Силовая электроника, определение, современное состояние и основные направления развития.

Силовая электроника, определение, современное состояние и основные направления развития.

Силовая электроника – наука о взаимодействии электронов и других заряженных частиц, квантов излучения с электромагнитными полями в вакууме, в различных средах и на границах их раздела – (физическая электроника): а так же методы создания электронных приборов и устройств в которых это взаимодействие используется для обработки и хранения информации и преобразования энергии – (техническая электроника).

Силовая электроника является одной из областей электроники и непосредственно исп-ся при преобразовании вида, уровня напряжения, числа фаз, порядка их чередования, трансформация пост.тока. а так же при преобразовании энергии источников питания в энергию управляющего воздействия подаваемого на управляемый объект(ОУ)-нагрузку.

Электроника подразделяется на:

- электроника СУ и контроля (информационная электроника, малая мощность на выходе);

- технологическая электроника (силовая электроника, неограниченная мощность);

- электроника связи (радио, телевидение, высокие частоты);

В настоящее время созданы современные силовые полупроводниковые приборы и другие пассивные компоненты, позволяющие реализовать СЭУ на относительно большие мощности.

Наличие микропроцессорной техники позволяет получить определенные необходимые характеристики СЭУ.

Основные направления:

· Улучшения параметров и характеристик полупроводниковых приборов;

· Разработка новых типов полупроводниковых приборов;

· Создание интеллектуальных приборов;

· Использование микроконтроллеров средств вычислительной техники в системе управления контроля и регулирования;

· Создание модулей из полупроводниковых приборов или законченных схем.

Основные задачи и проблемы, возникающие при проектировании силовых электронных устройств (СЭУ).

Под СЭУ понимается большая группа устройств, предназначенных для получения электрического управляющего воздействия необходимой мощности (исполнительные СЭУ), а так же для преобразования, регулирования или стабилизации параметров электрической энергии (преобразовательные СЭУ).

Основными задачами при проектировании СЭУ является повышение надежности, КПД и коэффициента мощности, что в конечном счете определяет ее габариты, массу, экономическую эффективность и др.

Обобщенная структурная схема и основные элементы СЭУ.

На рис приведена структурная схема СЭУ, основной частью котрого явл-ся силовой блок (СБ), силовая схема.

Выходной сигнал СБ – СУ (Uвых) подается на управляемый объект – нагрузку (U_УО, Zн). Неотъемлемыми частями СЭУ явл-ся блок или схема управления (БУ), блок или схема контроля, защита и регулирование (БКиЗ). Силовой блок состоит из силовых активных (САЕ) и пассивных (СПЕ) элементов, соединенных по определенной схеме и служат для преобразования и управления энергией, поступающей от источника питания (ИП). В качестве САЕ в настоящее время используются силовые полупроводниковые приборы (СПП): мощные транзисторы(биполярные, полевые, совмещенные), тиристоры, симисторы, оптотиристоры и интеллектуальные СПП, модули и т.д. функцию преобразования входного сигнала х, а так же сигналов α, β обратной связи (ОС) с блока БКиЗ в сигналы управления САЕ выполняет БУ. В общем случае БКиЗ получает сигналы γ и δ с датчиков (ДТС, ДТО) контроля режима работы СБ, УО и формирует необх сигнал возд-ия на БУ.

Классификация СЭУ

Все СЭУ делятся на 2 большие группы:

- исполнительные, осуществляют преобразование управляемого сигнала малой мощности в сигналы большой мощности (по величине и по форме):

· усилители мощности; (однотактные, двухтактные),в которых напряжение или ток управляющего воздействия сохраняет вид входного сигнала;

· Регуляторы мощности (ШИР), которые обеспечивают соответствие среднего значения мощности управляющего воздействия значению входного сигнала;

· Коммутаторы тока (тиристоры), служащие для подключения и отключения электрической энергии на УО;

- преобразовательные, преобразование величины частоты и др параметров электрической энергии (выпрямители):

· С естественной коммутацией: Выпрямители;

· С принудительной коммутацией: Инверторы -> автономные и ведомые сетью(энергия пост-го тока в переменную);

· С комбинированной коммутацией:

а) Преобразователи частоты – > с непосредственной связью и со звеном постоянного тока;

б) Преобразователи числа фаз(из 3-хфазной в однофазную и наоборот, сх. Скотта);

в) Трансформаторы постоянного тока (ТПТ).

Характеристики выключения тиристора, время выключения (восстановление).

Время выключения t_q тиристора (назывемое также временем восстановления запирающей способности тиристора). Это время oт момента, когда прямой ток становится разным нулю, до момента, когда прибор снова будет способен выдерживать (не открываясь) напряжение, прикладываемое в прямом направлении с определенной амплитудой и скоростью нарастания.

Структурная схема

На рис. 1, b представлено семейство выходных статических ВАХ при различных значениях тока управления iG. Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет максимальные значения при iG = 0. При увеличении тока iG прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток или ток удержания равен минимально допустимому значению прямого тока iA, при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует минимально возможное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре.

Ветвь IV представляет собой зависимость тока утечки от обратного напряжения. При превышении обратным напряжением значения UBO начинается резкое возрастание обратного тока, связанное с пробоем тиристора. Характер пробоя может соответствовать необратимому процессу или процессу лавинного пробоя, свойственного работе полупроводникового стабилитрона.

Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц. Конструктивное исполнение тиристоров приведено на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция корпусов тиристоров: а) – таблеточная; б) – штыревая

Двухтранзисторная модель

Для объяснения характеристик прибора в режиме прямого запирания используется двухтранзисторная модель. Тиристор можно рассматривать как соединение p-n-p транзистора с n-p-n транзистором, причём коллектор каждого из них соединён с базой другого, как показано на рис. 4 для триодного тиристора. Центральный переход действует как коллектор дырок, инжектируемых переходом J1, и электронов, инжектируемых переходом J3. Взаимосвязь между токами эмиттера IE, коллектора IC и базы IB и статическим коэффициентом усиления по току α1 p-n-p транзистора также приведена на рис. 4, где IСо— обратный ток насыщения перехода коллектор-база.

Аналогичные соотношения можно получить для n-p-n транзистора при изменении направления токов на противоположное. Из рис. 4 следует, что коллекторный ток n-p-n транзистора является одновременно базовым током p-n-p транзистора. Аналогично коллекторный ток p-n-p транзистора и управляющий ток Ig втекают в базу n-p-n транзистора. В результате, когда общий коэффициент усиления в замкнутой петле превысит 1, оказывается возможным регенеративный процесс.

Ток базы p-n-p транзистора равен IB1 = (1 — α1)IA — ICo1. Этот ток также протекает через коллектор n-p-n транзистора. Ток коллектора n-p-n транзистора с коэффициентом усиления α2 равен IC2 = α2IK + ICo2.

Приравняв IB1 и IC2, получим (1 — α1)IA — ICo1 = α2IK + ICo2. Так как IK = IA + Ig, то

Это уравнение описывает статическую характеристику прибора в диапазоне напряжений вплоть до пробоя. После пробоя прибор работает как p-i-n-диод. Отметим, что все слагаемые в числителе правой части уравнения малы, следовательно, пока член α1 + α2 < 1, ток IA мал. (Коэффициенты α1 и α2 сами зависят от IA и обычно растут с увеличением тока) Если α1 + α2 = 1, то знаменатель дроби обращается в нуль и происходит прямой пробой (или включение тиристора). Следует отметить, что если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы J1 и J3 будут смещены в обратном направлении, а J2 — в прямом. При таких условиях пробой не происходит, так как в качестве эмиттера работает только центральный переход и регенеративный процесс становится невозможным.

Ширина обеднённых слоёв и энергетические зонные диаграммы в равновесии, в режимах прямого запирания и прямой проводимости показаны на рис. 5. В равновесии обеднённая область каждого перехода и контактный потенциал определяются профилем распределения примесей. Когда к аноду приложено положительное напряжение, переход J2 стремится сместиться в обратном направлении, а переходы J1 и J3 — в прямом. Падение напряжения между анодом и катодом равно алгебраической сумме падений напряжения на переходах: VAK = V1 + V2 + V3. По мере повышения напряжения возрастает ток через прибор и, следовательно, увеличиваются α1 и α2. Благодаря регенеративному характеру этих процессов прибор в конце концов перейдёт в открытое состояние. После включения тиристора протекающий через него ток должен быть ограничен внешним сопротивлением нагрузки, в противном случае при достаточно высоком напряжении тиристор выйдет из строя. Во включенном состоянии переход J2 смещён в прямом направлении (рис. 5, в), и падение напряжения VAK = (V1 — |V2| + V3) приблизительно равно сумме напряжения на одном прямосмещенном переходе и напряжения на насыщенном, транзисторе.

34. Принципы построения современных силовых биполярных транзисторов, основные параметры.

Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию IGBT – транзистора (рис. 1., d).

IGBT – транзистор имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевого транзистора.

Рис. 1. Условно-графические обозначения транзисторов: a) – биполярный транзистор п-р-п-типа; b) – MOSFET-транзистор с каналом п-типа; c) – SIT-транзистор с управляющим p-n-переходом; d) – IGBT-транзистор.

Коммутируемые напряжения силовых IGBT – транзисторов, так же как и биполярных, не более 1200 В, а предельные значения токов достигают нескольких сот ампер при частоте 20 кГц.

Приведённые выше характеристики обуславливают области применения различных типов силовых транзисторов в современных силовых электронных устройствах. Традиционно применялись биполярные транзисторы, основной недостаток которых заключается в потреблении значительного тока базы, что требовало мощного оконечного каскада управления и приводило к снижению КПД устройства в целом.

Затем были разработаны полевые транзисторы, более быстродействующие и потребляющие небольшие мощности из системы управления. Основным недостатком МОП – транзисторов являются большие потери мощности от протекания силового тока, что определяется особенностью статической ВАХ.

В последнее время лидирующее положение в области применения занимают IGBT – транзисторы, сочетающие в себе достоинства биполярных и полевых транзисторов.

Структура.

Симистор имеет пятислойную структуру полупроводника. Упрощённо симистор можно представить в виде эквивалентной схемы из двух триодных тиристоров (тринисторов), включённых встречно-параллельно. Следует, однако, заметить, что управление симистором отличается от управления двумя встречно-параллельными тринисторами.

Область применения симисторов гораздо обширней, чем может показаться на первый взгляд и она постоянно расширяется. Включаете ли пылесос, или электродрель, кондиционер или кухонный комбайн, везде в этих устройствах применено переключающее электронное устройство, будь то электромеханическое реле, пускатель, контактор или симистор. В большинстве случаев в современных блоках управления или блоках пуска электродвигателей электронных устройств установлены именно симисторы.

Вот некоторые примеры электронных устройств, где применяются симисторы:

- кухонные приборы (комбайны, миксеры, блендеры, мясорубки, электрические чайники, и т.д.),

- нагревательные устройства (плиты, печи, электротитаны, и т.д.),

- компрессоры холодильников и кондиционеров и тд.,

- бытовая техника (швейные, посудомоечные и стиральные машины, пылесосы, вентиляторы, фены),

- строительный электроинструмент (дрели, перфораторы, рубанки, лобзики и др.),

- в промышленности (блоки запуска электродвигателей, блоки управления осветительными приборами, диммерные выключатели и др.)

Основные параметры симисторов можно разделить на следующин группы: по напряжению, по току, по сопротивлению и мощности потерь в открытом состоянии и коммутационные.

Режим прямого запирания

При прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду и обратно смещён только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно, что соответствует участку 0-1 на ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен вольт), называется напряжением переключения V_BF (точка 1 на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи.

Восстановление запирающих свойств осуществляется за счет приложения к тиристору обратного напряжения. Величина t_в определяет время, в течение которого происходит полное рассасывание носителей заряда в базовых слоях ранее проводившего тиристора при приложении обратного напряжения, по окончании которого к прибору может быть вновь приложено напряжение в прямом направлении без опасения его самопроизвольного отпирания. Процесс восстановления запирающих свойств происходит за счет двух факторов: протекания обратного тока через тиристор, при котором отводится основная часть носителей заряда, накопленных в базах прибора.и рекомбинации оставшихся носителей заряда.

Требования, предъявляемые к управляющим импульсам тиристора, режимы работы генераторов управляющих импульсов.

Требования, предъявляемые к параметрам управляющих импульсов, определяются типом тиристора, схемой, в которой используется тиристор, и режимом его работы. Для надежного включения тиристора необходимо обеспечить такие значения тока управления и напряжения на управляющем электроде, которые соответствуют области гарантированного включения тиристора с учетом максимально допустимых значений тока, напряжения и пиковой мощности, выделяемой на управляющем электроде

Генератор запускающих импульсов — источник периодической последовательности импульсных сигналов, возбуждающих фор­мирователь, состоит из задающего генератора и блоков внешне­го запуска, вывода синхронизирующих импульсов, преобразова­ния, В отдельных измерительных генераторах, могут отсутствовать некоторые из названных элементов или встретиться дополнительные. Генератор запускающих импульсов работает как в режиме самовозбуждения, так и в режиме внешнего запуска.

Рис. 1. Охарактеризуем кратко составные части генератора запуска­ющих импульсов.

Задающий генератор вырабатывает напряжение, частота кото­рого, регулируемая в определенных пределах, задает частоту сле­дования выходных импульсов измерительного генератора.

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 C ф достаточной емкости, что является

первой особенностью инвертора напряжения. Через него и замыкаются, минуя входной источник, скачки входного тока инвертора, как это видно из временных диаграмм на рис. 2.3.2.

 

Вторая особенность инвертора напряжения также видна из второго уравнения (2.3.1) и связана с тем, что входной ток инвертора iвх может принимать отрицательные значения при большом сдвиге фазы выходного тока инвертора iвых относительно коммутационной функции ψп (т.е. выходного напряжения). Для этого необходимо наличие двусторонней проводимости у ключей вентильного комплекта инвертора, т.е. ключи должны быть выполнены на вентилях с полным управлением (транзисторы, GTO-тиристоры),шунтированных вентилями обратного тока. автономный инвертор напряжения - это прибор, предназначенный для преобразования постоянного тока в переменный. Автономные инверторы тока применяются там, где не только нельзя допускать перебоев с питанием, но и выставлены жесткие требования к синусоиде сигнала, уровню его гармоник и другим техническим характеристикам. Широкое применение автономных инверторов напряжения является следствием количества чувствительности техники, которая должна всегда работать с гарантией электроснабжения. Такую технику несложно найти в центрах обработки данных, телекоммуникациях, точной промышленности. Принцип действия автономного инвертора напряжения можно описать следующим образом: при пропадании напряжения в сети этот прибор мгновенно (за несколько миллисекунд) переключает подключенные к нему устройства на аккумуляторы. Автономность обеспечивает отсутствие необходимости в контроле со стороны человека, а в случае, если требуется обеспечение длительной работы, всегда можно подключить генераторы.

Регулируемые выпрямители одно и трехфазного питания, основные схемы, их отличительные особенности, временные диаграммы работы выпрямителей однофазного питания на различные виды нагрузок, регулировочная характеристика.

Выпрямитель электрического тока — механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

На рисунке 16.3 приведена схема и временные диаграммы трехфазного однополупериодного выпрямителя с выводом от нейтрали N вторичной обмотки трансформатора, соединенной в звезду. В любой момент времени ток проводит один из трех диодов, у которого на аноде наибольшее положительное напряжение. Частота основной гармоники пульсаций выпрямленного напряжения в три раза больше частоты напряжения сети, то есть f осн.гарм =3 f1. Коэффициент пульсаций K п = 0,25 значительно ниже чем у однофазных выпрямителей. Все это позволяет значительно уменьшить емкость фильтра C ф.

Основным недостатком однофазных и трехфазных однополупериодных выпрямителей является подмагничивание сердечников трансформаторов постоянной составляющей тока вторичной обмотки.

На рисунке 16.4 приведена мостовая схема трехфазного двухполупериодного выпрямителя (схема Ларионова) и временные диаграммы напряжения и тока, поясняющие его работу. В любой момент времени ток проводят два из шести диодов, у которых на аноде наибольшее положительное напряжение, а на катоде наибольшее отрицательное. Частота основной гармоники пульсаций выпрямленного напряжения в шесть раз больше частоты напряжения сети, то есть f осн.гарм =6 f1. Коэффициент пульсаций самый низкий K п = 0,057.

Силовая электроника, определение, современное состояние и основные направления развития.

Силовая электроника – наука о взаимодействии электронов и других заряженных частиц, квантов излучения с электромагнитными полями в вакууме, в различных средах и на границах их раздела – (физическая электроника): а так же методы создания электронных приборов и устройств в которых это взаимодействие используется для обработки и хранения информации и преобразования энергии – (техническая электроника).

Силовая электроника является одной из областей электроники и непосредственно исп-ся при преобразовании вида, уровня напряжения, числа фаз, порядка их чередования, трансформация пост.тока. а так же при преобразовании энергии источников питания в энергию управляющего воздействия подаваемого на управляемый объект(ОУ)-нагрузку.

Электроника подразделяется на:

- электроника СУ и контроля (информационная электроника, малая мощность на выходе);

- технологическая электроника (силовая электроника, неограниченная мощность);

- электроника связи (радио, телевидение, высокие частоты);

В настоящее время созданы современные силовые полупроводниковые приборы и другие пассивные компоненты, позволяющие реализовать СЭУ на относительно большие мощности.

Наличие микропроцессорной техники позволяет получить определенные необходимые характеристики СЭУ.

Основные направления:

· Улучшения параметров и характеристик полупроводниковых приборов;

· Разработка новых типов полупроводниковых приборов;

· Создание интеллектуальных приборов;

· Использование микроконтроллеров средств вычислительной техники в системе управления контроля и регулирования;

· Создание модулей из полупроводниковых приборов или законченных схем.