Силовая электроника шпорки. 1. Силовая электроника, определение, современное состояние и основные направления развития. Силовая электроника
 Скачать 9.35 Mb.
|
|
39. Структура построения и схемы силовых полупроводниковых модулей (СПМ), области использования. В модульных конструкциях соеденины транз-ры и обратные диоды. В интегральных конструкциях PIC объеденено несколько модулей, образующих преобразователь.     В общем случае могут быть реализованы одинаковые схемы, мостовая 1-фазная схема и 3-х фазная. В зависимости от назначения преобразователя зажимы переменного тока могут быть входными (выходными). Предельно-допустимые режимы работы СПП часто опред-ся max допустимыми на пряжениями и токами, рассеиваемой мощностью и допустимой температурой корпуса прибора. Причинами выхода из строя СПП часто бывают высокое обратное напряжение и перегрев прибора. В справочных данных на тран-ры обычно указываются след. праметры:
Все параметры предельных режимов обусловлены одним из видов пробоя:
Условно виды пробоев делят на первичные и вторичные. Первичные пробои (лавинный) явл. обратимыми, вторичные – (тепловой) необратимые, т.к. происходит физическое разрушение перехода. Различают 3 величины напряжения лавинного пробоя:
Тепловой пробой вследствии лавинного нарастания темп-ры перехода, т.е. воз растают токи утечки и полупроводник переходит в проводящее состояние. В реальных условиях это явление не всегда ограниченно ростом темп-ры, т.к. при более низких темп-рах может наблюдаться резкая зависимость от темп-ры коэф-та передачи тока или предельного рабочего напряжения. Рассеяние мощности max когда тран-р находится во вкл состоянии или выключается. При высокой частоте коммутации потери растут пропорционально частоте. С увеличени ем потребляемой мощности растет темп-ра СПП. Для оценки теплового режима работы СПП исп-ют понятие теплового сопротивле ния: сопротивление эл-та СПП распространению теплового потока от коллекторного пере хода к корпусу или в окр среду. Вторичный пробой часто возникает после развития одного из первичных пробоев или минуя их (в области высоких напряжений на коллекторе и связано с развитием «токо вого шнура»). При этом коллекторный ток проплавляет К и замыкает его с Б. Для разви тия вторичного пробоя требуется от 1 до 100 мкс. При развитии вторичного пробоя с цепи Б возникают автоколебания большой частоты, к-ые могут быть использованы для определения опасного режима работы СПП и его защиты.  Рис. 1.1. Области применения новейших силовых полупроводниковых приборов Как показано на рис.1.1, различные системы могут быть реализованы с помощью MOSFET (МОП-транзисторы) или IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором), которые появились в середине 80-х. Сравнивая с другими коммутационными силовыми полупроводниками, например, такими как традиционные GTO-тиристоры, эти типы транзисторов имеют некоторые преимущества в применении, такие как активное выключение даже в случае к.з., функционирование без снабберов, простая схема управления, короткое время переключения, и поэтому сравнительно низкие потери. Производство IGBT и MOSFET сравнительно простое и является предпочтительным, может быть просто организовано с помощью современных технологий микроэлектроники. Это преимущественно благодаря быстрому развитию IGBT и силовых MOSFET, так как силовая электроника продолжает открывать новые рынки сбыта. Биполярные транзисторы высокого напряжения, которые были еще очень популярны несколько лет назад, на данный момент практически полностью вытеснены транзисторами IGBT. Наиболее часто применяются транзисторы на несколько десятков ампер, на кремниевом кристалле, который интегрирован в беспотенциальный силовой модуль. Этот модуль содержит один или несколько транзисторов, диоды (рекуперационные) и, при необходимости, пассивные элементы, а также «интеллект», см. главы 1.4-1.6. Несмотря на недостатки одностороннего охлаждения, силовые модули поддерживают свое влияние в высокомощной электронике, хотя существуют дисковые IGBT с диодами, способные рассеять на 30 % тепла больше благодаря двустороннему охлаждению. Это главным образом благодаря «интеграции», необходимой изоляции кристалла от теплоотвода, различными комбинациями компонентов в модуле и низкой ценой благодаря серийному производству, за исключение их простого монтажа. Сегодня IGBT модули производятся на прямые напряжения 6.5 кВ, 4.5 кВ, 3.3 кВ и 2.2 кВ, например 3.3 кВ/2.4 кА. Преобразователи на IGBT (многоуровневое переключение и IGBT в последовательном соединении) мегаваттные, для более чем 6 кВ источников напряжения могут быть изготовлены уже сейчас. С другой стороны, MOSFETы разрабатывались для еще более высоких частот; при больших токах можно получить более 500 кГц с соответствующей схемой. 41. Структура и конструктивные особенности запираемых тиристоров типа GCT и IGBT, принцип действия, параметры и области использования. Запираемый тиристор - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого классическая четырёхслойная структура. Включают и выключают его подачей положительного и отрицательного импульсов тока на электрод управления. На Рис. 1 приведены структурная схема (б) выключаемого тиристора. Подобно обычному тиристору он имеет катод K, анод А, управляющий электрод G. Различия в структурах приборов заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоёв с n- и р-проводимостями.  Базовый слой p, имеет большое число контактов управляющего электрода ,также равномерно распределённых по площади и соединённых параллельно. Анодный слой p имеет шунты (зоны n), соединяющие n-базу с анодным контактом через небольшие распределённые сопротивления. Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счёт улучшения условий извлечения зарядов из базовой области n. Основное исполнение тиристоров GTO таблеточное с четырёхслойной кремниевой пластиной, зажатой через термокомпенсирующие молибденовые диски между двумя медными основаниями, обладающими повышенной тепло- и электропроводностью. Принцип действия В цикле работы тиристора GTO различают четыре фазы: включение, проводящее состояние, выключение и блокирующее состояние. На схематичном разрезе тиристорной структуры (рис. 1,б) нижний вывод структуры анодный. Анод контактирует со слоем p.Затем снизу вверх следуют: базовый слой n, базовый слой p (имеющий вывод управляющего электрода), слой n, непосредственно контактирующий с катодным выводом. Четыре слоя образуют три p-n перехода: j1 между слоями p и n; j2 между слоями n и p;j3 между слоями p и n. IGCT (тиристор с интегрированным управлением) - это прогрессивный ключ с функциями включения и выключения для современных преобразовательных устройств средней и высокой мощности во всех сферах применения 42.Режимы работы СПП в СЭУ и их характеристика. Большое разнообразие схем и режимов работы СЭУ определяет отличие причин, механизмов отказов СИП, а также количественных показателей их надежности. Однако с точки зрения физики отказа, особенности режимов работы СПИ во всех девяти группах СЭУ можно свести к четырем базовым режимам: длительному (статический), импульсному, режиму ударных токов и режиму емкостной коммутации. В результате любой частный режим работы СПП можно представить как совокупность нескольких основных (базовых) режимов  Рис. 1.37. Режимы работы СПП в СЭУ Длительные режимы можно разделить на непрерывные (а) и повторно-кратковременные (б), в которых можно выделить два этапа: τпп - переходной режим -средняя за период tnтемпература ѳср любой области прибора изменяется; τуст - установившийся режим, когда средняя за период tnтемпература любой области прибора ѳср = const. Повторно-кратковременный режим характеризуется (рис. 1.38, б) протеканием через СПП импульсов тока определенной частоты fпк = l/tu в виде пакетов импульсов длительностью τпи и периодом повторения tп Одним из основных признаков импульсных режимов (рис. 1.38, в) является то, что к началу следующего импульса тока (нагрузки) температура во всех частях СПП достигает начальных значений ѳН, т.е. значений, которые были до начала предыдущего импульса. При этом в зависимости от частоты повторения импульсные режимы делятся на одиночные и циклические. Режим ударных токов СПП (рис. 1.38, г) характеризуется действием импульсов нагрузки значительной амплитуды по сравнению с импульсами тока в рабочем режиме. При этом импульсы перегрузки могут быть со случайным (аварийный) или периодическим характером повторения. Последние делятся на одиночные и в виде серии импульсов. Обычно за время tnмежду очередными импульсами тока iп перегрузки температура структуры СПП снижается до установившегося значения ѳср, определяемого током рабочей перегрузки, или до ѳН в случае аварийного отключения при воздействии аварийного импульса тока Iап.т. В данном режиме критическое значение температуры ѳкр структуры зависит от длительности импульса тока.  В результате при длительных установившихся режимах, для установления значения предельного среднего тока СПП необходимо определение температуры в зоне p-n-перехода (ѳpn) и в зоне контакта корпус - охладитель (ѳК). В длительных, повторно-кратковременных и циклических режимах, кроме того, возникает также задача определения температурного поля охладителя. Остальные режимы работы приводят к неустановившемуся тепловому состоянию приборов, когда изменением температурного поля в СПП пренебречь нельзя. Следует отметить, что в длительных повторно-кратковременных режимах возможно изменение температурного поля всей системы СПП - охладитель, оказывая влияние и на внешний теплообмен. В таких режимах возникает необходимость определения температурного поля не только структуры СПП, но и отдельных ее областей, таких как термокомпенсатора, основания прибора, припоя контактов и др. 44. Исполнительные СЭУ, классификация, области использования.  На рис. приведена классификация исполнительных СЭУ. Коммутаторы тока по виду источника питания делятся на коммутаторы постоянного и переменного тока, а по виду наиболее широко используемых коммутирующих элементов на транзисторные и тиристорные. Характерным для УМ является деление на однополярные и двухполярные с непрерывным и импульсным режимами работы. В зависимости от типа источника, РМ можно подразделить на постоянного и переменного тока, а по способу формирования сигнала управления СПП на непрерывные и дискретные. Широкое применение нашли регуляторы дискретного действия, которые по способу дискретизации сигнала управления делятся на импульсные, релейные и цифровые. В импульсных регуляторах управляющее возд-ие предст-ет собой послед-ть импульсов, параметры которых изменяется по определенному закону в фиксированные дискретные моменты времени. Если такими параметрами являются амплитуда , длительность или фаза сигнала, то регуляторы соответственно называются: амплитудно -импульсными, широтно-импульсным и фазо-импульсным. Особый класс регуляторов составляют цифровые, в которых управляющее воздействие представляет собой последовательность импульсов или ступенчатую функцию. 45. Импульсные усилители мощности, основные схемы, особенности работы, расчет элементов.  Этот усилитель создан на основе импульсного усилителя класса А. Суть в том, что длительность импульса положительного и отрицательного должна регулироваться так же как в импульсном усилителе с двумя ШИМ, но при нулевом входном сигнале должен оставаться небольшой ток покоя через нагрузку. Другими словами ШИП обоих плеч не должен полностью закрываться. Для того, чтобы малые сигналы звучали без искажений, переход напряжения от минуса к плюсу в районе нулевого времени должен производить один ШИМ. Тогда, упростив все устройство, я получаю, что переход через ноль времени должен осуществляться блоком питания - тогда эта функция будет реализована сразу для всех каналов усилителя. Продолжительности правого и левого (положительного и отрицательного) импульса регулирует один ШИМ - что соответствует импульсному усилителю класса А. Значит и усиление малых сигналов будет происходить линейно, вне зависимости от скорости нарастания или спада тока при коммутации выходных транзисторов. 54. Преобразовательные СЭУ, классификация, области использования. Силовые электронные устройства (СЭУ) преобразуют электри ческую энергию первичного источника в энергию необходимого ка чества (стабилизируют напряжение или ток, подавляют пульсации первичного источника, преобразуют постоянное напряжение в пе ременное или постоянное другого уровня, осуществляют развязку потребителей по цепям питания), а также усиливают сигналы по стоянного или переменного тока низкой частоты. Силовые электронные устройства можно.классифицировать:
Преобразовательные СЭУ делятся на:
46. Способы формирования управляющих воздействий, структура управляющих схем для усилителей мощности. Согласно четвертому признаку классификации, различают СУВ с горизонтальным и вертикальным управлением. Горизонтальным называется способ управления, при котором фазовый сдвиг синхронизирующего синусоидального сигнала по отношению к напряжению питающей сети на угол (3 осуществляется с помощью RC или RL цепи, т.е. смещается по горизонтали. Полученное таким образом сдвинутое по фазе синусоидальное напряжение используется далее для формирования управляющего импульса тиристорами ВПУ. Схемы с горизонтальным управлением имеют ограниченное быстродействие и не нашли широкого применения. Вертикальный принцип управления и структурные схемы построения ФСУ, реализующие этот способ рассмотрены в разделе 2.2 (рис. 2.11).  реализующие Вертикальным называется способ управления, при котором фазовый сдвиг управляющего сигнала uβ осуществляется путем сравнения изменяемого по величине сигнала управления uy и переменного, так называемого опорного напряжения иг, имеющего пилообразную (или треугольную) форму, и формированием uβв моменты равенства uу=uг .Такие ФСУ практически безынерционными и поэтому нашли самое широкое применение. Кроме того, современное развитие аналоговых и цифровых ИМС открывает широкое возможности по совершенствованию вертикального способа управления. На рис. 2.11, в приведен вариант структуры построения ФСУ с использованием ИМС аналогового таймера, позволяющего упростить, расширить функциональные возможности и повысить надежность работы СУВ. 64. Автономные инверторы напряжения (АЙН), определение, классификация, основные схемы, физические процессы и временные диаграммы работы, расчет основных параметров и характеристик, использование в системах управления. Автономный инвертор напряжения как преобразователь постоянного входного напряжения в переменное выходное напряжение отличается от автономного инвертора тока тем, что получает питание от источника напряжения (ЭДС) безындуктивного характера.  где ψп – коммутационная функция вентильного комплекта есть переменная единичная функция (без постоянной составляющей), определяющая форму выходного напряжения инвертора, как это видно из рис. 2.3.1 для простейш формы коммутационной функции – меандра.  Как видно из второго уравнения, входной ток инвертора будет импульсным (со скачком тока), что не допускает присутствия во входном источнике индуктивности. Реальные источники входного напряжения (чаще всего выпрямители), как правило, обладают индуктивностью L (если это только не аккумуляторы). Для устранения ее влияния на входе инвертора напряжения включается фильтровый конденсатор Cф достаточной емкости, что является |