Электрическая схема управления 2 страница

Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2.36в. Прибор введен в силовую цепь выводами биполярного транзистора Э (эмиттер) и К (коллектор), а в цепь управления – выводом З (затвор). Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.

Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n - канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного транзистора.

а б в

Рис. 2.36. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT-транзистор): а – структура; б – условное графическое и буквенное обозначение; в – эквивалентная схема

В настоящее время IGBT – транзисторы выпускаются, как правило, в виде модулей в прямоугольных корпусах с односторонним прижимом и охлаждением ("Mitsubishi", "Siemens", "Semikron" и др.) и таблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением ("Toshiba Semiconductor Group"). Модули с односторонним охлаждением выполняются в прочном пластмассовом корпусе с паяными контактами и изолированным основанием. Все электрические контакты находятся в верхней части корпуса. Отвод тепла осуществляется через основание.

В настоящее время производство силовых IGBT-модулей освоено рядом российских предприятий электронной промышленности (АО "Электровыпрямитель", НПК "ИСЭ" и другие). Основными элементами в модулях являются IGBT-чипы, изготовленные по NPT (Non punch through) технологии. IGBT - транзисторы, изготовленные по этой технологии, обладают высокой du/dt стойкостью, практически прямоугольной областью безопасной работы, что обеспечивает надёжную работу приборов при предельных загрузках по току и напряжению. Эти транзисторы имеют положительный температурный коэффициент напряжения насыщения, что позволяет успешно использовать IGBT- модули в параллельных соединениях.

Максимальные токи, которые могут коммутировать современные IGBT транзисторы, находятся в пределах от 7 до 150 А, а их допустимый импульсный ток, как правило, в 2,5 – 3,0 раза превышает максимальный. Для больших мощностей выпускаются, составленные из нескольких транзисторов, модули с предельными значениями тока до 1000 А. Пробивные напряжения IGBT- транзисторов находятся в пределах от 400 до 4500 В.

Современные IGBT-модули находят сегодня широкое применение при создании неуправляемых и управляемых выпрямителей, автономных инверторов для питания двигателей постоянного и переменного тока средней мощности и др.

Тиристоры. Тиристоромназывают полупроводниковый управляемый прибор ключевого типа с четырехслойной структурой p - n - p - n,имеющий два устойчивых электрических состояния – закрытое и открытое. По количеству выводов различают диодный тиристор, обладающий двумя выводами (анод и катод) и триодный тиристор, имеющий три вывода – анод, катод и управляющий электрод. Обычно тиристоры изготавливают из кремния.

Тиристоры, выключение которых по цепи управления невозможно, получили название однооперационных, т.е. неполностью управляемых. Они нашли широкое применение в управляемых выпрямителях переменного тока в постоянный ток.

Одновременно с созданием тиристора начались исследования на обеспечение его выключения по управляющему электроду. Первые подобные тиристоры появились в 1960 г. в США. Они получили название Gate Turn OFF (GTO). В нашей стране они больше известны как запираемые или выключаемые тиристоры. В середине 90-х годов фирмами “АВВ” и “Mitsubishi” был разработан запираемый тиристор с кольцевым выводом управляющего электрода. Он получил название Gate Commutate Thyristor (GCT).

В России производство тиристоров GCT и GTO освоено на предприятии ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск). В настоящее время фирмой “ABB” производятся запираемые тиристоры с интегрированным блоком управления (драйвером) (IGCT) с параметрами по напряжению до 6000 В, а по току до 4000 А, при частоте переключения от 500 Гц до 2 кГц, областью применения которых являются мощные источники питания (инверторная и выпрямительная подстанции линий передач постоянного тока) и высоковольтный электропривод (инверторы напряжения для преобразователей частоты и электроприводов различного назначения).

Таким образом, тиристор в электрических цепях является аналогом бесконтактного выключателя.

Структура, условное графическое и буквенное обозначение и вольт - амперная характеристика тиристора показаны на рис. 2.37.

Тиристор имеет три p - n – перехода П1, П2, П3 и три внешних вывода: анод А, катод К и управляющий электрод УЭ (рис. 2.37а).

Питающее напряжение подается на тиристор таким образом, что переходы П1 и П3 открыты, а переход П2 закрыт. Сопротивления открытых переходов незначительны, поэтому почти все питающее напряжение (рис. 2.37а) приложено к закрытому переходу П2, имеющему высокое сопротивление. Следовательно, ток тиристора мал.

Если ток в цепи управления отсутствует, то при повышении напряжения ток тиристора (линия ОА на рис. 2.37в) увеличивается незначительно, пока напряжение не превышает напряжение переключения U_пер (точка А). При > U_пер тиристор включается, и анодный ток практически ограничивается значением сопротивления нагрузки R_н (см. рис. 2.39а). С увеличением тока управления включение тиристора происходит при меньших значениях прямого анодного напряжения. После включения тиристора его электрическое состояние характеризуется малым сопротивлением между анодом и катодом (линия ВС). Включенное состояние тиристора сохраняется и по окончании действия тока управления. Тиристор выключается, если анодный ток становится меньше тока удержания I_уд (точка В). При некотором значении тока управления прямая ветвь вольт-амперной характеристики (ВАХ) тиристора становится аналогичной ВАХ неуправляемого диода (участок ОБС), т.е. “спрямляется”; этот ток называют током управления спрямления I_{у спр}. Для тиристоров также как и для диодов указывают параметры обратной ветви ОD.

Рис. 2.37. Управляемый диод – тиристор: а – структура;

б – условное изображение; вольт – амперная характеристика

На практике обычно используют импульсный способ включения тиристоров, при котором ток управления формируют в виде коротких (порядка нескольких микросекунд) положительных импульсов с большой скоростью нарастания.

После окончания импульса управления тиристор остается во включенном состоянии, если анодный ток, зависящий от напряжения и сопротивления R_н, будет больше тока удержания I_уд.

Для выключения тиристоров применяют различные схемы, построение которых во многом определяется принципом работы конкретного электронного устройства. Так при работе тиристора в цепи переменного тока, когда напряжение между анодом и катодом тиристора периодически изменяет свой знак, тиристор закрывается в момент перехода анодного тока через нулевое значение (режим свободной коммутации) и никакой специальной схемы не требуется. В цепях постоянного тока небольшой мощности для запирания тиристора могут вводиться специальные элементы, обеспечивающие кратковременное уменьшение анодного тока до уровня, меньше тока удержания, что осуществляют приложением к силовой цепи тиристора обратного анодного напряжения. Таким элементом чаще всего является конденсатор. В современных преобразовательных установках (инверторах) большой мощности применяют запираемые тиристоры GTO, GCT и IGCT.

Выпрямители

Выпрямитель – это устройство, преобразующее переменный токв постоянный или пульсирующий. Выпрямители классифицируются по следующим признакам:

– по количеству фаз (однофазные и трёхфазные);

– по виду выпрямительных элементов;

– неуправляемые и управляемые;

– по способу включения выпрямительных элементов (мостовые и с нулевой точкой);

Однофазные выпрямители. Наиболее простой однофазный выпрямитель осуществляет однополупериодное выпрямление (см. рис. 2.38а) [11], так как ток проходит через диод VD и нагрузку R_нтолько при наличии на аноде диода положительного потенциала. При этом напряжение на выходе, как и в других случаях, не является строго постоянным. Эта схема дает наибольший коэффициент пульсации k_п = 1,57. Постоянная составляющая напряжение на нагрузке U₀ = 0,45 U₂.

В однофазном двухполупериодном выпрямителе на трансформаторе с выводом средней точки (рис. 2.38б) в первый полупериод под действием напряжения ток проходит через диод , а во второй полупериод под действием напряжения – через диод . При этом как в первый, так и во второй полупериоды ток через нагрузку R_н проходит в одном и том же направлении.

Рис. 2.38. Схемы и временные диаграммы однофазных

выпрямителей

В однофазном мостовом выпрямителе (рис. 2.40в) в одну половину периода ток проходит через диод , нагрузку R_н и диод , а в другую половину периода – через диод , нагрузку R_н и диод . Выходное напряжение оказывается сформированным из полуволн одного знака, следующих без разрыва друг за другом. Постоянная составляющая в обоих однофазных двухполупериодных выпрямителя U₀ = 0,9 U₂ , коэффициент пульсации k_п = 0,66. Частота пульсаций в однополупериодном выпрямителе соответствует частоте питающей сети, а в двухполупериодном выпрямителе она в два раза больше.

Пульсации выпрямленного напряжения значительно уменьшаются, а частота их возрастает при многофазном выпрямлении.

Однофазные управляемые выпрямители. Для примера рассмотрим однофазный управляемый двухполупериодный выпрямитель (рис. 2.39), выполненный на тиристорах по схеме с выводом средней точки трансформатора. Он содержит трансформатор напряжения с двумя одинаковыми секциями вторичной обмотки, два тиристора и . Нагрузкой выпрямителя является резистор .

Рис. 2.39. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя на тиристорах

Рассмотрим работу выпрямителя, используя временные диаграммы напряжений (рис. 2.40). В интервале углов от 0 до напряжение положительно. Ток нагрузки = проходит по цепи (см. рис. 2.39: вывод 1 трансформатора – – – вывод 3) с момента включения тиристора , оцениваемого углом включения (см. рис. 2.40г), так как в его цепи управления появляется ток > 0. Тиристор будет выключен, так как к нему приложено обратное анодное напряжение.

В интервале углов от до 2 напряжение отрицательно. Ток нагрузки = проходит по цепи (вывод 2 трансформатора – – – вывод 3) с момента включения тиристора , так как в его цепи управления появляется ток > 0. Тиристор будет выключен, так как к нему приложено обратное анодное напряжение. Далее процессы периодически повторяются.

Рис. 2.40. Временные диаграммы напряжений на нагрузке

и между катодом и анодом одного из тиристоров

Временная диаграмма напряжения на нагрузке (рис. 2.40г) поясняет работу силовой части двухполупериодного выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку и угле управления = 45 ^о.

При изменении угла будет изменяться время работы тиристоров и величина выпрямленного напряжения, среднее значение которого определяется выражением:

,

где – напряжение холостого хода выпрямителя при = 0.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения в цепи нагрузки от угла управления называется регулировочной характеристикой. На рис. 2.41 приведена регулировочная характеристика рассматриваемой схемы для случая чисто активной нагрузки.

Рис. 2.41. Регулировочная характеристика управляемого

выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку

При увеличении тока нагрузки среднее значение выпрямленного напряжения будет уменьшаться из-за увеличения падения напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора и открытом тиристоре. Зависимость называется внешней характеристикой управляемого выпрямителя. Так как потери напряжения в выпрямителе не зависят от угла управления, внешние характеристики управляемого выпрямителя при различных углах имеют постоянный наклон (рис. 2.42).

Рис. 2.42. Внешняя характеристика управляемого выпрямителя

Трехфазные выпрямители. Схема простейшего трехфазного выпрямителя приведена на рис. 2.43а.

а

б

Рис. 2.43. Схемы и временные диаграммы трехфазных

выпрямителей

Принцип его работы заключается в том, что каждую треть периода ток проводит тот из диодов, который в данный момент времени имеет наибольшее положительное напряжение. На двух других диодах результирующее напряжение оказывается обратным и они не могут проводить ток. Так как фазы с наибольшим положительным напряжением последовательно сменяются, соответственно сменяются и открытые диоды. Такое самопроизвольное переключение диодов называют естественной коммутацией. В результате диоды , , последовательно открываются и закрываются, поочередно подключая к нагрузке R_н фазные обмотки с фазными напряжениями . Выходное напряжение соответствует на диаграмме огибающей входных фазных напряжений. В таком выпрямителе коэффициент пульсации k_п = 0,25, частота пульсаций в три раза превышает частоту питающей сети, постоянная составляющая напряжения на нагрузке U₀ = 1,17 U_2ф.

Меньшую пульсацию дает трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 2.43б). В нем, как и в однофазном мостовом выпрямителе, в каждый момент времени ток через нагрузку R_н пропускает пара диодов (один из верхней группы – , , и один из нижней группы – , , ), причем та пара, на которую действует наибольшее линейное напряжение (положительное или отрицательное). Через каждую периода пары сменяются в результате естественной коммутации диодов (вентилей) и напряжение на выходе формируются из отрезков полуволн линейных напряжений, как показано на диаграмме. Коэффициент пульсации k_п 0,05, постоянная составляющая напряжения на нагрузке U₀ = 2,34 U_2ф.

Однофазные выпрямители применяются чаще всего в качестве маломощных источников постоянного тока. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя располагают электрические фильтры (емкостные C, индуктивные L или более сложные Г – образные и П – образные, состоящие из L и C).

Трехфазные выпрямители применяются для питания нагрузок большой мощности. При необходимости дополнительного сглаживания пульсаций в мощных выпрямителях применяют катушки индуктивности, включаемые последовательно с нагрузкой [11].

Усилители

Усилитель– это устройство, преобразующее электрические колебания небольшой мощности, поступающие на вход, в электрические колебания большой мощности на выходе.. Усилители подразделяют по нескольким признакам, основные из которых: диапазон электрических частот, род усилительных элементов, междукаскадные связи. По диапазону частот электрических колебаний, в пределах которого обеспечивается удовлетворительная работа усилителя, их делят на усилители низкой (УНЧ) и высокой (УВЧ) частоты, широкополосные и постоянного тока; по роду усилительных элементов на ламповые, полупроводниковые, магнитные; по назначению усилители делят в зависимости от выходной величины по отношению к входной – усилители напряжения, тока и мощности, которые в основном одинаковые по схемным решениям и отличаются лишь типами применяемых приборов и режимов работы. Междукаскадные связи усилителей могут быть: резисторно-емкостные, трансформаторные, резисторно-трансформаторные и резонансные.

Основные характеристики усилителей: коэффициент усиления; диапазон усиливаемых частот; выходная мощность; номинальное входное напряжение (чувствительность); коэффициент полезного действия; динамический диапазон амплитуд и уровень помех; коэффициенты нелинейных и частотных искажений усиливаемого сигнала.

В ряде случаев бывает недостаточно одного усилительного каскада для получения необходимого значения усиливаемого параметра. В этом случае применяют многокаскадные усилители [12], состоящие из последовательно соединенных отдельных каскадов, как это показано на рис. 2.44.

Рис. 2.44. Многокаскадный усилитель

Важным показателем усилителя является коэффициент усиления, который представляет собой отношение изменения выходной величины усилителя к изменению входной величины.

Коэффициенты усиления напряжения , тока , мощности имеют соответственно следующие выражения:

.

Для структурной схемы, представленной на рис. 2.44

или k = ∆U_{вых 3} / ∆U_{вх 1} .

На рис. 2.45 представлена схема каскада усилителя напряжения, где в качестве усилительного элемента используется транзистор VT типа n-p-n, включенный по схеме с общим эмиттером.

Рис. 2.45. Схема каскада усилителя напряжения:

R₁ , R₂ – резисторы, выполняющие роль делителей напряжения; E_о – внешний источник напряжения, за счет которого происходит усиление в каскаде; C _р1, C_р2 , C_бл. – разделительные и блокировочный конденсаторы

Принцип действия каскада. При отсутствии ~ u_вх в эмиттерной и коллекторной цепях проходят постоянные составляющие токов I_э, I_ки I_б. Ток I_э замыкается по цепи: +U₂ →Б → Э →R_э → - U₂. Ток I_к замыкается по цепи: + U₁ → R_к →К →Б → - U₁. I_б = I_э - I_к. Напряжение U₁ = R₁I_д, а U₂ = R₂I_д. Ток I_д > I_э и I_к. Резисторы R₁ и R₂ создают напряжение смещения U_см на базе транзистора и тем самым обеспечивают заданный режим работы усилителя. Разделительный конденсатор С_р2 не пропустит на выход каскада постоянную составляющую напряжения U_к = R_к I_к.

При подаче на вход каскада усилителя синусоидального напряжения ~ u_вх в цепях эмиттера и коллектора появятся переменные составляющие токов i_э, i_к, i_б. Под действием напряжения ~ u_к = R_к i_к в выходной цепи будет проходить ток i_вых, который создает на сопротивлении R_н выходное напряжение ~ u_вых = R_н i_вых, сдвинутое по фазе на угол 180^о по сравнению с ~ u_вх. Если R_к и R_н выбрать достаточно большими (1-3 кОм и больше), то ~ u_вых >> ~ u_вх.

Блокировочный конденсатор C_бл защищает источник питания Е_о от прохождения через переменного тока i_вых.

Стабилизирующий резистор R_э обеспечивает отрицательную обратную связь по току, которая автоматически стабилизирует режим работы усилителя при изменении параметров транзистора. Чтобы не вводить обратную связь по переменному току и не снижать коэффициент усиления каскада, резистор R_Э шунтируют конденсатором С_Э достаточно большой емкости (десятки микрофарад).

В многокаскадных усилителях, например, первые каскады могут быть каскадами по напряжению, а последний – каскадом усиления по мощности.

В усилители часто вводят отрицательные обратные связи (ООС) по напряжению или по току. При ООС усилителя коэффициент усиления уменьшается. Однако проигрыш в усилении при ООС компенсируется значительным качественным выигрышем – уменьшаются частотные и нелинейные искажения и влияние всякого рода помех, поступающих на вход усилителя, так как напряжение ОС находится в противофазе с ними.

Операционные усилители. Операционный усилитель – это многокаскадный усилитель постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входным каскадом, с большим коэффициентом усиления, широкой полосой пропускания (f_в = 10 – 100 МГц), высоким входным сопротивлением, малым выходным сопротивлением, малым дрейфом нуля, высоким подавлением синфазных сигналов, несимметричным выходом. Первым каскадом является дифференциальный усилитель, вторым – усилитель напряжения и последним усилитель мощности.