Электроника и микросхемотехника

1. Время выключения тиристора уменьшается с увеличением скорости нарастания запирающего тока, но коэффициент запирания при этом падает, что увеличивает требуемую для выключения амплитуду отрицательного тока управления. Таким образом, индуктивность контура запирания должна быть оптимизирована между требуемой скоростью процесса выключения и экономичностью выходного узла драйвера, определяемой токовой нагрузкой его элементов.

2. От скорости нарастания запирающего тока зависит длительность протекания остаточного тока ключа и его амплитуда на завершающей стадии выключения. Эти параметры не приводятся в справочных данных, и завышенная скорость нарастания тока выключения может вызвать столь значительные динамические потери, что снизит предельную мощность переключения на несколько сотен ватт.

6. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДРАЙВЕРОВ

Используя информационную составляющую импульса управления, драйвер формирует логику работы силового ключа, при этом мощность выходного сигнала должна поддерживаться соответствующим источником энергии. По числу источников питания драйверы можно разделить на две группы:

1. С двумя источниками питания, один из которых предназначен для импульса отпирания, другой соответственно для импульса запирания.

2. С одним источником питания, энергия которого непосредственно используется для отпирания силового ключа. Обеспечение энергией канала запирания возможно следующими способами: во-первых, за счёт промежуточного накопителя энергии (чаще всего конденсатора) и, во-вторых, за счёт использования мостовой схемы выходного узла драйвера.

Варианты перечисленных режимов питания драйвера показаны на рисунке 83.

В схеме рис. 83,б при отпирании силового ключа ток протекает по цепи +Е1 - R1 - открытый VT1 - база-эмиттер силового ключа - диоды VD1…VD4 - минус Е1. На диодах выделяется напряжение (Uотр д) и заряжается конденсатор С. Для закрывания силового ключа запирается VT1, а VT2 отпирается и ёмкость разряжается через переход эмиттер-база силового транзистора, запирая его.

В схеме рис. 83,в при отпирании транзисторов VT1 и VT2 ток протекает по цепи +Е1 - R1 - коллектор-эмиттер VT1 - катод, управляющий электрод силового ключа, - коллектор-эмиттер VT2 - R2 - минус E1. Для того чтобы подключить к управляющему электроду силового ключа запирающее напряжение, необходимо запереть VT1 и VT2 и отпереть тиристоры VS1 и VS2. Через управляющий электрод силового тиристора будет протекать ток в противоположном направлении, причём в этой цепи будет включена индуктивность Lу, которая необходима для задания скорости изменения запирающего тока.

Рис. 83. Варианты организации питания драйверов с двумя источниками (а), одним источником и промежуточным накопителем (б), с выходным узлом драйвера мостовой конфигурации

Рассмотрим некоторые практические вопросы подключения драйверов с их источниками питания к силовым ключам мостовой схемы преобразователя. За базовую схему драйвера примем схему рис. 83,а с двумя источниками питания Е1 и Е2. Пусть такой драйвер подключён для управления транзистором VT2 (рис 84,а), где изображены только два биполярных транзистора, образующих одну стойку моста. Для того чтобы управляющий открывающий или запирающий ток протекал через переход база-эмиттер VT2, необходимо общую точку соединения источников Е1 и Е2 (точка A) подключить к точке B моста. Если драйвер, управляющий силовым ключом VT1, запитать от этих же источников, то необходимо будет соединить точку A с точкой C. В результате через общую клемму источников (точка A) точки B и C будут закорочены, и при включении питания получим «новогодний фейерверк». Для исключения такого эффекта необходимы ещё две пары изолированных источников. Таким образом, для управления четырьмя транзисторами моста необходимы три пары изолированных источников: одна - для VT1, другая - для VT3, третья - для транзисторов VT2, VT4, имеющих совместное соединение эмиттеров (рис. 84,б). Итого 6 однополярных источников. Для мостов, выполненных на транзисторах с изолированным затвором (MOSFET, IGBT - малые токи управления), и для БТ, управляющих двигателем малой мощности, более выгодны драйверы рис. 83,б, позволяющие уменьшить в два раза число однополярных источников.

Схемотехнически можно уменьшить количество источников в итоговой схеме. Если синтезировать мост на комплементарных транзисторах (одинаковые параметры, но разная проводимость: n-p-n, p-n-p) (см. рис. 42), то с помощью вспомогательных транзисторов (на схеме - VT1, VT6) можно управлять верхними силовыми ключами от одной пары источников (стандартно операционные усилители запитываются двухполярным напряжением ± 15 В), но их запирание будет без форсировки (Uбэ.

Рис. 84. Варианты подключения драйверов к силовым ключам мостовой схемы преобразователя: ошибочный (а), вариант с шестью однополярными источниками (б)

Если по каким-то причинам не устраивает мостовая схема рис. 42 (отсутствие комплементарных транзисторов, отсутствие форсировки запирания ключей, необходимость подавать на базу отрицательное напряжение в запертом состоянии и др.), количество источников схемы рис. 84 можно уменьшить за счёт применения драйверов (рис. 83,б или, если выходной узел драйвера имеет мостовую схему, рис. 83,в).

Если силовой мост и драйверы построены на базе транзисторов с изолированным затвором (малая мощность управления), то можно организовать управление силовыми ключами с бутстрепным способом питания, требующего один однополярный источник питания. Принцип бустрепного способа питания показан на схеме рис. 85 (приведён один ствол силового моста - VT1, VT2), в которой внутренняя земля драйвера 2 подключена к земляной клемме источника питания E, а внутренняя земля ( ) драйвера 1 - к клемме конденсатора C, соединённой с истоком силового транзистора VT1. При отпирании транзисторов драйверов VT12 и VT21 силовой ключ VT2 открыт, а VT1 заперт. Конденсатор C через диод заряжается почти до величины E, так как одна его клемма будет через открытый транзистор VT2 подключена к земле источника, а к драйверу 1 будет подключено напряжение E. При переключении выходных транзисторов драйверов (VT11 и VT22 открываются) конденсатор C с закрыванием ключа VT2 отключается от источника E и своим напряжением будет поддерживать напряжение драйвера 1. Таким образом, одна клемма конденсатора C «гуляет» между общей «землёй» и проводом силового питания моста.

Рис. 85. Управление силовыми ключами мостовой схемы с бутстрепным питанием

Если не учитывать ценовую сторону, то наиболее предпочтительны драйверы рис.78, в которых генерируются необходимые источники питания и для управления силовыми ключами моста достаточно также одного источника питания.

7. МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРЕОРАЗОВАТЕЛЯ

Существует большое количество схемотехнических способов защиты отдельно взятых силовых ключей от электрических перегрузок; в основном это перенапряжения и токовые перегрузки различного происхождения. Для защиты требуется, как правило, подключение к электродам ключа различных дополнительных элементов: резисторов, индуктивностей, диодов, ёмкостей (см. рис. 33). Естественно, это усложняет схему, делает её более объёмной в конструктивном отношении, более дорогой и, главное, увеличивает монтажную паразитную индуктивность. Её влияние на работу схемы было рассмотрено при обосновании необходимости гальванической развязки (см. раздел 5.1). В связи с чем возникает дилемма: монтаж дополнительных элементов - это польза или вред для силовой части преобразователя? Поэтому можно привести несколько бесспорных практических советов по защите силовых элементов преобразователя:

1. Чтобы отстраниться от помех других устройств и не генерировать помехи другим устройством, полезно установить на входе питания от промышленной сети защитное устройство (фильтр) (рис. 86).

Рис. 86. Схема подключения внешнего защитного устройства

2. Ключи желательно выбирать с наибольшим (в разумных пределах) запасом по току и напряжению (при перегрузках будут функционировать в более облегчённых режимах).

3. Использовать драйверы, в которых предусмотрены необходимые (на взгляд потребителя) защиты от перегрузок.

4. Выбирать силовые ключи, в которые уже встроены необходимые датчики (тока, температуры).

5. С помощью конструктивных мероприятий попытаться свести к минимуму паразитную индуктивность монтажа (особенно силовой части).

5.1. Монтажные провода должны соответствовать амплитуде силового тока.

5.2. Длина проводников не должна превышать 5-7 см (чем короче, тем лучше) и не иметь петлевых изгибов (индуктивность увеличивается в 2-3 раза). На токи до 100 А можно применять витые многожильные проводники (меньше наводки, меньшая ёмкость проводников). При токах больше 100 А используют контактные пластины (металлические или многослойные пластмассовые).

5.3. При силовых токах больше 200 А применяют схему преобразователя с шестью изолированными источниками (рис. 84,б) (схема дороже, сложнее, но увеличивается надёжность функционирования).

5.4. Желательно применять законченные силовые модули (силовой ключ, драйвер, большой набор защит, получивших название «ключ с интегрированной системой защиты» или ещё как «разумные» или интеллектуальные), которые могут выпускаться в виде отдельных ключей или полумоста (одна стойка моста). Эти приборы позволяют избавиться от громоздких и неэкономичных дополнительных цепей защиты и свести монтажную индуктивность к минимуму. Но некоторые из них требуют для своего функционирования подключения внешнего драйвера. Более подробно параметры этих приборов приводятся в справочных данных.

8. ЗАЩИТА ОТ СКВОЗНЫХ ТОКОВ

При переключении ключей в стойке моста могут возникнуть сквозные токи (неуправляемые, т.е. в цепи их протекания отсутствуют токоограничивающие элементы) (см. рис. 87,а). Особенно это характерно для ключей на БТ и IGBT-транзисторах, при запирании которых наблюдается эффект рассеивания неосновных носителей, что увеличивает время запирания по отношению к открыванию. Например, при запирании транзистора VT1 с этапом рассеивания ключ VT2 успеет отпереться, и через VT1, VT2 будет протекать сквозной ток Iск.

Стандартная защита от сквозных токов - подавать сигнал отпирания на драйвер силового ключа с необходимой задержкой по отношению к запирающему другого в стойке транзистора. Для ключей с изолированным затвором некоторую асимметрию в скорости переключения помогают получить схемы рис. 80,а или рис. 80,в при R1>R2. Стандартно задержку осуществляют в логической части ФИУ (вне зависимости от типа ключа). Пример реализации такой задержки показан на рис. 72,б. Входной сигнал логического нуля будет поступать на выход логики без задержки, логическая единица появляется на выходе только тогда, когда ёмкость С зарядится через резистор R до величины напряжения опрокидывания микросхемы (для ТТЛ- логики около 1,2 В). С помощью этой схемы для ТЛЛ-логики можно получить максимальную задержку около 2 мкс. Схему можно модифицировать или взять несколько базовых схем рис. 87,б и соединить их последовательно.

Рис. 87. Мостовая силовая схема (а) и схема формирования временной задержки (б)

Другой пример реализации временной задержки на включение показан на рис. 88. Эту схему реализации временной задержки целесообразно применять при относительно малых силовых токах, так как на дополнительных диодах VD1 и VD2 теряется мощность. Силовой мост реализован на комплементарных силовых ключах (БТ, MOSFET и др.)

К точке А подключается общая точка двух однополярных источников питания драйверов мощных ключей. При открытом ключе VT1 на диоде VD1 (при необходимости можно взять несколько соединённых последовательно) будет выделяться напряжение, и транзистор VT22 будет отпёрт, шунтируя вход силового ключа и не позволяя ему отпереться. Только при запирании VT1 транзистор VT22 тоже закроется, и входной сигнал поступит на ключ VT2. При запирании VT2 аналогичную функцию будет выполнять диод VD2 и VT21, не позволяя ключу VT1 отпереться прежде, чем закроется VT2.

В схеме необходимо предусмотреть резисторы R1 и R2, так как переходы база-эмиттер вспомогательных транзисторов VT21 и VT22 включены соответственно параллельно диодам VD2 и VD1. Это не позволит через VT21, VT22 протекать силовым токам преобразователя.

Рис. 88. Схема моста с автоматической временной задержкой на включение

Размещено на Allbest.ru