Преобразовательная техника

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I»

(ФГБОУ ВПО ПГУПС)

Кафедра «Электромеханические комплексы и системы»

В. В. Никитин, Е. Г. Середа, Б. А. Трифонов

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Учебное пособие

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2014

УДК 621.382 ББК 31.264.5

Н62

Р е ц е н з е н т ы:

доцент кафедры электротехники и электрооборудования СПбГЛУ им. С. М. Кирова, кандидат технических наук, доцент

И. Д. Лупкин;

профессор кафедры электромеханические комплексы и системы ПГУПС, доктор технических наук, профессор

заслуженный деятель науки и техники РФ

А. И. Хожаинов

Никитин В. В.

Преобразовательная техника : учеб. пособие / В. В. НикиН62 тин, Е. Г. Середа, Б. А. Трифонов. – СПб. : ФГБОУ ВПО ПГУПС,

2014. – 100 с.

ISBN 978-5-7641-0589-5

В пособии рассматриваются устройство, принцип действия и основные характеристики полупроводниковых преобразователей энергии – выпрямителей, инверторов и преобразователей частоты, импульсных преобразователей постоянного напряжения.

Предназначено для студентов неэлектротехнических специальностей и направлений подготовки. Может быть рекомендовано студентам электротехнических специальностей для первичного освоения устройств электронной преобразовательной техники.

УДК 621.382 ББК 31.264.5

ISBN 978-5-7641-0589-5	© Никитин В. В., Середа Е. Г.,
	Трифонов Б. А., 2014
	© ФГБОУ ВПО ПГУПС, 2014

2

Введение

Настоящее учебное пособие предназначено для оказания помощи студентам неэлектротехнических специальностей и направлений подготовки при освоении ими учебных дисциплин, связанных с электронной преобразовательной техникой. Оно рекомендуется в первую очередь студентам, обучающимся по специальностям «Подвижной состав железных дорог», «Наземные транспортно-технологические комплексы», а также по направлению подготовки бакалавров «Эксплуатация транспортно-техноло- гических машин и комплексов» (все формы обучения).

Несмотря на то что электронная преобразовательная техника все шире применяется в промышленности и на транспорте, найти учебную литературу, в которой материал по этому направлению излагался бы компактно и доступно, весьма непросто. Подавляющее большинство учебной литературы ориентировано на электротехнические или электроэнергетические специальности, и пользование такой литературой для студентов-механиков, как показала многолетняя практика преподавания, затруднительно. Причинами тому являются, с одной стороны, чрезмерные для студентовмехаников широта изложения материала и высокий теоретический уровень (абсолютно, впрочем, оправданный для электротехнических и электроэнергетических специальностей), а с другой стороны – жесткий дефицит аудиторных часов, выделяемых на освоение электронной преобразовательной техники. Последнее особенно остро ощущается студентами очнозаочной и заочной форм обучения.

Учитывая это, авторы поставили перед собой задачу подготовить такое пособие, в котором сложный для изучения, но совершенно необходимый современному инженеру (бакалавру, магистру), материал излагался бы лаконично, наглядно и доступно. По существу, предлагаемое учебное пособие можно использовать и студентам электротехнических специальностей как программу-минимум для первого знакомства с преобразовательной техникой. Насколько авторам удалось решить поставленную задачу – судить благосклонному читателю.

При написании учебного пособия авторы исходили из того, что студенты уже знакомы с основами электротехники и элементной базой электронной преобразовательной техники, т. е. владеют основными законами, понятиями и методами расчета электрических цепей и знают принцип дей-

3

ствия и основные характеристики полупроводниковых приборов. Все эти учебные вопросы освещаются в ходе изучения предшествующих дисциплин – «Электротехника и электроника», «Общая электротехника и электроника» и т. п. Ориентируясь главным образом на студентов-механиков, авторы сознательно не стали включать в учебное пособие вопросы построения систем управления полупроводниковыми преобразователями, ограничившись лишь рассмотрением процессов в силовой части.

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Прогресс преобразовательной техники в конце прошлого века связан с разработкой силовых полупроводниковых приборов как традиционных типов (таких как диоды, транзисторы и тиристоры), так и новых типов – биполярных транзисторов с изолированным затвором (для их сокращенного именования, как правило, используется англоязычная аббревиатура IGBT). Современная тенденция развития преобразователей – это использование силовых приборов в качестве силовых управляемых ключей (УК), что позволило значительно снизить потери в УК и повысить КПД преобразователя.

При анализе процессов, происходящих в силовых цепях полупроводниковых преобразователей, УК, как правило, идеализируют. Идеальный силовой УК характеризуется тем, что его сопротивление во включенном состоянии равно нулю, а в выключенном состоянии бесконечно велико. Конечно, реальные ключевые элементы силовой электроники только в той или иной степени соответствуют свойствам идеального ключа.

Современные силовые электронные приборы, используемые в качестве ключевых элементов, разделяются на две группы:

1.Не полностью управляемые приборы. Это приборы, которые подачей управляющего сигнала переводятся только в проводящее состояние, а процесс выключения прибора осуществляется созданием дополнительных условий, например, изменением полярности питающего напряжения или прерыванием тока, протекавшего через прибор. К таким приборам относятся однооперационные тиристоры и симисторы.

2.Полностью управляемые (запираемые) приборы. Это приборы, которые подачей управляющего сигнала переводятся как в проводящее состояние, так и в непроводящее состояние. К приборам данного типа относятся биполярные и униполярные (полевые) транзисторы, запираемые тиристоры и приборы комбинированного типа – IGBT-транзисторы.

Рассмотрим работу схемы управляемого ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ), представленной на рис. 1.1. Ключевой режим работы характеризуется двумя состояниями

4

транзистора: состоянием насыщения, когда бесконтактный УК замкнут, и состоянием отсечки, когда бесконтактный УК разомкнут.

Режим насыщения соответствует положению рабочей точки А (см.

рис. 1.1, б).

а) б)

				iк	Iб = Iб.нас.min
		iк	Eк
	Rк		R	А
			к
			Iкн
	Rб		+
			Eк
	iб	uкэ	–
uвх					B	Iб = 0
						C uкэ
				Uкэн	Iкбо	Eк

Рис. 1.1. Схема УК на биполярном транзисторе:

а– принципиальная схема ключа;

б– выходная характеристика транзистора

Ток коллектора транзистора определяется соотношением

ik

iб

,

где iб – ток базы транзистора;

β – коэффициент передачи тока базы.

При увеличении входного сигнала uвх (а значит, и тока базы) увеличивается ток коллектора iк, а напряжение между коллектором-эмиттером uкэ, определяемое выражением

uкэ Eк iк Rк ,

увеличивается.

Максимальное значение тока коллектора транзистора Iк

I			E	U
			к		кэн
	к max			R
				к

,

где Uкэн – напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в состоянии насыщения.

Напряжение насыщения Uкэн транзисторов различного типа обычно имеет величину порядка 0,08…1 В. В состоянии насыщения величина входного сигнала uвх Uкэн и коллекторный переход транзистора смещается в прямом направлении. Это приводит к нарастанию тока Iк до макси-

5

мального значения, ограниченного сопротивлением Rк. Минимальное значение тока базы, необходимое для достижения этого режима, определяется соотношением

I			I	к нас
	б нас min

Е
	к
R
к

.

Степень насыщения транзистора оценивается коэффициентом насыщения, определяемым отношением реального тока базы iб к минимальному значению тока базы, необходимому для обеспечения режима насыщения

Iб.нас min:

q = iб/Iб.нас min > 1.

Увеличение тока базы iб в режиме насыщения уменьшает напряжение между коллектором и эмиттером, что приводит к уменьшению мощности, выделяемой в транзисторе, однако это уменьшение практически прекращается при q = 3. Кроме того, чрезмерное увеличение тока базы приводит к заметному увеличению мощности, выделяемой во входной цепи. Обычно значение коэффициента насыщения выбирают в пределах q = = 1, 5…2. Основное достоинство режима насыщения заключается в том, что мощность, теряемая в транзисторе мала, так как Uкэн ≈ 0.

Режиму разомкнутого состояния ключа (отсечки) соответствует положение рабочей точки В на рис. 1.1, б, при этом через транзистор протекает минимальный ток iк = Iкбо ≈ 0 (обратный ток коллекторного перехода), а напряжение uкэ ≈ Ек. Для достижения режима отсечки необходимо сместить эмиттерный переход транзистора в обратном направлении путем изменения полярности входного напряжения. Величина этого напряжения существенно сказывается на времени выключения транзистора: с увеличением напряжения это время уменьшается. Однако приложение большого обратного напряжения к переходу «база – эмиттер» опасно, так как может произойти его пробой. Величина обратного напряжения, подаваемого на переход «база – эмиттер», обычно не превышает Uбэ ≤ 5…6 В. Мощность, теряемая на транзисторе Pк = iк∙uкэ в режиме отсечки, мала, поскольку ток

коллектора iк = Iкбо ≈ 0.

Таким образом, работа транзистора в ключевом режиме характеризуется малыми потерями мощности и высоким КПД, что является основным преимуществом при применении таких ключей в устройствах преобразовательной техники. Однако практическое применение ключей на биполярных транзисторах ограничено рядом присущих им недостатков: малым коэффициентом усиления в приборах большой мощности и его большим разбросом у разных партий приборов, усложнением работы при активноиндуктивной нагрузке, что приводит к значительному усложнению полной схемы преобразователя и снижению его КПД.

6

Ic.нас

В силу этих причин в настоящее время предпочтение отдано ключам на униполярных (полевых) транзисторах (рис. 1.2). Основное отличие униполярного транзистора МДП-типа (MOSFET) – это наличие канала, выполненного из полупроводника р-типа или n-типа. МДП-транзисторы имеют выводы для включения во внешнюю цепь: И – исток, С – сток. Канал покрыт пленкой диэлектрика, на которой расположена металлическая пластина, называемая затвором (З) и имеющая вывод для подключения к цепи управления. Таким образом, затвор электрически изолирован от цепи «сток – исток» и воздействие на ток канала осуществляется не током, а изменением потенциала затвора. При этом ток затвора практически равен нулю, и для управления прибором требуется мощность значительно меньшая, чем для биполярного транзистора. Кроме того, полевой транзистор обладает высокой температурной стабильностью, так как рост температуры, при протекании тока по каналу в открытом состоянии, приводит к увеличению его внутреннего сопротивления и, следовательно, к уменьшению тока. Изменение тока канала транзистора осуществляется изменением потенциала, подаваемого на затвор. Увеличение запирающего (отрицательного) потенциала затвора Uзи ведет к полному перекрытию канала и при некотором напряжении Uзи.отс, называемом напряжением отсечки, ток канала Ic ≈ 0 (точка В на выходной характеристике, рис. 1.2, б). Увеличение потенциала Uзи приведет к увеличению тока канала вплоть до значения

(точка А на рис. 1.2, б). Схема транзисторного ключа на униполярном МДП-транзисторе представлена на рис. 1.2.

а) б)

		Iс		Uзи > 0
	iс	Eси
Rс		R
		с
	+	А		Uзи = 0
		Ic.нас
	Eси
	uси –			Uзи < 0
uзи			B
				uси
		Uси.нас		Eси

Рис. 1.2. Схема УК на полевом (униполярном) транзисторе:

а– принципиальная схема ключа;

б– выходная характеристика транзистора

7

В открытом состоянии (точка А на рис. 1.2, б) напряжение Uси нас мало и ток канала

Ic.нас = (Eси – Uси.нас)/Rc ≈ Eси/Rc.

Режиму насыщения униполярного транзистора соответствует точка А (рис. 1.2, б). Открытое состояние ключа будет поддерживаться при условии, что

Uзи ≥ Uзи.нас.

Режим закрытого состояния ключа (точка В на рис. 2, б) определяется условием, при котором ток канала Iс = 0 и напряжение Uси = Eси. Для этого на затвор транзистора необходимо подать напряжение

Uзи < Uзи.отс.

Основной недостаток силового униполярного транзистора – наличие сопротивления в открытом состоянии. Это сопротивление порядка 10–2…10–1 Ом для транзисторов с допустимым напряжением Uси ≤ 250… 300 В. Увеличение допустимого значения напряжения Uси приводит к значительному росту сопротивления канала, что ограничивает применение данного прибора в высоковольтных схемах преобразователей.

Стремление сочетать положительные свойства силовых биполярных и полевых транзисторов привело к созданию комбинированного прибора, состоящего из входного управляющего транзистора типа MOSFET и выходного биполярного каскада. Прибор получил название биполярного транзистора с изолированным затвором. В настоящее время эти приборы получили наименование IGBT. На рис. 1.3 приведены эквивалентная схема замещения прибора и его условное обозначение. Для подключения к внешней цепи транзистор (см. рис. 1.3, а) снабжен тремя выводами: затвор G входного транзистора VT1, эмиттер E и коллектор C. Несмотря на то что последний вывод С на самом деле соединен с эмиттером выходного транзистора VT2, у такого «составного» транзистора он именуется коллектором (рис. 1.3, б и в). Затвор IGBT-транзистора электрически изолирован от канала тонким слоем диэлектрика, следовательно, управление транзистором VT1 осуществляется подачей напряжения между выводами «затвор – эмиттер» прибора. Для перевода в режим насыщения к затвору необходимо подать напряжение величиной до +15 В. Перевод транзистора в закрытое состояние может быть осуществлен подачей к затвору прибора нулевого или отрицательного напряжения не более –15 В. Максимально допустимое напряжение между затвором и эмиттером не должно превышать +20 В.

Для предварительного выбора транзистора необходимо знать следующие основные параметры прибора:

1) IС – постоянный ток коллектора при нормальной температуре корпуса +25 °С и при температуре +100 °С;

8

2)UCES – допустимое рабочее напряжение между коллектором и эмиттером;

3)UECS – максимально допустимое напряжение «эмиттер – коллектор», которое характеризует способность IGBT-транзистора выдерживать обратное напряжение.

а)

C

G

затвор

	б)	в)
	C	C
		VT 2
коллектор
	Rmod	Rmod
VT1
Е эмиттер	VT 3	VT1

G	R	G
	b

Е

Е

VT 2

Рис. 1.3. Схемное обозначение и эквивалентные схемы силового IGBT-транзистора:

а – схемное обозначение; б и в – эквивалентные схемы

Транзисторы требуют выполнения специальных условий для работы в режиме управляемых ключей. В отличие от них тиристоры как раз и предназначены для работы в таких режимах. По принципу работы тиристоры являются приборами ключевого действия, способными под действием сигнала управления переходить из закрытого состояния в открытое. По конструкции тиристоры являются приборами, выполненными на четырехслойной структуре в основном типа p-n-p-n. По принципу работы тиристоры делятся на не полностью управляемые (так называемые однооперационные, или тиристоры SCR) и полностью управляемые – запираемые тиристоры (GTO). На рис. 1.4 показаны условные обозначения данных тиристоров, схема включения и вольт-амперная характеристика (ВАХ).

При подаче на тиристор только анодного напряжения Еа ток в цепи будет отсутствовать (участок I на вольт-амперной характеристике – рис. 1.4, г). При подаче анодного напряжения (на анод тиристора) и управляющего сигнала положительной полярности (на управляющий электрод УЭ) тиристор включается и через нагрузку Rн протекает ток Iа (точка 2 на участке II ВАХ). Величина этого тока ограничивается сопротивлением внешней цепи:

Iа = Eа /Rн.

Однако тиристор можно включить и без подачи управляющего сигнала, если анодное напряжение будет больше напряжения включения Uвкл

9

(рис. 1.4, г). Такое включение тиристора называется «включением по аноду» и на практике применяется очень редко. Включенное состояние тиристора сохраняется и после снятия управляющего сигнала.

Для того чтобы выключить однооперационный тиристор, необходимо выполнить дополнительные условия: либо снизить величину анодного напряжения до нуля, либо изменить его полярность, либо прервать анодный ток. Эти условия выполняются естественным образом (например, при изменении полярности напряжения питающей сети) или обеспечиваются дополнительными схемными решениями (схемами коммутации).

а)	А	б)	А	в)	iа

		УЭ		Rн	Еа
УЭ
			К
К	iа
				VS	Uа
			II
	Еа/Rн	2
				iy
	г)		Iy > 0	Iy = 0
			Uвкл1	Uвкл	Uа
				I

Рис. 1.4. Условные обозначения однооперационного (а)

иполностью управляемого (б) тиристора, схема включения тиристора (в)

ивольт-амперная характеристика тиристора (г)

Совершенствование тиристоров привело к созданию полностью управляемых приборов, получивших название «запираемых тиристоров» (полностью управляемые тиристоры, или GTO-тиристоры). GTO-тиристоры выключаются подачей сигнала отрицательной полярности на управляющий электрод УЭ, а включаются подачей на УЭ отпирающего сигнала положительной полярности. В табл. 1.1 приведены сравнительные характеристики современных приборов силовой электроники.

Качественное улучшение разрабатываемых преобразователей связано с применением в их схемах силовых модулей. Схема любого преобразователя состоит из типовых узлов, часто такие узлы состоят из транзистора и диода. Такие типовые узлы, выполненные в общем корпусе, более удобны в производстве и эксплуатации. Они получили название силовых модулей. Использование силовых модулей позволило значительно упростить конструирование и улучшить многие параметры устройств преобразовательной техники. На рис. 1.5 приведены некоторые схемы силовых модулей, выполненных на IGBT-транзисторах. В табл. 1.2 приведены характеристики силовых модулей, выпускаемых отечественной промышленностью.

10