Мартынов_силаI

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

А. А. Мартынов

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Часть I

Выпрямители и регуляторы переменного напряжения

Санкт-Петербург 2011

УДК 621.314 ББК 31.264.5

М29

Рецензенты:

канд. техн. наук, доцент М. В. Бураков; канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ЦНИИ СЭТ М. Ю. Сергеев

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Мартынов А. А.

М29 Силовая электроника. Ч. I: Выпрямители и регуляторы переменного напряжения: учеб. пособие / А. А. Мартынов. – СПб.: ГУАП, 2011. – 184 с.: ил.

ISBN 978-5-8088-0680-1

Рассматриваются силовые полупроводниковые преобразователи элек­ трической энергии, применяемые в системах регулируемого электропривода,­ электроснабжения и в качестве вторичных источников питания систем управления и радиоэлектронной­ аппаратуры. Основное внимание уделяется описанию построения­ схем, анализу электромагнитных процессов и выводу расчетных соотношений,­ определяющих энергетические показатели и характеристики выпрямителей и регуляторов переменного напряжения.

Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения, изучающих дисциплины «Силовая электроника», «Полупроводниковые преобразователи электрической энергии», «Полупроводниковые устройства систем управления», «Промышленная электроника», «Проектирование вторичных источников питания», «Проектирование источников питания радиотехнических устройств».

УДК 621.314 ББК 31.264.5

ISBN 978-5-8088-0680-1	© Санкт-Петербургский государственный
	университет аэрокосмического
	приборостроения (ГУАП), 2011
	© А. А. Мартынов, 2011

ВВЕДЕНИЕ

Силовая электроника включает в себя полупроводниковые приборы и полупроводниковые преобразователи электрической энергии. Физические свойства, устройство, принцип работы и характеристики полупроводниковых приборов достаточно полно излагаются в курсе «Электроника», поэтому в пособии основное внимание уделяется полупроводниковым преобразователям электрической энергии.

Полупроводниковые преобразователи электрической энергии находят широкое применение в самых разнообразных электротехнических установках и системах, так как в настоящее время только с помощью их внедрения можно получить­ дальнейшее повышение коэффициента полезного действия (КПД), снижение массы и габаритов, повышение точности, быстродействия и расширение диапазонов регулирования в технологии­ и электроприводе [1–6].

Полупроводниковые преобразователи электрической­ энергии применяются:

–в системах электроэнергетики в качестве быстродействующих­ систем возбуждения синхронных генераторов, в системах передачи энергии на постоянном токе, в качестве статических компенсаторов­ реактивной мощности;

–в системах электроснабжения промышленных установок токами нестандартных­ частот, а также постоянным током на тяговых подстанциях электрифицированного транспорта, в электрометаллургии, в установках питания лазеров, плазмотронов, физической аппаратуры;

–в системах электроснабжения автономных подвижных объектов при генерировании электрической энергии и при создании вторичных источников­ питания приборных, вычислительных и радиоэлектронных систем, а также при преобразовании электрической энергии, вырабатываемой топливными­ элементами, солнечными батареями и другими источниками;

3

–в системахэлектроприводапромышленныхпредприятий,транспорта, станков с числовым программным управлением, промышленных роботов и различных устройств автоматического управления.

К полупроводниковым­ преобразователям электрической энергии относятся следующие типы­ преобразователей:

–выпрямители – преобразователи переменного тока в постоянный;

–инверторы – преобразователи постоянного тока в переменный;

–преобразователи частоты и числа фаз переменного тока;

–регуляторы переменного напряжения;

–преобразователи напряжения постоянного тока. Выпрямители, инверторы и другие полупроводниковые преоб-

разовательные устройства выполняются в настоящее время на по­ лупроводниковых вентилях.

Рассмотрим кратко основные типы полупроводниковых приборов (вентилей), применяемых в полупроводниковых преобразователях.

Полупроводниковые приборы (вентили) делятся на два класса – на неуправляемые (диоды) и управляемые (тиристоры и транзисторы) [9]. Управляемые вентили в свою очередь подразделяются на два подкласса – c неполным управлением и с полным управлением.

Условные изображения основных полупроводниковых приборов (полупроводниковых вентилей), применяемых в полупроводниковых преобразователях электрической энергии, показаны на рис. 1, где обозначены:

а – диод; б – тиристор (однооперационный управляемый вентиль) триод-

ный с управлением по катоду; в – запираемый тиристор (двухоперационный управляемый вен-

тиль) с управлением по катоду; г – биполярный транзистор (п-р-п-типа);

д – биполярный транзистор (р-п-р-типа); е – полевой транзистор с р-п-переходом с каналом п-типа;

ж – полевой транзистор с р-п-переходом с каналом р-типа; з – полевой транзистор МДП-типа (с изолированным затвором) со

встроенным каналом р-типа и выводом от подложки; и – полевой транзистор МДП-типа (с изолированным затвором)

со встроенным каналом п-типа;

к– полевой транзистор МДП-типа (с изолированным затвором)

синдукционным каналом р-типа и выводом от подложки;

л– полевой транзистор МДП-типа (с изолированным затвором)

синдукционным каналом п-типа;

м – комбинированный транзистор (IGBT) с каналом п-типа.

4

à)		á)		â)	ã)
À		À		À	Ê
					Á
Ê	ÓÝ	Ê	ÓÝ	Ê	Ý

ä)

å)

æ)

ç)

Ê	Ñ		Ñ		Ñ
Á
Ç	È	Ç	È	Ç	È

Ý

è)

ê)

ë)

ì)

Ñ

Ê

Ñ

Ñ

Ï

Ï

Ï

Ç

Ç

È Ç

È Ç

È

Ý

Рис. 1. Условные обозначения полупроводниковых приборов

Обозначение выводов элементов, приведенных на рис. 1: А – анод; К – катод;

УЭ – управляющий электрод; К-Э – коллектор – эмиттер транзистора; Б – база транзистора; З – затвор; И – исток; С – сток;

П – подложка.

Диоды

Диоды – неуправляемые полупроводниковые приборы, обладающие односторонней проводимостью. Условное обозначение диода приведено на рис. 1, а. Диод проводит ток при подаче на него напряжения в прямом направлении (« + » – на аноде, «–» – на катоде). Часто при рассмотрении характеристик полупроводниковых преобразователей электрической энергии применяют допущения – считают полупроводниковые приборы идеальными. Вольт-амперная

5

характеристика (ВАХ) идеального диода приведена на рис. 2, а. В таком приборе имеется нулевое падение напряжения ∆Uв.пр при протекании прямого тока, нулевой обратный ток Iобр при приложении отрицательного напряжения и лавинообразный процесс нарастания аварийного обратного тока при отрицательном напряжении, превышающем величину напряжения пробоя Uпр.

Выбор диода выполняют по двум параметрам: по среднему значению прямого тока, протекающего через него в открытом состоянии, IА, и максимальному значению обратного напряжения, прикладываемого к вентилю в закрытом состоянии, Uобр max.

Справочные данные по параметрам диодов приведены в конце учебного пособия (см. табл. 15–19).

Вентиль с неполным управлением – однооперационный управляемый вентиль (тиристор)

Вентили с неполным управлением характеризуются тем, что переход из состояния «выключено» в состояние «включено» возможен даже при кратковременном воздействии маломощным сигналом по цепи управления при наличии на вентиле напряжения в прямом направлении (« + » – на аноде, «–» – на катоде), т. е. напряжения такой полярности, при которой он может пропускать ток. Переход вентиля из состояния «включено» в состояние «выключено», т. е. запирание вентиля и прекращение протекания через него прямого тока, возможен только при смене полярности напряжения на вентиле (на выводах «анод-катод»), т. е. при приложении к нему напряжения обратной полярности («–» – на аноде, « + » – на катоде). Таким образом, неполная управляемость означает, что вентиль можно включить воздействием по цепи управления, но невозможно выключить

	à)	IA	á)	IA	∆Uв.пр	= 0
		Iобр		Iобр = 0	Uпр.кл
	Uпр		Uпр
		UA				UA

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики идеальных диода (а) и тиристора (б)

6

по цепи управления. Для выключения тиристора необходимо сменить полярность напряжения на вентиле на обратную. ВАХ идеального однооперационного вентиля представлена на рис. 2, б. Как следует из изложенного, однооперационный управляемый вентиль способен запирать (блокировать) прямое приложенное к тиристору напряжение вплоть до подачи импульса управления на управляющий электрод тиристора.

Принятые на рис. 2 обозначения: IА – анодный ток;

UА – напряжение анод-катод;

Uпр – напряжение пробоя при приложении к вентилю напряжения в обратном направлении;

Uпр.кл – напряжение переключения при приложении к вентилю напряжения в прямом направлении;

Iобр – ток, протекающий через вентиль при приложении к вентилю напряжения в обратном направлении;

∆Uв.пр – прямое падение напряжения на открытом вентиле. Основные параметры тиристоров, с учетом которых производит-

ся их выбор:

IА – среднее значение тока тиристора, по которому он маркируется заводом-изготовителем исходя из уровня допустимых потерь активной мощности (выделения тепла) в вентиле при прохождении прямого тока;

Uпр max – максимально допустимое прямое напряжение, которое тиристор может выдерживать без пробоя;

Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, которое тиристор может выдерживать без пробоя;

tq – время восстановления управляющих свойств тиристора, определяется как минимально необходимая продолжительность приложения к нему обратного напряжения (при его выключении) после прохождения прямого тока, в течение которого тиристор восстанавливает свои запирающие свойства, после чего к нему вновь можно приложить прямое напряжение;

duпр/dt – предельная скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре, при превышении которого возможно включение тиристора в прямом направлении. Для большинства современных тиристоров этот показатель находится в пределах от 100 до 1000 В/мкс;

diпр/dt – предельная скорость нарастания прямого тока тиристора при его включении, связанная с его неполным распределением по площади р-n-перехода. Обычно этот показатель находится в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен ампер в микросекунду;

7

fпр – предельная частота импульсов прямого тока, до которой вентиль может работать без снижения допустимого среднего значения анодного тока. Для низкочастотных тиристоров и диодов эта величина равна 400 Гц, а для высокочастотных тиристоров и диодов – до 10–20 кГц;

∫i2dt – защитный показатель вентиля – это значение временного интеграла от квадрата ударного прямого тока, возникающего при аварии, при превышении которого вентиль разрушается. Чем больше значение аварийного прямого тока через вентиль, тем меньше его длительность; Uу.э, Iу.э – напряжение и ток управления тиристора, протекающий в цепи управления тиристора. Значение параметров: Uу.э –

несколько вольт, а Iу.э – доли ампер.

В качестве примера основных характеристик современных однооперационных управляемых вентилей приведем предельные эксплуатационные показатели тиристоров серии Т:

–рабочие токи – до 10 000 А;

–рабочее напряжение – до 6500 В;

–ударные токи – до 100 кА;

– коммутируемые мощности – до 10 МВт в длительном режиме и до 500 МВт в импульсном режиме.

Справочные данные по нескольким типам тиристоров приведены в табл. 20–22 в конце учебного пособия.

Для диодов и тиристоров введены условные обозначения классов по напряжению и условные обозначения для групп (табл. 1–5):

–по допустимой скорости изменения напряжения на тиристоре (du/dt);

–по времени выключения тиристора tвыкл;

–по времени обратного восстановления tq.

Таблица 1

Условные обозначения классов тиристоров и диодов

	Класс	1	2	3	4	….	54	56	58	60
	по напряжению
	Uобр max, В	100	200	300	400	….	5400	5600	5800	6000

Таблица 2

Условные обозначения групп для тиристоров (du/dt)

	Обозначение	Р3	А3	К2	Е2	А2	…	Е1	С1	В1
	группы
	(du/dt)критич,	20	100	320	500	1000	…	5000	6300	8000
	В/мкс

8

Таблица 3

Условные обозначения групп для небыстродействующих тиристоров по времени восстановления tq

	Обозначение	В2	С2	Е2	Н2	…	В3	С3	Е3	Н3
	группы
	tq, мкс	800	630	500	400	…	80	63	50	40

Таблица 4

Условные обозначения групп для быстродействующих тиристоров по времени восстановления tq

	Обозначение	С3	Е3	Н3	К3	М3	…	К4	Р4	Х4	В5	Е5
	группы
	tq, мкс	63	50	40	32	25	…	3,2	2	1,25	0,8	0,5

Таблица 5

Условные обозначения групп для быстровосстанавливающихся диодов по времени обратного восстановления tq

	Обозначение	А4	В4	С4	Е4	…	А6	Е6	Н6	Р6	А7
	группы
	tq, мкс	10	8	6,3	5	…	0,1	0,05	0,04	0,02	0,01

Приведенный в табл. 1–5 широкий спектор параметров тиристоров и диодов позволяет разработчику полупроводникового преобразователя подобрать полупроводниковые вентили с параметрами, наиболее близко совпадающими с теми, что были определены в процессе расчета преобразователя.

Вентили с полным управлением

Вентили с полным управлением характеризуются тем, что их можно отпереть и запереть при наличии на них прямого напряжения воздействием только по цепи управления.

Основными вентилями с полным управлением мощных полупроводниковых преобразователей являются запираемые (двухоперационные) тиристоры, которые принято обозначать как GTO (Gate Turn Off) и силовые транзисторы с изолированным затвором, обозначаемые как IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor).

9

Запираемые (двухоперационные) тиристоры отличаются от обычных (однооперационных) тиристоров тем, что их можно запереть подачей короткого импульса тока обратной полярности

вцепь управляющего электрода. Условное обозначение GTOтиристора приведено на рис. 1, в. Следует отметить, что амплитуда этого импульса управления должна быть не менее одной трети импульса анодного тока, протекавшего через вентиль перед его выключением. Такая большая величина импульса тока цепи управления объясняется невысоким коэффициентом усиления по току при запирании тиристора. Поэтому для запираемых тиристоров важны не средние значения прямого тока, а максимальные (мгновенные) значения, по которым они маркируются. Достигнутые предельные параметры запираемых тиристоров: по прямому току – до 2,5 кА, по напряжению – до 6 кВ, по частоте переключения – до 2–3 кГц, по коэффициенту усиления по току выключения – до 3–5.

Впоследние годы GTO-тиристоры были модифицированы и создан новый тип вентиля – тиристор, коммутируемый по управляющему электроду (GCT – Gate Commutated Thyristor или IGCT – Integrated Gate Commutated Thyristor). В нем за счет того, что весь ток включения-выключения коммутируется через управляющий электрод, на порядок сокращается время коммутации и коммутационные потери. Это позволило создать IGCT на 3 и 3,5 кА. Для него,

вотличие от GTO-тиристора, не требуется снабберов – специальных внешних цепей, формирующих траекторию рабочей точки при выключении тиристора.

Впростейшем случае снаббер – это конденсатор, ограничивающий скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре при его выключении. Последовательно с конденсатором включается активное сопротивление для ограничения тока конденсатора.

Транзисторы. Принципиальным отличием транзисторов от обычных и запираемых тиристоров, включаемых и выключаемых короткими импульсами управления, является то, что для них наличие сигнала управления необходимо в течение всего времени прохождения через транзистор прямого тока. Предельные электрические параметры транзистора, определяющие возможности его применения в устройствах силовой электроники, зависят от типа транзистора.

Биполярные транзисторы представляют собой трехслойные полупроводниковые структуры p-n-p или n-р-n, в которых имеются два p-n-перехода: база-эмиттер и база-коллектор. Условное обозна-

10