НАЗАД В БИБЛИОТЕКУ

Перевод выполнил: Руденко Ю. В.

Вступление.

    Если источник постоянного тока, показанный на рис. 1, подключать и отключать попеременно с достаточной скоростью, то можно получить напряжение в нагрузке, показанное на рис. 1 б). Путем изменения цикла включения можно получить постоянно изменяющееся среднее значение напряжения в пределах от 0 (или близко к 0) до значения напряжения питания. «Близко к 0» означает, что в реальном мире коммутационные устройства имеют минимальное время включения, что приводит к наличию небольшого напряжения на выходе, и минимальное время включения, которое не дает устройству достичь максимального напряжения на выходе. Данные устройства могут быть полностью выключены или включены, но всегда существуют небольшие участки вблизи данных экстремальных точек, работа на которых неконтролируема извне.

a)

б)

Рисунок 1 - Базовый принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

    Ограничения, накладываемые необходимостью наличия линии переменного напряжения или необходимость в принудительной коммутации для тиристоров, ограничивают их применение в системах с ШИМ. Это побудило разработчиков к созданию двуоперационных тиристоров, которые могут быть отключены по управляющему сигналу. Так однооперационный тиристор был «превращен» в запираемый тиристор (ЗТ). Он может быть выключено путем подачи сигнала (с высокой пиковой мощностью) на управляющий электрод. ЗТ может иметь высокие энергетические показатели, как по току, так и по напряжению, но при этом он остается достаточно дорогим прибором, который нельзя классифицировать как устройство нашедшее широкое применение в промышленности.
   Другой производной от однооперациооного тиристора является тиристор, коммутируемый по управляющему электроду. Данный тиристор может быть заперт током на управляющем электроде, большим, чем анодный ток. Требуется  очень маленькая индуктивность в цепи управляющего электрода для того, чтобы создать ток равный анодному при малом напряжении питания. Это обязывает включать драйвер в корпус тиристора. Требуемый запас энергии для управляющего сигнала также может быть получен за счет использования «суперконденсаторов», электролитических конденсаторов с очень большой емкостью. И опять, устройство не совсем подходит для общепромышленного применения, хотя может быть с успехом использовано в мощных приложениях. И запираемый тиристор и тиристор, коммутируемый по управляющему электроду имеют некоторые ограничения по скорости восстановления и запирания, присущие исходному однооперационному тиристору. Разработки силовых транзисторов продолжались годами, и стали результатом прорыва – разработки полевого транзистора, сопряженного с традиционным биполярным. Результат – биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) – быстро стал устройством широкого применения. Он породил массу новых высокомощных устройств и разработок, в основе принципа которых лежит ключевой режим работы. IGBT позволяет работать на частотах в несколько порядков превышающих рабочие частоты тиристоров, хотя высокомощные IGBT более ограничены в максимальной частоте переключения.

        IGBT состоит из мощного биполярного транзистора PNP, управляемого полевым. В совокупности это позволяет получить характеристики лучшие, чем в отдельно взятом компоненте IGBT. Он работает при очень высоких мощностях, а его вывод управления - затвор, изолированный от полупроводника, не потребляет тока. На рис. 2 показан график зависимости напряжения коллектор-эмиттер от тока коллектора при различных напряжениях затвор-эмиттер. С увеличением напряжения на затворе, IGBT начинает проводить ток, который увеличивается с увеличением напряжения на коллекторе до тех пор, пока не будет достигнута область, в которой ток коллектора для данного напряжения на затворе является постоянным. При высоких уровнях напряжения затвора IGBT переходит в область насыщения – напряжение коллектор-эмиттер очень слабо изменяется с изменением тока коллектора. Несмотря на то, что IGBT может работать как линейный усилитель, его почти всегда используют в ключевом режиме работы (с достаточным для насыщения напряжением на затворе), и таким образом, падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер для заданного тока коллектора минимально. Падение напряжения в насыщенном состоянии обычно в пределах 3,0 В. IGBT в настоящий момент оперируют с напряжениями до 6000 В и токами до 2000 А. Большинство IGBT выпускаются в литом пластиковом корпусе на цельной монтажной пластине, которая служит контактной средой для отвода тепла. Само по себе устройство состоит из большого числа малых IGBT, электроды которых соединены параллельно с помощью проводников. Многие имеют уже встроенный встречнопараллельный диод.

Рисунок 2 - Схема IGBT транзистора и его вольт-амперные характеристики.

        Внешние цепи для IGBT должны учитывать временные характеристики IGBT. Время отключения IGBT может составлять 500 нс при токах коллектора в несколько тысяч ампер, скорость изменения тока di/dt  может достигать пугающих уровней. Паразитные индуктивности в цепях снабберов должны быть сведены к минимуму, чтобы избежать перенапряжений. Также необходимо предотвратить чрезмерный ток в нагрузке, который может вывести IGBT из насыщения. Тепловое рассеяние может достигнуть высоких уровней, способных разрушить транзистор в считанные микросекунды. Разработчик должен найти компромисс между потребностью в ограничении теплового рассеяния и необходимостью в защите от перенапряжений путем ограничения фронта запирающего напряжения.
       Из вышеизложенного может показаться, что IGBT - «хрупкое» устройство. Но IGBT зарекомендовали себя как устройства преобразования энергии в асинхронных двигателях мощностью свыше 20 000 кВт и в устройствах электродуговой сварки при уровнях мощности свыше 100 МВт. IGBT – испытанные, надежные силовые приборы.

Мостовая схема.

        Четыре транзистора IGBT могут быть соединены, образуя цепь коммутатора, которая является основой для использования в приводах, а также в других приложениях. На рис. 3 изображена базовая мостовая схема. Встречнопараллельно каждому транзистору подключен диод, который обеспечивает свободное протекание тока в нагрузку и предотвращает попадание всплесков переключения в шину питания. Если транзисторы 1 и 2 включены, то ток нагрузки течет в направлении, на которое указывает стрелка F. Если включены транзисторы 3 и 4, ток течет в направлении R. Оба направления могут быть модулированы ШИМ с целью получения переменного напряжения на выходе.

Рисунок 3 - Мостовая схема инвертора

        На рис. 4 показана последовательность переключений для синусоидального выходного напряжения. Кривая выходного напряжения будет при этом несколько отличаться от синусоиды, поскольку частота переключения достаточно мала для того, чтобы проиллюстрировать процесс более четко. В некоторых случаях на выходе схемы ставят фильтр низких частот для улучшения гармонического состава напряжения на нагрузке.

Рисунок 5 - Получение синусоиды методом ШИМ

        Для работы мостовой схемы необходим надлежащий порядок включения транзисторов. Если, скажем, транзисторы 1 и 2 будут включены в тот же момент времени, когда отключаться 3 и 4, в цепи произойдет короткое замыкание вследствие наличия времени задержки отключения транзисторов 3 и 4. Необходимо выдержать определенное время для закрытия 3 и 4 до включения 1 и 2.
       Еще один элемент может быть добавлен в схему для создания системы трехфазного электропривода (рис. 5).

Рисунок 5 - Схема электропривода на основе IGBT транзисторов

        В настоящее время создано большое количество разнообразных схем трехфазного привода, разработанных в соображениях снижения гармоник в приводе, повышения выходного напряжения и для других ориентированных на повышение эффективности задач. Недостатком мостовой схемы является то, что переключение нагрузки происходит от пикового значения положительного напряжения питания до пикового отрицательного, и с целью снижения шага напряжения и как следствие значения dV/dt в двигателе, были разработаны различные варианты схемного исполнения. Среди них следует отметить инвертор с нейтральной точкой, устройство, имеющее пять переключаемых уровней напряжения.
       Отношение dV/dt склонно возрастать также при увеличении частоты коммутации, потому что высокочастотные полупроводниковые приборы обладают свойством быстрого переключения.
       В базовой мостовой схеме могут использоваться различные типы транзисторов, работая непосредственно от сети переменного тока, питая высокочастотный трансформатор. Небольшие, легкие высокочастотные трансформаторы и фильтры кардинально изменили конструкцию источников постоянного тока для любых применений.

НАЗАД В БИБЛИОТЕКУ