- •А. П. Маругин
- •1. Основные элементы силовых электронных устройств
- •1.1. Силовые электронные ключи
- •1.2. Силовые диоды
- •1.2.1. Статические характеристики диода
- •1.2.2. Динамические характеристики диода
- •1.2.3. Защита силовых диодов
- •1.2.4. Основные типы силовых диодов
- •1.3. Силовые транзисторы
- •1.3.1. Основные классы силовых транзисторов
- •1.3.2. Статические режимы работы транзисторов
- •1.3.3. Динамические режимы работы силовых транзисторов
- •1.3.4. Обеспечение безопасной работы транзисторов
- •1.4. Тиристоры
- •1.4.1. Принцип действия тиристора
- •1.4.2. Статические вольт-амперные характеристики тиристора
- •1.4.3. Динамические характеристики тиристора
- •1.4.4. Типы тиристоров
- •1.4.5. Запираемые тиристоры
- •2. Схемы управления электронными ключами
- •2.1. Общие сведения о схемах управления
- •2.2. Формирователи импульсов управления
- •2.3. Драйверы управления мощными транзисторами
- •3. Пассивные компоненты и охладители силовых электронных приборов
- •3.1. Электромагнитные компоненты
- •3.1.1. Гистерезис
- •3.1.2. Потери в магнитопроводе
- •3.1.3. Сопротивление магнитному потоку
- •3.1.4. Современные магнитные материалы
- •3.1.5. Потери в обмотках
- •3.2. Конденсаторы для силовой электроники
- •3.2.1. Конденсаторы семейства мку
- •3.2.2. Алюминиевые электролитические конденсаторы
- •3.2.3. Танталовые конденсаторы
- •3.2.4. Пленочные конденсаторы
- •3.2.5. Керамические конденсаторы
- •3.3. Теплоотвод в силовых электронных приборах
- •3.3.1. Тепловые режимы работы силовых электронных ключей
- •3.3.2. Охлаждение силовых электронных ключей
- •4. Принципы управления силовыми электронными ключами
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Фазовое управление
- •4.3. Импульсная модуляция
- •4.4. Микропроцессорные системы управления
- •5. Преобразователи и регуляторы напряжения
- •5.1. Основные виды устройств преобразовательной техники. Основные виды устройств силовой электроники символически изображены на рис. 5.1.
- •5.2. Трехфазные выпрямители
- •5.3. Эквивалентные многофазные схемы
- •5.4. Управляемые выпрямители
- •5.5. Особенности работы полууправляемого выпрямителя
- •5.6. Коммутационные процессы в выпрямителях
- •6. Импульсные преобразователи и регуляторы напряжения
- •6.1. Импульсный регулятор напряжения
- •6.1.1. Импульсный регулятор с шим
- •6.1.2. Импульсный ключевой регулятор
- •6.2. Импульсные регуляторы на основе дросселя
- •6.2.2. Преобразователь с повышением напряжения
- •6.2.3. Инвертирующий преобразователь
- •6.3. Другие разновидности преобразователей
- •7. Инверторы преобразователей частоты
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Инверторы напряжения
- •7.2.1. Автономные однофазные инверторы
- •7.2.2. Однофазные полумостовые инверторы напряжения
- •7.3. Трёхфазные автономные инверторы
- •8. Широтно-импульсная модуляция в преобразователях
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Традиционные методы шим в автономных инверторах
- •8.2.1. Инверторы напряжения
- •8.2.2. Трехфазный инвертор напряжения
- •8.3. Инверторы тока
- •8.4. Модуляция пространственного вектора
- •8.5. Модуляция в преобразователях переменного и постоянного тока
- •8.5.1. Инвертирование
- •8.5.2. Выпрямление
- •9. Преобразователи с сетевой коммутацией
- •10. Преобразователи частоты
- •10.1. Преобразователь с непосредственной связью
- •10.2. Преобразователи с промежуточным звеном
- •10.3.1. Двухтрансформаторная схема
- •10.3.3. Схема каскадных преобразователей
- •11. Резонансные преобразователи
- •11.2. Преобразователи с резонансным контуром
- •11.2.1. Преобразователи с последовательным соединением элементов резонансного контура и нагрузки
- •11.2.2. Преобразователи с параллельным соединением нагрузки
- •11.3. Инверторы с параллельно-последовательным резонансным контуром
- •11.4. Преобразователи класса е
- •11.5. Инверторы с коммутацией в нуле напряжения
- •12. Нормативы на показатели качества электрической энергии
- •12.1. Общие сведения
- •12.2. Коэффициент мощности и кпд выпрямителей
- •12.3. Улучшение коэффициента мощности управляемых выпрямителей
- •12.4. Корректор коэффициента мощности
- •13. Регуляторы переменного напряжения
- •13.1. Регуляторы напряжения переменного тока на тиристорах
- •13.2. Регуляторы напряжения переменного тока на транзисторах
- •Вопросы для самоконтроля
- •14. Новые методы управления люминесцентными лампами
- •Вопросы для самоконтроля
- •Заключение
- •Библиографический список
- •620144, Г. Екатеринбург, Куйбышева ,30
1.3.4. Обеспечение безопасной работы транзисторов
Главным условием надежной работы транзисторов является обеспечение соответствия областей безопасной работы транзисторов их статическим и динамическим вольт- амперным характеристикам, определяемым условиями работы.
Область безопасной работы силовых транзисторов. На рис. 1.19, а представлены ОБР биполярного транзистора при постоянном и импульсном токах различной длительности Максимальное значение тока коллектора Ismax и соответствующий ему участок АВ являются предельными значениями постоянного тока.
Участок ВС ограничивает ОБР в соответствии с максимально допустимой мощностью потерь в приборе. Участок DЕ соответствует максимальному допустимому значению напряжения коллектор-эмиттер UСЕ mах транзистора, превышение которого приводит к пробою структуры транзистора и выходу его из строя. Ограничение на участке СD определяется вторичным пробоем. Под вторичным пробоем понимают выход из строя транзистора под воздействием локальных перегревов отдельных областей структуры. В импульсных режимах работы границы ОБР расширяются: чем короче импульс, тем шире границы ОБР (кривые 1 и 2 на рис. 1.19, а). При импульсах очень малой длительности (кривая 3) ограни- чение по максимально допустимой мощности отсутствует. Это объясняется инерционностью тепловых процессов, вызывающих перегрев структуры транзисторов.
в
Рис. 1.19. Области безопасной работы транзисторов:
а – биполярного; б – МОП; в - МОПБТ
Ограничениями, определяющими область безопасной работы МОП- транзисторов (рис. 1.19, б), являются максимальные допустимые значения тока стока IDmax(участок АВ) и напряжения сток-исток USDmax (участок СD), а также допустимые значения мощности рассеяния (участок ВS), определяемые сопротивлением транзистора в открытом состоянии и напряжением сток-исток . Так же, как и для биполярных транзисторов, границы ОБР для полевых транзисторов в импульсных режимах расширяются (кривые 1, 2, 3). Положительной особенностью области безопасной работы (ОБР) полевых транзисторов, включая и IGBT транзисторы, является отсутствие ограничений, связанных со вторичным пробоем, который в этом классе транзисторов не возникает.
Область безопасной работы МОПБТ может быть при прямом и обратном напряжении (рис. 1.19, в). Область ВАХ, соответствующая об-
ратному напряжению , существует для некоторых типов МОПБТ, что указывается в условиях по их применению [7]. На рис. 1.19, в область обратного напряжения обозначена 1', 2', 3'. Для прямых напряжений ОБР МОПБТ имеет сходство с ОБР полевых транзисторов. Максимальное значение тока Ismax ограничивается условием перехода транзистора в активный режим с повышенным выделением мощности.
Защита транзисторов в динамических режимах работы. Форма динамических ВАХ транзисторов зависит от коммутируемой нагрузки. Например, выключение активно-индуктивной нагрузки вызывает перенапряжения на ключевом элементе. Эти перенапряжения определяются ЭДС самоиндукции L di/dt, возникающей в индуктивной составляющей нагрузки при уменьшении тока iн до нуля. На рис. 1.20 приведены типовые схемы, позволяющие исключить или ограничить перенапряжения при коммутации активно-индуктивной нагрузки. Элементы схемы, снижающие перенапряжения, могут рассматриваться как простейшие цепи формирования траектории переключения (ЦФТП).
В схеме на рис. 1.20, а при выключении транзисторного ключа S под воздействием ЭДС самоиндукции (иL = L di/dt) включается диод VD. При допущении идеальности диода напряжение на ключе иs становится равным напряжению источника питания Е. После выключения ключа S ток замыкается в цепиRн — Lн — VD, постепенно затухая до нуля с постоянной времени н = LН/RН.
а б в г
Рис.1.20. ЦФТП на включение активно-индуктивной нагрузки:
а- на основе обратного диода; б – на основе стабилитрона; в – на основе конденсатора;
г – на основе трансформаторной связи
При этом энергия, накопленная в реакторе индуктивностью Lн, потребляется активным сопротивлением Rн. Аналогичный принцип ограничения перенапряжения используется в схеме на рис. 1.20, б. Разница заключается в том, что включение стабилитрона VD, в отличие от диода, происходит при напряжении пробоя стабилитрона, которое соответствует максимальному напряжению на транзисторном ключе S. В схеме на рис. 1.20, в при выключении ключа S ток нагрузки через диод VD заряжает конденсатор емкостью Сs•
Ограничение перенапряжения в схеме на рис. 1.20, г происходит посредством введения дополнительной цепи с диодом VD, имеющей трансформаторную связь с нагрузкой. При выключении ключа S в обмотке N2 индуцируется ЭДС, под воздействием которой включается диод VD и энергия, накопленная в индуктивности начинает рекуперироваться в источник питания. Перенапряжения на транзисторе и значение рекуперируемого тока определяются соотношением числа витков N1 и N2.
На рис. 1.21 представлена схема транзистора с ЦФТП для уменьшения потерь при выключении и временные диаграммы тока транзистора , напряжения и мощности , выделяемой в транзисторе при разных значениях .
Из диаграмм видно, что увеличение затягивает нарастание напряжения на конденсаторе и уменьшает выделяемую в транзисторе при его выключении энергию =s dt. Накопленная в конденсаторе энергия потребляется резистором при включении транзисторного ключа S. Сопротивление резистора должно обеспечивать за время включенного состояния транзистора разряд конденсатора .
Рис. 1.21. ЦФТП на включение при разных значениях емкости: а- принципиальная схема; б- диаграммы тока, напряжения и мгновенной мощности при = 0; в – диаграммы тока, напряжения и мгновенной мощности при недостаточной емкости ; г – диаграммы тока, напряжения и мгновенной мощности при достаточно большой емкости
Обычно при проектировании минимизируют суммарную мощность, выделяемую в транзисторе и резисторе . Для этого рассчитывают оптимальные значения и Сs. Для вывода этой энергии к моменту очередного выключения ЦФТП должна иметь дополнительные элементы. В частности, для этой цели можно использовать дополнительный резистор и диод VDs. Так как ключевой режим работы транзисторов зависит от периодической коммутации, используют схемы ЦФТП, формирующие необходимые траектории как при включении, так и при выключении (рис. 1.22). В отличие от биполярных в МОП- транзисторах не происходит вторичный пробой, что облегчает задачу их защиты. Кроме того, во включенном состоянии эти транзисторы характеризуются большими значениями эквивалентного сопротивления оп..
При выключении активно-индуктивной нагрузки для вывода энергии, накопленной в индуктивности нагрузки, используют те же способы, что и для биполярных транзисторов ( рис. 1.22). Однако для снятия перенапряжений, обусловленных малыми значениями монтажных индуктивностей и в то же время высокими значениями ,/dt используют RC-цепи, подключенные параллельно транзистору (рис. 1.23), которыми, как правило, и ограничиваются.
МОПБТ обладает повышенной устойчивостью к короткому замыканию. Это обусловлено слабой зависимостью его напряжения насыщения от больших токов. Напряжение насыщения МОПБТ определяется значением напряжения управления, подаваемого на затвор транзистора, которое выбирается с учетом тока короткого замыкания.
Рис.1.22. Пример схемы ЦФТП на включение Рис.1.23. ЦФТП МОП- VT
и выключение на основе RC
Другим фактором, обеспечивающим устойчивость МОПБТ к режимам короткого замыкания, является отрицательное значение температурного коэффициента тока в отличие от положительного его значения у биполярных транзисторов. В этой связи ток короткого замыкания МОПБТ уменьшается при повышении температуры. Эти особенности МОПБТ позволяют кратковременно обеспечить значительное повышение тока коллектора МОПБТ в режиме короткого замыкания без выхода из области безопасной работы.