Глава IV усилители мощности управляющих импульсов для тиристоров

1. Требования к управляющему импульсу

В начале рассмотрим требования, которые предъявляются к форме управляющего импульса (на временной диаграмме). Оптимальная с точки зрения сокращения времени включения, уменьшения потерь в тиристорах и повышения надежности работы преобразователя форма импульса показана на рис. 25,а. Импульс должен иметь крутой передний фронт.

Повышение крутизны ускоряет распространение зоны проводимости, позволяет допускать большую скорость нарастания анодного тока в тиристоре и уменьшает потери в нем при включении. Рекомендуется, чтобы ток управляющего электрода достигал максимального значения за время< 3...4 мкс. Очень нужна высокая крутизна фронта (более 1 А/мкс) при параллельном и последовательном соединении тиристоров для одновременности их включения. После достижения максимума ток может спадать в течение времени=10...30 мкс до отпирающего тока=0,2...0,6 А, который указывается в справочных данных для каждого типа тиристоров. Полная длительность импульса должна быть не менее 50...100 мкс. Однако с учетом свойств нагрузки длительность управляющего импульса должна быть такой, чтобы за время его действия ток тиристора (ток нагрузки) превысил величину тока включения= 0,1...0,3 А, зависящего от типа тиристора. Если при анодном токе, меньшем тока включения, снять управляющий импульс, то тиристор скачком закроется. При этом и на индуктивности нагрузки (и на аноде тиристора) может появиться выброс напряжения. Таким образом, при недостаточной продолжительности управляющего импульса преобразователь не может работать. В преобразователях, питающих цепь якоря, могут использоваться короткие импульсы управления длительностью 8...12° (450...670 мкс). В преобразователях, питающих цепи возбуждения, ток нарастает медленнее и необходимо использовать более длинные импульсы.

В мостовых преобразователях в режиме прерывистого тока и при запуске необходимо открывать одновременно два тиристора: один в катодной и один в анодной группе вентилей. Для этого приходится либо подавать каждый раз два коротких импульса - на вновь открываемый и на предыдущий тиристоры (второй импульс называют дублирующим или сопровождающим), либо подавать одиночные импульсы такой длины, что бы в момент подачи очередного импульса еще существовал предыдущий. То есть длительность импульса должна превышать длительность интервала повторяемости. Используются=70...120° (3,9...6,7 мс). В некоторых случаях целесообразны импульсы переменной длительности, например, в преобразователях переменного напряжения. Наиболее широко используемые на практике формы импульсов показаны на рис.25.

Управляющие импульсы на триодные тиристоры подаются через импульсные трансформаторы (рис.26,а), которые обеспечивают требуемую ЭДС в цепи управляющего электрода и осуществляют потенциальную развязку цепей управления и силовых цепей.

Рассмотрим упрощенно работу этого узла при подаче на первичную обмотку прямоугольного импульса напряжения (рис.25,б) после окончания переходного процесса нарастания тока в обмотке. В этом случае можно пренебречь индуктивностями рассеяния и для упрощения не учитывать намагничивающий ток. Тогда расчетная схема примет вид, представленный на рис.26,б. В цепи управляющего электрода действует вторичная ЭДС . Величина тока управляющего электрода определяется этой ЭДС, активными сопротивлениями обмоток трансформатора, приведенными ко вторичной цепи, сопротивлением, падением напряжения на диодеи падением напряжения на р-n переходе управляющего электрода, который на рис.26,б представлен нелинейным элементом НЭ.

Вольтамперные характеристики (ВАХ) управляющего электрода, которые называют также входными характеристиками тиристора, существенно нелинейны и имеют большой разброс. Они могут находиться во всей зоне между двумя предельными характеристиками (рис.26,б для тиристора на ток 80 А). Поскольку трудно указать ток или напряжение управляющего электрода, при которых тиристор гарантированно откроется, в справочных данных приводятся отпирающее напряжение и отпирающий токдля определенных температур p-n перехода. Превышение одного из них гарантирует открывание тиристора при наличии положительного анодного напряжения. Для этого внешняя характеристика управляющего сигнала должна проходить правее и выше точки с указанными координатами. На рис.26,в область гарантированного включения (площадь, ограниченнаяи) при температуре +25°С заштрихована, а при температуре +125°С покрыта двойной штриховкой. Уравнение внешней характеристики представляет прямую линию

. (44)

На рис.26,в нанесены три внешних характеристики - 1,2 и 3. Первая гарантирует открывание всех тиристоров, вторая - некоторых, третья - ни одного. В действительности , как правило, тиристор откроется и в третьем случае, поскольку действительные отпирающие ток и напряжение в 2...3 раза меньше, указанных в каталоге.

Ток управления нагревает p-n переход управляющего электрода. Допустимая мощность рассеяния для тиристоров каждого типа зависит от относительной длительности импульсов и может быть от нескольких единиц до сотнен ватт. Для оценки допустимости использования принятых параметров управляющих импульсов на ВАХ наносятся гиперболы максимально допускаемой мощности при различных длительностях в градусах. Внешняя характеристика не должна пересекать эти гиперболы. Так, для первой внешней характеристики на рис.26,в импульсы длительностью 180° не допустимы. Для уменьшения нагревания p-n перехода предпочтительны короткие управляющие импульсы.

Рассмотрим требования к цепи управления, выполнение которых обеспечивает надежную работу преобразователя. При открывании тиристоров в эсиловых цепях возникают переменные электромагнитные поля, которые, в частности, пронизывают контур, образованный проводами, идущими от УМ к тиристору. В этом контуре наводятся напряжения помех с широким спектром высших гармоник, имеющих частоты до нескольких сот килогерц. Эти помехи воздействуют на цепь управления тиристором и через импульсный трансформатор передаются в систему. Высокочастотные помехи передаются в систему управления также и через емкости между обмотками, а также между обмотками и корпусом импульсного трансформатора. Обычно эти емкости измеряются сотнями пикофарад. Для уменьшения вреда от помех необходимо выполнять импульсные трансформаторы малых размеров, с малым числом витков и с изоляцией, имеющей малую диэлектрическую проницаемость.. Для уменьшения наводок импульсные трансформаторы располагают рядом с тиристорами в силовых блоках (не в блоках СИФУ) и подводки выполняют витыми и даже экранированными проводами. Допустимый уровень помех, при которых тиристор не открывается (неотпирающее напряжение), не превышает 0,3...0,5 В. Для уменьшения уровня помех цепь управляющего электрода иногда шунтируется резистором с сопротивлением 50...200 Ом (на рис 27,а). Это также увеличивает критическое значение(допустимую скорость нарастания прямого анодного напряжения в закрытом состоянии).

Увеличению критического значения и помехоустойчивости способствует подача отрицательного напряжения на управляющий электрод закрытого тиристора. Более эффективно подавляет помехи подключенный там же конденсатор емкостью 0,01...0,5 мкФ. Еще лучше, если конденсатор зашунтирован резистором. Открывание тиристора импульсом помехи может привести к его пробою ввиду малости тока управления и большой скорости нарастания анодного тока.

Сбои в СИФУ могут быть вызваны также помехами и перенапряжениями, которые передаются через емкости между обмотками импульсного трансформатора при коммутациях в силовых цепях. При подаче напряжения питания силовых цепей 10...35 кВ через эту емкость в СИФУ может передаваться напряжение до 1000 В. Эти помехи уменьшает конденсатор, подключенный к обмоткам трансформатора (рис.27,б). Иногда для этой же цели между обмотками импульсного трансформатора размещают экраны из полосы меди, латуни или однослойной обмотки (на рис.27,б показаны штриховыми линиями).

Полная схема цепи управления тиристором мощного преобразователя показана на рис.27,б. На первичную обмотку подаются импульсы повышенного напряжения 110...220 В для уменьшения тока транзистора и обмотки. Цепочка частично компенсирует намагничивающий ток. Импульс вторичного тока заряжает конденсатор. Когда напряжение на нем достигнет напряжения пробоя динистора VD2 порядка 25...35 В, динистор переходит в открытое состояние за время, не превышающее 0,1 мкс. Это обеспечивает получение очень крутого фронта тока управляющего импульса и достаточно большой амплитуды в начальный момент. Установившийся ток определяется сопротивлениями резистора и обмоток трансформатора. Для индикации исправности усилителя мощности во вторичной или первичной цепи включают светодиоды или лампочки накаливания.

2. Усилитель мощности на транзисторе с импульсным

трансформатором

Принципиальная схема усилителя мощности на транзисторе с импульсным трансформатором приведена на рис.28,а. Это основная схема УМ. Транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, является усилителем мощности. Коэффициент усиления транзистора по току обычно равен 20...50, по напряжению 4...6 и по мощности - 100...300. В СИФУ мощных преобразователей коэффициенты усиления во много раз больше, поскольку используются многокаскадные усилители и составные транзисторы. Трансформатор обеспечивает согласование напряжения питания усилителя с требуемым напряжением вторичной цепи и потенциальную развязку низковольтных цепей управления от силовых цепей, напряжения в которых измеряются сотнями и даже тысячами вольт.

В исходном состоянии поданное на вход УМ напряжение формирователя длительности равно нулю, транзистор VT1 закрыт, напряжение на обмотках трансформатора и токи в них отсутствуют. Импульс напряжения ФД открывает транзистор, и к первичной обмотке прикладывается напряжение питания, в обмотке начинает расти намагничивающий ток, а в сердечнике - магнитный поток, что обусловливает появление ЭДС и ток управляющего электрода во вторичной обмотке. Для упрощения анализа пренебрежем активными

, (45)

где - число витков первичной обмотки; S - сечение сердечника; В - магнитная индукция.

Поскольку к первичной обмотке трансформатора прикладываются только однополярные импульсы, а отрицательный ток в обмотках невозможен, то сердечник размагничивается только до остаточной индукции (рис.28,б). Как следует из (45), производная магнитного потока постоянна, и он нарастает по прямой линии (рис.28,в). За время импульса длительностьюмагнитная индукция достигает своего максимума. Намагничивающий токнарастает нелинейно. Вначале быстро, а затем производная уменьшается. Во вторичной обмотке в это время индуктируется вторичная ЭДС

, (46)

где - число витков вторичной обмотки.

После прекращения сигнала ФД транзистор закрывается и намагничивающий ток переключается в цепь VD1-. Напряжение на первичной обмоткетем больше по абсолютной величине, чем больше. Поскольку приращения магнитной индукции при ее нарастании и уменьшении одинаковы по абсолютной величине, то площадииподбудут одинаковы. Отсюда, чем больше, тем больше пик напряжения и тем быстрее размагничивается сердечник. К сожалению, при этом увеличивается максимальное напряжение на коллекторе, равное

. (47)

Если удалить цепь VD1-, то транзистор может быть пробит.

Вместо резистора можно поставить стабилитрон ( VD3 на рис. 28,г). Это позволяет существенно уменьшить пик напряжения на транзисторе и ускорить размагничивание сердечника, которое происходит теперь по прямой линии, поскольку напряжения на стабилитроне и на первичной обмотке постоянны. Такой же эффект можно получить, если подключить катод диода VD1 ко второму источнику питания с напряжением, превышающим(рис.30,а). При этом энергия электромагнитного поля, накопленная во время нарастания магнитного потока в трансформаторе, будет передана в цепь второго источника. К сожалению, использовать эту энергию не всегда удается, поскольку для питания УМ обычно используется самое высокое напряжение блока питания.

Теперь учтем наличие вторичного контура. Под действием прямоугольного вторичного напряжения возникает прямоугольный управляющий импульс тока, который через диод VD2 проходит по цепи управляющий электрод-катод тиристора. Резистор вместе с активными сопротивлениями обмоток трансформатора формирует желаемую внешнюю характеристику источника управляющего сигнала, т.е. необходимые ток или напряжение на управляющем электроде, обеспечивающие открывание тиристора.

Приведенный к первичной обмотке вторичный ток показан на временных диаграммах. Ток первичной обмотки равен сумме приведенного вторичного и намагничивающего токов. Когда транзистор открыт, то первичный ток протекает через коллектор. После закрывания VT1 вторичный ток прекращается и первичный ток равный, замыкается через диод и.С учетом активного сопротивления первичной обмоткиее ЭДС будет меньше напряжения питания, как показано на рис. 28,в штриховой линией, и. Сопротивления обмоток импульсных трансформаторов сравнительно велики, поскольку в них используются большие плотности тока в обмотках (в 2...6 раз большие, чем в обычных) в связи с малой относительной длительностью импульса. Кроме того, нет необходимости повышать КПД трансформатора, так как для получения круто падающей внешней характеристики все равно приходится вводить активные сопротивления, которые потребляют энергию. Благодаря VD3 на управляющем электроде не может быть большого отрицательного напряжения.

Для формирования внешней характеристики можно резистор ставить не во вторичной цепи (), а в первичной (резисторна рис. 28,г). Это уменьшает напряжение на первичной обмотке и габариты трансформатора. Шунтирование этого резистора емкостью увеличивает начальный ток и приближает форму импульса к оптимальной.

Если коэффициент усиления одного транзистора оказывается недостаточным, то используют составной транзистор по схеме Дарлингтона, показанный на рис. 28,г. Коэффициент усиления по току составного транзистора практически равен произведению коэффициентов усиления обоих транзисторов в схеме с общим эмиттером (порядка 500...1000).

Габариты трансформатора зависят от количества управляемых тиристоров и длительности импульса управления. За время управляющего импульса длительностью магнитная индукция увеличивается на величинуDB, которая ограничена магнитными свойствами сердечника. Подставляя эти приращения в (45), получим, что объем трансформатора, пропорциональный произведению числа витков первичной обмотки (это половина окна) на сечение сердечника, пропорционален длительности импульса

. (48)

Для уменьшения размеров и массы трансформатора желательно использовать короткие управляющие импульсы. Габариты трансформатора зависят также от величины приращения магнитной индукции. Приращение индукции в частном цикле намного меньше, чем у трансформаторов, на первичную обмотку которых подается переменное напряжение и используется полный цикл перемагничивания с . В импульсных трансформаторах можно также использовать полный цикл перемагничивания. Для этого добавляется размагничивающая обмотка, ток в которой при отсутствии тока в первичной обмотке обеспечивает магнитную индукцию, равную. Во время импульса сердечник перемагничивается до, что позволяет существенно уменьшить габариты трансформаторов.

Удобно размагничивающие обмотки всех импульсных трансформаторов соединить последовательно и запитать от одного источника тока. Источник тока должен быть таким, чтобы во время генерации управляющего импульса, когда в одной из обмоток появляется значительная ЭДС, размагничивающий ток не изменялся, иначе будет наводиться ЭДС во всех импульсных трансформаторах. Из-за этого размагничивание используется редко.

При рассмотрении усилителя не учитывались индуктивности рассеяния обмоток трансформатора и емкости между обмотками, емкость обмоток по отношению к сердечнику и межвитковая. С учетом этих индуктивностей и емкостей трансформатор приближенно описывается дифференциальным уравнением второго порядка и фронты имеют апери-одический или колебательный характер [11, стр.205], поэтому реальная форма импульса вторичного напряжения отличается от прямоугольной.