллельное включение простых преобразователей может понадобиться для изменения направления тока. При преобразовании с промежуточным звеном постоянного тока используются двухзвенные преобразователи, основанные на многократном преобразовании энергии.

Рис. 1.2. Структурная схема преобразователя и преобразовательной установки:

1 - коммутационная аппаратура; 2 - измерительная аппаратура; 3 – фильтры; 4 - трансформатор, реактор; 5 - устройство защиты вентелей; 6 - вентильная группа; 7 - вспомогательный блок питания; 8 - система пуска, защиты и отключения преобразователя; 9 - система управления вентилями; 10 - устройство обработки информации; 11 - система охлаждения; 12 - вспомогательный источник питания; 13 - кожух или каркас

Рис. 1.3. Классификация простых преобразователей:

U, I, f - регулируемые величины (напряжение, ток, частота); U₁ - коммутация напряжением питающей сети; U₂ - коммутация напряжением приемной сети (сети нагрузки); S - принудительная коммутация (за счет узла принудительной коммутации)

Комбинированные преобразователи

однократное преобразование энергии

многократное преобразование энергии

цепочечная схема

комбинированное включение

последовательное включение

параллельное включение

встречно-параллельное включение

комбинированное включение

Рис. 1.4. Классификация комбинированных преобразователей

2. Полупроводниковые вентили

2.1 Сравнительная характеристика полупроводниковых вентилей

Быстрое развитие микроэлектроники оказывает столь большое влияние на силовую электронику, что можно говорить о качественно новой ступени развития последней.

Современное состояние силовой электроники зависит от уровня развития силовых вентилей и устройств информационной электроники, используемых непосредственно в преобразователях. В течение почти 70 лет находили применение вакуумные и газоразрядные вентили, а также механические и селеновые выпрямители. В настоящее время эти вентили почти полностью заменены приборами на основе монокристаллического кремния, такими как кремниевые диоды, тиристоры, симисторы, биполярные и полевые силовые переключающие транзисторы. Силовые полупроводниковые приборы позволяют удовлетворять самые разнообразные запросы потребителей в отношении напряжения и тока. На их основе созданы выпрямители весьма большой мощности для электрохимии и для питания регулируемых двигателей постоянного тока, а также инверторы для установок гарантированного питания, преобразователи для индукционного нагрева и другие преобразователи с высокими динамическими показателями и КПД при меньшей массе и объеме.

Полупроводниковые вентили являются основными приборами энергетической электроники. Их свойства особенно подходят для специальных областей применения. Важнейшие параметры полупроводниковых вентилей даны в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Полупроводниковые вентили энергетической электроники

Вид прибора или модуля	Верхний уровень предельных тока и напряжения	Другие параметры, особые свойства
Диоды	3 кА; 5 кВ 1,5 кА; 2 кВ	Для работы при частоте сети Для повышенной частоты, trr<2 мкс
Эпитаксиально- Планарные диоды	100 А; 200 В	Прямое падение напряжения менее 1В
Диоды Шоттки	100 А; 60 В	trr<0,1 мкс
Тиристоры: с комбинированным включением запираемые (двухоперационные)	3 кА; 5 кВ 1,5 кА; 2 кВ	Для работы на частоте сети tg<400 мкс Для повышенной частоты или для автономных преобразователей tg<60 мкс(dUp/dt)crit до 1000 В/мкс(dIt/dt)crit до 100 - 400 А/мкс при наличии поперечного поля в эмиттере до 10 А/мкс, с отрицательным током управления при запирании, tg< 30мкс
Симисторы (триаки)	150 А; 500 В 50 А; 1200В	Низковольтные toff<5мкс Высоковольтные toff<10мкс Для особых типов коэффициент передачи тока 5; для составного транзистора (по схеме Дарлингтона) – 20
Полевые транзисторы	50 А; 100 В 5 А; 1000 В	Управление напряжением, Малое время переключения
Вентильные модули	160 А; 1,6 кВ	Две ветви или полная мостовая схема на диодах или тиристорах в общем корпусе, основание корпуса изолировано
Полупроводниковые реле	50 А; 600 В переменного тока 20 А; 250 В постоянного тока	Схема на симисторе или на транзисторах с узлом управления для регулирования или бесконтактного переключения нагрузки toff – время выключения.