Мартынов_силаI. А. А. Мартынов силовая электроника
 Скачать 4.22 Mb.
|
|
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 Выпрямители и регуляторы переменного напряжения Санкт-Петербург 2011 УДК 621.314 ББК 31.264.5 М29 Рецензенты: канд. техн. наук, доцент МВ. Бураков; канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ЦНИИ СЭТ МЮ. Сергеев Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Мартынов А. А. М Силовая электроника. Ч. I: Выпрямители и регуляторы переменного напряжения учеб. пособие / А. А. Мартынов. – СПб.: ГУАП, 2011. – 184 сил Рассматриваются силовые полупроводниковые преобразователи электрической энергии, применяемые в системах регулируемого электропривода, электроснабжения ив 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 3 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 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 частота 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 система также при преобразовании электрической энергии, вырабатываемой топливными элементами, солнечными батареями и другими источниками 4 – в системах электропривода промышленных предприятий, 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 преобразовательные устройства выполняются в настоящее время на полупроводниковых 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. 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, показанына рис. 1, где обозначены: а – диод; б – тиристор (однооперационный управляемый вентиль) триодный с управлением по катоду; в – запираемый тиристор (двухоперационный управляемый вентиль) 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) с индукционным каналом р-типа и выводом от подложки; л – полевой транзистор МДП-типа (с изолированным затвором) с индукционным каналом п-типа; м – комбинированный транзистор (IGBT) с каналом п-типа. Обозначение выводов элементов, приведенных на рис. 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 полупроводниковыеприборы, обладающие односторонней проводимостью. Условное обозначение диода приведено на риса. 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 Рис. 1. Условные обозначения полупроводниковых приборов характеристика (ВАХ) идеального диода приведена на риса. В таком приборе имеется нулевое падение напряжения ∆U в.пр при протекании прямого тока, нулевой обратный ток I обр при приложении отрицательного напряжения и лавинообразный процесс нарастания аварийного обратного тока при отрицательном напряжении, превышающем величину напряжения пробоя U пр Выбор диода выполняют по двум параметрам по среднему значению прямого тока, протекающего через него в открытом состоянии, Аи максимальному значению обратного напряжения, прикладываемого к вентилю в закрытом состоянии, U обр Справочные данные по параметрам диодов приведены в конце учебного пособия (см. табл. 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, те. напряжения такой полярности, при которой он может пропускать ток. Переход вентиля из состояния включено в состояние выключено, те. запирание вентиля и прекращение протекания через него прямого тока, возможен только при смене полярности напряжения на вентиле (на выводах «анод-катод»), те. 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 Рис. 2. Вольт-амперные характеристики идеальных диода (аи тиристора (бобр = 0 I обр U пр U пр U пр.кл ∆U в.пр = 0 U A U A 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: I А – анодный ток А – напряжение анод-катод; U пр – напряжение пробоя при приложении к вентилю напряжения в обратном направлении; U пр.кл – напряжение переключения при приложении к вентилю напряжения в прямом направлении; I обр – ток, протекающий через вентиль при приложении к вентилю напряжения в обратном направлении; ∆U в.пр – прямое падение напряжения на открытом вентиле. Основные параметры тиристоров, с учетом которых производится их выбор: I А – 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; U пр max – максимально допустимое прямое напряжение, которое тиристор может выдерживать без пробоя; U обр max – максимально допустимое обратное напряжение, которое тиристор может выдерживать без пробоя – 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; du пр /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; di пр /dt – предельная скорость нарастания прямого тока тиристора при его включении, связанная сего неполным распределением по площади р-n-перехода. Обычно этот показатель находится в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен ампер в микросекунду пр – 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 – 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; U у.э , I у.э – напряжение и ток управления тиристора, протекающий вцепи управления тиристора. Значение параметров U у.э – несколько вольта I у.э – доли ампер. В качестве примера основных характеристик современных одно- операционных 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); – повремени выключения тиристора t выкл; – повремени обратного восстановления Таблица Условные обозначения классов тиристоров и диодов Класс по напряжению 2 3 4 …. 54 56 58 60 U обр max , В 200 300 400 …. 5400 5600 5800 Таблица Условные обозначения групп для тиристоров (Обозначение группы Р3 А3 К2 Е2 А2 … Е1 С1 В1 (du/dt) критич , В/мкс 20 100 320 500 1000 … 5000 6300 8000 Таблица Условные обозначения групп для небыстродействующих тиристоров повремени восстановления Обозначение группы В2 С2 Е2 Н2 … В3 С3 Е3 Н3 t q , мкс 630 500 400 … 80 63 50 Таблица Условные обозначения групп для быстродействующих тиристоров повремени восстановления Обозначение группы С3 Е3 Н3 К3 М3 … К4 Р4 Х4 В5 Е5 t q, мкс 50 40 32 25 … 3,2 2 1,25 0,8 Таблица 5 Условные обозначения групп для быстровосстанавливающихся диодов повремени обратного восстановления Обозначение группы А4 В4 С4 Е4 … А6 Е6 Н6 Р6 А7 t q , мкс 8 6,3 5 … 0,1 0,05 0,04 0,02 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 (двухопе- рационные) тиристоры, которые принято обозначать как GTO (Gate Turn Off) и силовые транзисторы с изолированным затвором, обозначаемые как IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor). Запираемые (двухоперационные) тиристоры отличаются от обычных (однооперационных) тиристоров тем, что их можно запереть подачей короткого импульса тока обратной полярности в цепь управляющего электрода. Условное обозначение GTO- тиристора 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 потоку 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 потоку выключения – до В последние годы тиристоры были модифицированы и создан новый тип вентиля – тиристор, коммутируемый по управляющему электроду (GCT – Gate Commutated Thyristor или IGCT – Inte- grated 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, в отличие от тиристора, не требуется снабберов – специальных внешних цепей, формирующих траекторию рабочей точки при выключении тиристора. В простейшем 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 транзисторовот 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 тран- зистора. Биполярные транзисторы представляют собой трехслойные полупроводниковые структуры p-n-p или р, в которых имеются два перехода база-эмиттер и база-коллектор. Условное обозначение биполярных транзисторов типа приведено на рис. 1, га n-р-n-типа – на рис. 1, д.Промышленность выпускает силовые биполярные транзисторы на токи до сотен ампер, напряжением до сотен вольт и максимальными частотами переключения до единиц килогерц. Основные недостатки биполярных транзисторов связаны с заметными потерями мощности на управление (током по базе) и невысоким быстродействием. Полевые транзисторы. В отличие от биполярных транзисторов, работающих с двумя типами носителей тока – электронами и дырками, полевые транзисторы используют один (униполярный) тип носителя тока. Проводимость канала между истоком истоком определенными аналогами эмиттера и коллектора биполярного транзистора) модулируется с помощью электрического поля, прикладываемого к каналу в поперечном направлении с помощью третьего электрода – затвора (управляющего электрода. Канал может быть двух типов – типа или типа. Условное обозначение полевого транзистора типа приведено на рисе, а полевого транзистора типа – на рис. 1, ж. Управляющим параметром для выходных характеристику полевых транзисторов п-типа является напряжение на затворена входе транзистора, а не ток входа, как у биполярного транзисторов. Входная цепь полевого транзистора высокоомна. В динамике (при переключении транзистора) требуются импульсы тока вцепи управления для быстрого заряда (разряда) входной емкости затвор – сток транзистора. У полевого транзистора с каналом р-типа аналогичные свойства и характеристики, только у них при включении в схему изменяют полярности напряжения на стоке и затворе (относительно истока) на обратные. Вторая разновидность полевых транзисторов – транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы). В отличие от полевых транзисторов с р-п-переходом, в которых затвор имеет непосредственный электрический контакт с близлежащей областью то- копроводящего канала, в МДП-транзисторах затвор изолирован от указанной области слоем диэлектрика. По этой причине МДП- транзисторы относят к классу полевых транзисторов с изолированным затвором. МДП-транзисторы (структура металл – диэлектрик полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO 2 . Отсюда другое название этих транзисторов – МОП-транзисторы (структура металл окисел полупроводник. Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (10 12 – 10 14 Ом. Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП-транзисторы выполняют двух типов – со встроенными с индуцированным ка- налом. Условные изображения полевого транзистора МДП-типа (сизо- лированным затвором) показаны на рис. 1, з – со встроенным каналом р-типа и выводом от подложки на рис. 1, и – со встроенным каналом п-типа; на риск с индукционным каналом р-типа и выводом от подложки а на рис. 1, л – с индукционным каналом п-типа. За рубежом эти транзисторы носят название Достоинство полевых транзисторов – малые затраты мощности на управление и высокое быстродействие в результате переноса тока в них носителями одного знака (основными носителями, вот- личие от биполярных транзисторов, где ток в средней части прибора (базе) переносится медленными (неосновными) носителями. Но по предельным значениям выходных напряжений и тока полевые транзисторы заметно уступают биполярным, что определяет их использование в низковольтных устройствах силовой электроники с высокими частотами процессов преобразования электрической энергии. Комбинированные транзисторы. В последнее время находит широкое применение комбинированный транзистор, объединяющий в себе полевой транзистор с изолированным затвором и биполярный транзистор (на выходе, названный биполярным транзистором с изолированными затворами –IGBT. Он имеет высокое входное сопротивление, параметры выходных напряжений и тока выше, чему биполярного транзистора. В настоящее время промышленность выпускает IGBT на токи более 1200 Аи напряжения до 6500 В. Условное обозначение IGBT приведено на рис. 1, м. Подобно полевым транзисторам, IGBT имеют изолированный затвори управление транзистором осуществляется изменением напряжения на затворе. Ток управления и мощность управления незначительны. Прямое падение напряжения существенно меньше, чему МОП-транзисторов, и составляет около 1,5 В. По быстродействию IGBT уступают полевым транзисторам, но значительно превосходят биполярные. Основными преимуществами являются высокая рабочая частота, КПД, а также устойчивость к перегрузкам, благодаря чему IGBT успешно вытесняют из преобразовательной техники силовые биполярные транзисторы и запираемые тиристоры. В настоящее время IGBT широко применяются в электроприводах переменного и постоянного тока в системах бесперебойного электропитания в статических компенсаторах реактивной мощности – в преобразователях для сварки и индукционного нагрева в мощных статических источниках питания. Отметим, что для транзисторов всех рассмотренных типов общим является наличие на их входах сигналов управления на все время протекания тока в выходной цепи вентиля. В тоже время для О необходимы импульсы управления противоположной полярности только в моменты отпирания и запирания тиристора. Сравнительная оценка по допустимым диапазонам мощности и частоты силовых полупроводниковых преобразователей, выполненных на однооперационных тиристорах, запираемых тиристорах (GTO), полевых транзисторах (MOSFET) и биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT), приведена в табл. Таблица Сравнение характеристик полностью управляемых вентилей Тип полупроводникового прибора Рабочий диапазон частоты, кГц р Рабочий диапазон мощности, кВт ≤ Р р ≤ Р max Однооперационный тиристор 0,2–1 · 10 4 GTO 0,1–3 1 · 10 3 –5 · 10 4 IGBT 1–25 0,5–1 · 10 3 MOSFET 1–50 Вопросы для самоконтроля. Какие условия необходимо выполнить для включения диода однооперационного тиристора GTO; биполярного транзистора IGBT; МОП-транзистора? 14 2. В чем заключается основное отличие между однооперацион- ным и двухоперационным тиристорами. В чем заключаются основные отличия между биполярными полевым транзисторами. Сформулируйте определение комбинированного транзистора. Какие предельные рабочие значения токов и напряжения имеют современные биполярные транзисторы, IGBT, MOSFET, одноопе- рационные и двухоперационные тиристоры 15 |