НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Івашуткін Костянтин Євгенович

УДК 621.314.58 : 621.382.323

АДАПТОВНІ СИЛОВІ МОДУЛІ ІМПУЛЬСНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ МАЛОЇ ТА СЕРЕДНЬОЇ ПОТУЖНОСТІ

Спеціальність 05.09.12 - Напівпровідникові перетворювачі електроенергії

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі промислової електроніки та електронної техніки Запорізької

державної інженерної академії Міністерства освіти і науки України, м Запоріжжя.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Переверзєв Анатолій Васильович,

Запорізька державна інженерна академія (м. Запоріжжя)

Завідувач кафедри промислової електроніки та електронної техніки.

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор

Терещенко Тетяна Олександрівна,

Національний технічний університет

України “Київський політехнічний інститут” (м. Київ), професор кафедри промислової електроніки.

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник,

Шевченко Петро Миколайович,

Інститут електродинаміки НАН України (м. Київ), старший науковий співробітник відділу транзисторних перетворювачів.

Провідна установа – Національний технічний університет України “Харківський політехнічний інститут” (м. Харків), кафедра промислової електроніки.

Захист відбудеться “11” березня 2002 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради

К26.002.06 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ – 56, пр. Перемоги, 37, тел. 241-76-62.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НТУУ “КПІ”.

Автореферат розісланий “05” лютого 2002 року.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Б. М. Кондра

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. При всій різноманітності імпульсних перетворювачів (ШІМ, резонансні, квазірезонансні, тощо), проблеми підвищення їх к.к.д., зменшення масогабаритних показників і вартості залишаються такими ж актуальними. Особливу актуальність ці проблеми набувають внаслідок появи і впровадження нових технологій конструювання перетворювачів, суть яких складається в переході до модульного принципу побудови їх силових вузлів. Як конструктивно закінчені вироби, сучасні силові інтегральні модулі, що містять, крім комутуючих елементів, також пристрої їх керування, живлення, формування траєкторії перемикання і захисту, не підлягають ремонту, а параметри внутрішніх ланцюгів не можуть бути скоректовані в процесі експлуатації. Тому силові модулі повинні характеризуватися високим ступенем надійності й універсальності. Крім того, як відомо, кількість компонентів будь-якого виробу істотно впливає на його масогабаритні показники і надійність. Тому функціональна інтеграція внутрішніх пристроїв інтегральних силових модулів є одним з важливих кроків в напрямку мініатюризації імпульсних перетворювачів при збереженні високих електротехнічних характеристик.

В даний час у системах імпульсного регулювання потужності поширений метод широтно-імпульсної модуляції (ШІМ-метод) завдяки надійності, простоті схемотехнічних рішень перетворювачів і невисокій вартості. Він використовується в системах електроприводів, а також імпульсних системах електроживлення. Перетворювачі, що використовують імпульсні методи регулювання в електроприводах постійного струму, працюють у низькочастотному діапазоні

(2-20кГц), а високочастотний діапазон (20кГц-2МГц) відведений перетворювачам постійної напруги імпульсних джерел живлення.

Основним недоліком існуючих підходів до рішення проблем забезпечення ефективної й економічної роботи імпульсних перетворювачів з ШІМ є використання таких принципів і способів побудови внутрішніх пристроїв силових модулів, схемотехнічні рішення яких характеризуються сталістю параметрів своїх ланцюгів і, як правило, розраховані на номінальний режим роботи у вузькому частотному діапазоні. При цьому робота таких пристроїв зі зміною параметрів навантаження, зовнішніх ланцюгів або робочої частоти стає неефективною, що приводить до завищення сумарних втрат потужності і зниженню к.к.д. функціонування усього комутуючого блоку. Як наслідок, схемотехнічні рішення пристроїв, застосованих в інтегральних модулях одного перетворювача, у кращому випадку працюють в режимі неоптимального енергоспоживання або взагалі виявляються непрацездатними в складі іншого перетворювача тієї ж потужності.

Таким чином, пошук принципів і способів забезпечення контролю й узгодження роботи силових інтегральних модулів з режимами навантаження й умовами комутації є необхідним з погляду підвищення електротехнічних характеристик розробляємого силового обладнання.

Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота по темі дисертації проводилася у відповідності з проектом ДКНТ 05.51.02/078-92, програмою 05.51.02. (1992-1994рр.) “Дослідження й удосконалення функціонально-інтегрованих силових приладів і модулів на їх основі для перетворювачів енергії малої потужності”; по комплексному проекту ДКНТ 04.11.03/030-95, завданню 04.11.03/604К-95 (1994-1996рр.). Хоздоговірні роботи проводились с ВАТ НДІ “Перетворювач” по програмі “Наука-2034”, договір №9806/07-23-94 “Дослідження методів, принципів побудови та шляхів створення уніфікованих інтелектуальних модулів, призначених для вмонтованих напівпровідникових перетворювачів побутової електроніки” (1994-1995рр.); по програмі “Наука-3048”, договір №9777/07-23-94 “Проведення досліджень по розробці електроприводів на нових принципах та елементній базі з використанням двигунів з електромагнітною редукцією і гібридних інтегральних модулів”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка і дослідження способів побудови інтегральних силових модулів, що мають властивість адаптовності параметрів до умов використання, зміни параметрів зовнішніх ланцюгів, режимів навантаження і частоти комутації, а також створення на цій основі імпульсних напівпровідникових перетворювачів малої і середньої потужності з поліпшеними електротехнічними характеристиками.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувалися наступні основні задачі:

- дослідження електромагнітних процесів у ланцюгах силових ключів при живленні індуктивного навантаження в режимі широтно-імпульсної модуляції для виявлення закономірностей зміни комутаційних характеристик, а також залежностей теплових втрат і визначення умов досягнення їх мінімальних значень.

- аналіз впливу зміни параметрів зовнішніх ланцюгів і навантаження силових модулів на характеристики внутрішніх пристроїв і формулювання основних вимог по досягненню адаптовності параметрів.

- аналіз існуючих способів побудови внутрішніх пристроїв силових модулів і вибір найбільш прийнятних для застосування їх при розробці адаптовних модулів.

- розробка і дослідження способів побудови внутрішніх пристроїв силових модулів, що мають властивість адаптації до умов використання, зміни значень комутаційних напруг, частоти перетворення, параметрів навантаження.

- розробка функціонально-інтегрованих пристроїв з метою поліпшення масогабаритних показників адаптовних силових модулів і перетворювачів в цілому.

- розробка рекомендацій з практичної реалізації і використання спроектованих модулів у складі імпульсних перетворювачів.

Об’єкт та предмет дослідження. Досліджуються інтегральні силові модулі у складі імпульсних перетворювачів на предмет підвищення їх енергетичної ефективності.

Методи дослідження. Вирішення поставлених у дисертації задач виконано з використанням методів аналізу нелінійних ланцюгів, чисельних методів розв’язання інтегральних і диференційних рівнянь, методи класичної теорії електричних ланцюгів, теоретичні основи мікроелектроніки, експериментальні дослідження, а також методи математичного і фізичного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- одержали розвиток способи побудови імпульсних перетворювачів малої і середньої потужності з ШІМ шляхом використання адаптовних силових модулів, що дозволяють підвищити ефективність перетворення, знизити втрати, а також поліпшити масогабаритні показники силового обладнання;

- вперше запропонована і реалізована ідея побудови адаптовних силових модулів, особливістю яких є мінімізовані втрати в діапазоні робочих частот, узгодженість режимів роботи з режимами навантаження при його зміні в широких межах, а також можливість комутації навантажень розташованих як на високопотенційному, так і на низькопотенційному боці перетворювача;

- вперше застосовані внутрішні джерела живлення бутстрепного типу на польових транзисторах, що реалізують принцип автоматично змінної величини споживання енергії в залежності від частоти і коефіцієнту заповнення роботи силових модулів, що дозволило погодити величини перетвореної і споживаної ключовим елементом енергій;

- вперше реалізовані активні ланцюги формування траєкторії вимикання ключових елементів, що підвищують ефективність роботи модулів при зміні величини навантаження чи частоти комутації завдяки виключенню накопичення надлишкової енергії в реактивних елементах;

- вперше реалізований пристрій, що інтегрує функції бутстрепного джерела живлення і формувача траєкторії перемикання силового ключа, що дозволило підвищити економічність і поліпшити масогабаритні параметри модулів;

- вперше застосовані пристрої захисту силових ключів від перенапруг на основі статичного індукційного транзистора (СІТ), що дозволяють здійснювати плавну зміну напруги обмеження і фіксувати перенапруги на заданому рівні;

- вперше отримані аналітичні вирази розрахунку втрат в адаптовних силових модулях, та розроблена на їх основі методика розрахунку параметрів елементів модулів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що наведені в роботі висновки, залежності, графіки дають можливість обґрунтованого вибору структури інтегральних адаптовних модулів та їх проектування. Проведені дослідження дозволили розробити інтегральні силові модулі з поліпшеними електротехнічними характеристиками для застосування в імпульсних перетворювачах малої і середньої потужності із широтно-імпульсною модуляцією.

У тому числі:

- розроблено і впроваджено на базі НДІ “Перетворювач” адаптовні силові модулі малої і середньої потужності, призначені для застосування в електроприводі пральних машин, пилососів, а також різних імпульсних перетворювачах постійної напруги з широким діапазоном робочих частот;

- розроблено й успішно пройшов заводські іспити електропривод занурювального насоса на базі індукторного двигуна малої потужності типу БЦП 0.63-25, у якому були застосовані способи побудови пристроїв адаптовних силових модулів;

- отримано високі показники к.к.д. імпульсного перетворювача постійної напруги (ІППН) понижуючого типу, у структурі якого були застосовані пристрої з адаптовними параметрами внутрішніх ланцюгів.

Особистий внесок здобувача. В роботах, які опубліковані у співавторстві, особисто автору належить:

- в роботах [1] виконано аналіз перехідних та усталених процесів у ланках джерел живлення модулів.

- в роботі [2-6] виконано математичне моделювання електромагнітних процесів, які протікають у ланках модулів, дослідження й порівняння характеристик існуючих та запропонованих способів побудови внутрішніх пристроїв.

- в роботі [8] виконана розробка силових секцій перетворювача частоти та аналіз перехідних процесів.

- в роботі [9] отримані основні математичні співвідношення, які дозволяють враховувати особливості протікання перехідних процесів в силових ланках модулів, розроблена методика розрахунку втрат потужностей вимикання силових ключів адаптовних модулів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були обговорені на Міжнародних науково-технічних конференціях:

- “Силовая электроника в решении проблем ресурсо- и энергосбережения”. Харків, 1996р.;

- “Силовая электроника – как эффективное средство ресурсо- и энергосбережения, создания прогрессивных технологий”. Запоріжжя, 1997р.;

- “Силовая электроника и энергоэффективность”. Київ-1998р.;

- “Силовая электроника и энергоэффективность”. Алушта-2001р.;

Публікації результатів наукових досліджень. За результатами виконаних досліджень опубліковано 9 робіт, серед яких 8 у наукових фахових виданнях (1 без співавторів), 1 робота у матеріалах і тезах конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів і висновків. Містить 96 рисунків, 3 таблиці, список використаних джерел з 53 найменувань і 3 додатків на 13 сторінках. Обсяг роботи складає 137 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі викладена актуальність, обґрунтування й основні питання дослідження, а також наукова новизна і практичне значення результатів, отриманих при виконанні роботи.

У першому розділі розглянуті тенденції розвитку імпульсних перетворювачів енергії малої і середньої потужності, способів побудови і шляхів підвищення їх електротехнічних показників.

Показано, що на сьогоднішній день перспективним напрямком побудови потужних транзисторних перетворювачів є секціонування їх структури на основі конструктивно закінчених силових модулів в інтегральному виконанні. Перенесення трудовитрат на етап автоматизованого масового виробництва силових секцій у виді інтегральних схем (ІС) дозволило значно зменшити трудомісткість виготовлення обладнання і його собівартість. При цьому ефективним кроком підвищення надійності функціонування потужних ключів було об'єднання в одному корпусі не тільки силових елементів перетворювача, але і схем їх керування. Мала довжина провідників пристроїв керування при великих частотах комутації дозволила значно зменшити наведення електромагнітних перешкод.

Як відомо силові ключі модуля є основними енергоспоживаючими елементами. Дослідження особливостей протікання електромагнітних процесів у ланцюгах силових МДН-транзисторів виявляють необхідність одночасного контролю з однієї сторони рівня його динамічних втрат, а з іншого боку – траєкторії ходу робочої точки в моменти комутації, з метою забезпечення безаварійної роботи, як самого модуля, так і перетворювача в цілому.

При цьому загальний вираз, що відображає всі складові динамічних втрат ключа з врахуванням комутаційних сплесків струмів і напруг, має вид:

(1)

де: Е – напруга живлення;

Iн- струм навантаження;

Iвмах – амплітуда зворотного струму діода;

- амплітуда комутаційних перенапруг між електродами сток-витік (Uсв) транзистора.

- тривалість наростання струму стоку, рівна сумі часу включення транзистора і часу зворотного відновлення діода;

- тривалість спаду напруги стоку;

- тривалість наростання напруги;

- тривалість спаду струму стоку;

Тн – період несучої частоти.

Зменшення впливу одного з розглянутих дестабілізуючих факторів роботи ключа приводить до збільшення впливу іншого, при цьому можуть спостерігатися режими роботи ключа близькі до границі критичних показників безаварійного функціонування.

Рішенням існуючої проблеми ефективного функціонування силових модулів міг би стати перехід до таких принципів і способів побудови інтегральних модулів, що дозволили б розробляти пристрої з параметрами, які автоматично змінюються при зміні умов живлення і комутації навантажень, робочої частоти, та параметрів зовнішніх ланцюгів. При цьому пристрої, що входять до складу такого інтегрального модуля повинні гнучко реагувати на зміну режимів роботи ключового транзистора. Насамперед, це стосується контролю і коректування втрат потужності, оскільки зміна частоти комутації, або навантаження силового ключа приводить до зміни його динамічних втрат, а також енергії, споживаної вхідними ланцюгами, та вимагає коректування параметрів пристроїв формування траєкторії перемикання, а також параметрів внутрішніх джерел живлення.

Отриманий на основі таких пристроїв адаптовний силовий модуль, як конструктивно закінчена одиниця, з погляду застосування в імпульсних перетворювачах різної схемної конфігурації комутуючих елементів з широким діапазоном робочих частот, повинен відповідати наступним вимогам:

- наявність потужного швидкодіючого пристрою керування, що забезпечує мінімальну тривалість протікання перехідних процесів у силовому ключі;

- наявність механізму регулювання траєкторії перемикання ключа при зміні умов його комутації, а також параметрів зовнішніх силових ланцюгів перетворювача;

- наявність надійного економічного високочастотного внутрішнього джерела живлення;

- можливість експлуатації модуля в складі будь-якого імпульсного перетворювача, незалежно від схеми підключення відносно навантаження.

В другому розділі розглянуті особливості електромагнітних процесів, що протікають у ланцюгах силових інтегральних модулів, проведені дослідження існуючих способів побудови їх структурних одиниць і запропоновані нові підходи до реалізації внутрішніх функцій. Крім того, виявлені режими неузгодженої спільної роботи із силовим ключем, які знижують енергетичні характеристики всього модуля.

Було показано, що пристрої, що входять до складу інтегральних модулів характеризуються сталістю параметрів внутрішніх ланцюгів і мають ряд недоліків, що накладають обмеження на діапазон їх ефективного функціонування.

1. Відсутність у пристроїв керування з оптронною гальванічною розв'язкою механізму регулювання параметрів вхідних ланцюгів ускладнює їх застосування в складі інтегральних модулів з широким частотним діапазоном функціонування у випадку керування сигналами неузгодженої амплітуди.

2. Широко розповсюджені внутрішні джерела живлення бутстрепного типу здатні ефективно працювати без коректування параметрів внутрішніх ланцюгів тільки у вузькому частотному діапазоні комутації силового ключа.

Відомо, що при існуючому способі побудови внутрішніх джерел живлення підзаряд робочої ємності може відбуватися тільки у визначені проміжки часу, а саме в момент закритого стану ключового транзистора модуля, разом з яким він працює. У цей момент напруга між стоком і витоком ключа дорівнює напрузі високовольтної шини, що і використовується для підзаряда ємності джерела живлення.

Розрахунок елементів такого джерела живлення можна зробити, виходячи з наступних співвідношень:

(2)

де:

Сж– ємність живильного конденсатора;

Свх– еквівалентна вхідна ємність польового транзистора;

- амплітуда напруги затвор-витік;

Uст– напруга, до якого заряджається робоча ємність, та визначається напругою стабілізації стабілітрона;

Uж– напруга на живильному конденсаторі;

(3)

R - значення опору баластного резистора джерела живлення;

– коефіцієнт, що враховує втрати потужності при заряді ємності Свх.

Еж – напруга високовольтного джерела живлення;

Iст – струм через стабілітрон;

Свх - величина еквівалентної вхідної ємності МДН-транзистора;

Однак у випадку роботи на фіксованій частоті зміна коефіцієнта заповнення роботи ключового транзистора веде до появи неузгодженого режиму перетворення високовольтної напруги. При цьому енергії підзаряда робочої ємності джерела живлення може чи бути недостатньо чи надмірно, чим існуюче енергоспоживання ключа. Причому найгірший режим спостерігається при роботі з коефіцієнтом заповнення імпульсів керування близької до одиниці, тобто час відкритого стану ключа близький до періоду несучої частоти, що і відповідає режиму максимального навантаження. У цьому випадку час, що відводиться на процеси відновлення в джерелі живлення, стає критично малим.

Інший граничний режим роботи імпульсного перетворювача відповідає режиму мінімального навантаження. У цьому випадку спостерігається завищення сумарних втрат потужності, які виділяються на елементах джерела живлення внаслідок того, що необхідний час підзаряда бутстрепной ємності стає меншим, чим час закритого стану ключового транзистора. При цьому надлишкова енергія розсіюється на стабілітроні.

Виявлені режими неузгодженої роботи бутстрепних джерел живлення і силових транзисторів неминучі через те, що у застосованих схемних рішеннях відсутній механізм зміни внутрішніх параметрів відповідно до зміни частоти і коефіцієнту заповнення роботи ключів модуля.

Бутстрепні джерела живлення на основі польових транзисторів дозволяють реалізувати принцип пропорційної зміни постійної часу заряду робочого конденсатора в залежності від напруги на ньому, та усунути основний недолік існуючих внутрішніх джерел живлення. Регулювання струму підзаряда бутстрепной ємності відповідно до енергоспоживання вхідних ланцюгів ключового транзистора і пристрою керування забезпечується завдяки великому коефіцієнту підсилення цих приладів.

3. Такий спосіб формування траєкторії вимикання силового ключа як, накопичення прогнозованої енергії в реактивних елементах ланцюгів, що демпфують, не є ефективним з погляду зменшення втрат потужності модуля в цілому. Причому ланцюги, що демпфують, є пристроями з постійними параметрами внутрішніх ланцюгів, які не залежать від навантаження силового транзистора.

Відомо, що формування траєкторії перемикання будь-якого силового ключа переслідує дві мети. Недопущення виходу його робочої точки за область безпечної роботи, та збільшення навантажувальної здатності ключа. Особливу актуальність проблема зменшення динамічних втрат і формування траєкторії перемикання здобуває при рішенні задач високочастотної комутації навантажень, що носять реактивний характер. Застосування пристроїв формування траєкторії перемикання силового ключа достатньо ефективно. Однак при цьому сумарна потужність втрат транзистора і демпфера залишається постійною. Більш того, зменшення навантаження і як наслідок зменшення втрат вимикання ключового транзистора не приводить до зменшення сумарних втрат, що є недоліком даного підходу до формування траєкторії вимикання. На рис.1. показані графіки залежності потужності комутаційних втрат вимикання в пристрої, що складається з ключового транзистора і RCD-ланцюга від струму навантаження для різних значень ємності, що демпфує. Крива 1 відповідає втратам потужності при роботі силового транзистора без ланцюга, що демпфує. Криві 4, 3- спільній роботі транзистора з ланцюгом, що демпфує, значення ємності якої розраховано для номінального режиму і близького до нього (Ін=6А) відповідно, а крива 2- спільній роботі транзистора з демпфером, значення ємності якої розраховане для режиму роботи близького до режиму холостого ходу, тобто мінімальному навантаженню. Як видно з графіків, із зменшенням навантаження, потужність втрат вимикання транзистора зменшується, а сумарна потужність втрат силового модуля залишається на рівні втрат при роботі в номінальному режимі.

Аналіз електромагнітних процесів показав, що енергія, яка накопичується в ємності, що демпфує, є постійною величиною і не змінюється зі зміною навантаження ключового транзистора. У результаті, ефективна робота демпфера спостерігається тільки в тому режимі навантаження ключа, на який він був розрахований.

Усунути виявлений недолік існуючих пристроїв формування траєкторії вимикання можна шляхом відсікання накопичення зайвої енергії на конденсаторі, що демпфує. При цьому енергію динамічних втрат, розсіювати безпосередньо в момент комутації транзистора, не роблячи її накопичення.

Схемне рішення пристрою, що реалізує такий принцип формування траєкторії вимикання силового транзистора, показане на рис.2.

Оцінити величину динамічних втрат транзистора VT1, при його спільній роботі з ланцюгом, що демпфує, див.рис.2. можна виходячи з наступних співвідношень:

(4)

на етапі наростання напруги, і:

(5)

на етапі спаду струму.

де: Е – напруга живлення;

- тривалість наростання напруги;

- тривалість спаду струму стоку;

Тн – період несучої частоти.

Iв – струм сплеску транзистора VT1, що визначається з довідкових даних приладу для відомого значення напруги затвор-витік Uзв транзистора VT1.

Значення напруги на затворі, до якого зарядиться вхідна ємність Сзв транзистора VT1 у момент закінчення наростання напруги стік-витік транзистора VT2 до повного значення високовольтної шини розраховується з наступного виразу.

(6)

де: - напруга на вхідній ємності транзистора VT1;

- ємність переходу затвор-витік транзистора VT1;

- ємність переходу сток-затвор транзистора VT1;

- час наростання напруги сток-витік транзистора VT1;

- значення вихідного опору пристрою керування транзистора VT1.

При цьому потужність динамічних втрат транзистора, що демпфує, VT2 відповідно буде розраховуватися з наступних рівнянь:

(7)

(8)

4. На сьогоднішній день існує кілька способів обмеження перенапруг силових МДН-транзисторів. Використовувані при цьому діоди Зенера, а також варистори виконують функції датчиків, сигнали з який підсилюються і передаються в керуючу схему. Однак, через відсутність необхідної номенклатури цих приладів, а також необхідність узгодження логічних рівнів сигналів інформаційних ланцюгів з сигналами пристроїв керування, ускладнює їх ефективне використання в складі пристроїв захисту від перенапруг. Рішенням задачі забезпечення розробників перетворювальної техніки необхідною номенклатурою силових приладів зі стабілітронною характеристикою могла б стати розробка універсального пристрою обмеження з погляду можливості фіксації ряду напруг.

Перспективним представляється використання статичного індукційного транзистора (СІТ) для виконання цих функцій. Особливістю СІТ є наявність сімейства вихідних характеристик тріодного типу в області зворотних зміщень на затворі. До того ж є можливим виготовлення його на одному напівпровідниковому кристалі з потужним МДН-транзистором.

У третьому розділі проведені дослідження нових способів побудови і поліпшення електротехнічних характеристик інтегральних модулів.

У результаті проведеної роботи була розроблена схемотехніка адаптовних силових модулів (рис.3.) та показано:

1. Обмеження насичення діодів у вхідних ланцюгах пристроїв керування з беспотенційним виходом, реалізованих на базі оптронних пар дозволяє зменшити час затримки проходження сигналу вимикання силового транзистора модуля більш ніж на порядок.

2. Отримані результати дослідження бутстрепних джерел живлення з змінними параметрами на базі польових транзисторів показали, що вони мають більш високі електротехнічні характеристики в порівнянні з існуючими.

При мінімальних значеннях потужностей, споживаних у ланцюгах керування (порядку 0,4Вт), вони здатні забезпечувати стабільне живлення пристроїв керування інтегральних модулів імпульсних перетворювачів у широкому діапазоні частот (від одиниць кілогерц до одиниць мегагерц), при припустимому рівні пульсацій напруги на живильному конденсаторі (Uпульс.=1В).

На рис.4. показані графіки залежності величини сталої напруги на живильному конденсаторі від робочої частоти силового ключа в джерелах живлення на основі стабілітрона (крива 2), та на основі польових транзисторів (крива 1) при роботі на еквівалентну вхідну ємність силового МДН-транзистора величиною 10нФ. Як видно з графіків, джерела живлення на основі польових транзисторів працюють у всьому діапазоні розглянутих частот, в той час коли джерела живлення на основі стабілітрона з такими ж електричними параметрами має граничну частоту 5кГц при коефіцієнті заповнення імпульсів керування Q=2. Зі збільшенням ємності навантаження цей параметр буде погіршуватися значно швидше.

При роботі на високих частотах необхідне коректування параметрів елементів джерел живлення на основі стабілітрона приводить до збільшення їх власних втрат потужності, значення яких вже на частоті 250кГц перевищують більш ніж у три рази втрати в джерелах живлення на основі польових транзисторів.

Крім того, джерела живлення на базі високовольтних польових транзисторів знаходяться завжди в режимі погодженої роботи з силовим транзистором у випадку зміни коефіцієнту заповнення імпульсів чи робочої частоти оскільки в них реалізований механізм регулювання енергії підзаряда бутстрепной ємності.

Графіки залежності потужностей, які виділяються у джерелах живлення на основі польових транзисторів від робочої частоти при двох значеннях навантажувальної ємності показані на рис.5. Де криві 1, 2 описують втрати для навантажувальних ємностей 1000пФ і 10000пФ відповідно. Як видно з графіків, втрати в цих джерелах визначаються тільки втратами підзаряда живильної ємності, при мінімальних потужностях споживання на власні потреби.

3. Активні ланцюги, що демпфують, є адаптовними, з погляду можливості роботи в широкому діапазоні частот перетворювача без погіршення енергетичних характеристик і забезпечення завжди погодженого режиму роботи з режимом роботи силового транзистора при зміні параметрів навантаження.

Як відзначалося вище, розрахунок параметрів пристроїв формування траєкторії (ПФТ) на базі RCD-ланцюгів здійснюється, як правило, для номінальних режимів роботи ключа й ефективність їх роботи змінюється зі зміною навантаження силового транзистора.

Так зменшення навантаження ключа веде до зменшення динамічних втрат вимикання. Однак, енергія, що накопичується періодично в конденсаторі RCD-ланцюга, що демпфує, залишається постійною. У результаті сумарні динамічні втрати потужності залишаються постійними і завищеними для цього режиму роботи. У VTC-ланцюгу ємність виконує функції зсуву фаз між струмом, що комутується, і напругою, а запасена в ній енергія по завершенні перехідних процесів має малу величину. Сказане вище ілюструють графіки рис.6. Тут крива 1 відображає графік сумарної потужності втрат вимикання на ключовому транзисторі й елементах, що демпфують, для схеми з традиційним RCD-снаббером, а крива 2 відображає графік сумарної потужності втрат вимикання на ключовому транзисторі й елементах що демпфують, для схеми з активним VTC-снаббером. Як видно, у режимах близьких до холостого ходу (малі струми) сумарна потужність втрат вимикання при роботі ключового транзистора з традиційним RCD-снаббером значно вище, ніж для випадку з активним демпфером, і вирівнюється тільки зі збільшенням навантаження.

Крім того, VTC-ланцюги, побудовані по новому принципу і дозволяють досягти мінімального часу перезаряда ємності, що демпфує, і тим самим істотно розширити частотний діапазон їх застосування.

На рис.7. приведені графіки залежності середньої потужності втрат вимикання силового транзистора від робочої частоти, при роботі з RCD і VTC ланцюгами. Крива 1 відповідає роботі силового ключа без формувача траєкторії, крива 2, 3 – для ключа з RCD ланцюгом, розраховані на частоту 5 і 20 кГц відповідно, крива 4 – роботі силового ключа з VTC ланцюгом.

Як видно з графіків, VTC ланцюг працює у всьому діапазоні частот, у той час як RCD ланцюг зі збільшенням робочої частоти ключа втрачає свої властивості. Збільшення робочої частоти RCD ланцюга, зі збереженням її властивостей, може бути досягнуте за рахунок зміни номінального значення снабберного резистора, що приводить до значного збільшення потужності, яка розсіюється на цьому резисторі та, приміром, складає величину 33 Вт при fроб.=100кГц, відвести яку, в умовах інтегрального модуля не представляється можливим. Для VTC ланцюга, потужність в який виділяється на транзисторі, ц задача розв'язана.

Додатковий аналіз схемотехнічного рішення активного ланцюга, що демпфує, виявив можливість його функціонального об'єднання з внутрішнім бутстрепним джерелом живлення силового модуля. Подібна інтеграція дозволила зменшити габаритні розміри модуля.

4. Наявність у високовольтних СІТ у режимі зворотнього зміщення керуючого pn-переходу сімейства вихідних характеристик стабілітронного виду дозволяє їх успішно використовувати у якості датчика напруг в складі пристроїв обмеження перенапруг, та той самий прилад можна використовувати для обмеження різного класу напруг. Крім того, об'єднання таких пристроїв на базі СІТ, як джерело живлення бутстрепного типу й обмежувач перенапруг дозволяє одержати функціонально-інтегрований пристрій і поліпшити масогабаритні показники силового модуля.

Четвертий розділ присвячений практичному апробуванню основних результатів роботи. Були застосовані при побудові як низькочастотних, так і високочастотних імпульсних перетворювачів адаптовні силові інтегральні модулі на базі МДН-транзисторів. Модулі характеризуються високими масогабаритними й енергетичними показниками являють собою конструктивно закінчені вироби і виготовлені з застосуванням гібридно-плівчатої технології зборки.

1.

2.

3.

На рис.8., 9. відображено графіки залежностей к.к.д. ІППН понижуючого типу, у якому були використані як традиційні, так і запропоновані способи побудови пристроїв інтегральних модулів. Тут криві під номером 1 відповідають к.к.д. перетворювача, реалізованого на базі адаптовного модуля, а криві 2- на базі звичайного модуля.

Як видно з графіків, застосування адаптовних модулів у складі імпульсних перетворювачів дозволяє підвищити їх к.к.д. у широкому діапазоні зміни параметрів навантаження і робочих частот.

висновки

У представленій дисертаційній роботі вирішені задачі побудови адаптовних силових модулів на базі МДН-транзисторів для імпульсних перетворювачів енергії малої та середньої потужності.

1. Одержав розвиток напрямок удосконалення енергетичних і масогабаритних показників імпульсних перетворювачів із ШІМ за рахунок побудови їх на базі інтегральних силових модулів, що мають властивість адаптації до умов зміни параметрів навантаження, зовнішніх ланцюгів і робочих частот перетворювача.

2. Розроблено і досліджені адаптовні силові модулі, особливістю яких є багатофункціональність, мінімізовані втрати потужності в діапазоні робочих частот, а також погодженість режимів роботи з режимами роботи перетворювача. Розроблено метод проектування таких модулів який базується на аналітичних розрахунках і математичному моделюванні, що дозволяє робити аналіз електромагнітних процесів, розрахувати втрати потужності силових ключів і вибрати елементи модулів.

3. Поліпшено частотні характеристики пристроїв керування з беспотенційним виходом і оптронною гальванічною розв'язкою за рахунок виключення режимів насичення вхідних ланцюгів при керуванні сигналам неузгодженої амплітуди. При цьому час запізнювання проходження інформаційного сигналу зменшився більш ніж на порядок, що дозволило розширити частотний діапазон роботи модулів в область сотень кілогерц.

4. Розроблено і досліджений новий спосіб побудови бутстрепних джерел живлення інтегральних модулів, що дозволяє реалізувати механізм автоматичної зміни рівня перетвореної енергії відповідно до рівня енергоспоживання. У результаті вдалося досягти погодженості їх значень при зміні частоти чи коефіцієнту заповнення роботи силового ключа модуля, і тим самим мінімізувати втрати потужності. Виявлено, що найбільш ефективним є використання в таких джерелах живлення польових транзисторів.

5. Зменшено сумарні втрати інтегрального модуля за рахунок застосування активних формувачів траєкторії вимикання МДН-транзисторів, що виключають накопичення надлишкової енергії в реактивних елементах ланцюгів, що демпфують, у режимах навантаження менших номінальних чи значень близьких до холостого ходу.

6. Застосовано і досліджені пристрої обмеження перенапруг на базі СІТ що дозволяють здійснювати плавну зміну напруги обмеження і фіксувати комутаційні перенапруги ключа на заданому рівні.

7. Реалізовано функціонально-інтегрований пристрій, що виконує одночасно функцію демпфування процесів вимикання силового МДН-транзистора, а також бутстрепного джерела живлення пристроїв керування, що дозволило поліпшити масогабаритні показники інтегрального модуля.

8. Досліджено виготовлені в НДІ "Перетворювач" (м. Запоріжжя) адаптовні силові модулі в складі електропривода побутових насосів на базі індукторного двигуна потужністю 600Вт. Застосування запропонованих способів побудови інтегральних модулів дозволило задовольнити жорстким вимогам, які висуваються до масогабаритних показників і показників економічності глибинних насосних установок з діаметром обсадної труби не більш 90мм.

9. Застосування адаптовних модулів у структурі ІППН понижуючого типу дозволило підвищити к.к.д. перетворювача на 2-4% у діапазоні зміни навантаження від холостого ходу до номінальних значень і робочих частот від одиниць до ста кілогерц.

Перелік опублікованих праць здобувача

за темою дисертації

1. Андриенко П.Д., Переверзев А.В., Остренко В.С., Ивашуткин К.Е. Интегральный силовой модуль // Электротехника. – 1998. - №7. – с. 34-37.

2. Переверзев А.В., Ивашуткин К.Е., Кудерко Д.А. Быстродействующая схема управления силового МОП-транзистора с гальванической развязкой на базе оптронной диодной пары // Электрический журнал. – 1999. - №1. – с. 42-45.

3. Переверзев А.В., Ивашуткин К.Е. “Интеллектуальный” модуль для электропривода двигателя с электромагнитной редукцией // Техническая электродинамика. 1998. - №4. с63-65.

4. Переверзев А.В., Ивашуткин К.Е., Кудерко Д.А.. Совмещенные цепи защиты и питания силовых модулей // Техническая электродинамика. Спец. Выпуск – 1998. - №2. Т.1. с286-289.

5. Переверзев А.В., Ивашуткин К.Е., Кудерко Д.А. Высоковольтный ограничитель напряжения // Приднiпровський науковий вiсник. – 1998. №44(111). – с. 60-65.

6. Ивашуткин К.Е. Ограничитель перенапряжений, работающий на электромагнитных процессах перезаряда межэлектродной емкости // Электрический журнал. – 2000. - №1 (11). –

с.44 -47.

7. Андриенко П.Д, Переверзев А.В., Землянский В.В., Ивашуткин К.Е., Лучко А.Р. Импульсный преобразователь вентильного индукторного двигателя центробежного высоконапорного насоса. // Электротехника и электроэнергетика. 2001..№1 с.59-61.

8. Переверзев А.В., Ивашуткин К.Е. Интегральные адаптируемые модули в составе импульсных преобразователей малой мощности // Техническая электродинамика. – 2001. Т.2. с.60-65.

9. Переверзев А.В., Ивашуткин К.Е., Кудерко Д.А. Источники питания драйверов интегральных силовых модулей // Труды Междунар. Конф. “Силовая электроника в решении проблем ресурсо- и энергосбережения” (РЭС-96). – Харьков: “Основа”. Том 1. – 1996. – с. 117,118.

АНОТАЦІЇ

Івашуткін К.Є. Адаптовні силові модулі імпульсних перетворювачів малої та середньої потужності. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 - Напівпровідникові перетворювачі електроенергії. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2001р.

Дисертація присвячена розробці і дослідженню способів побудови інтегральних силових модулів, що мають властивість адаптовності внутрішніх параметрів до умов застосування, зміни параметрів зовнішніх ланцюгів, режимів навантаження і частоти комутації, а також створенню на їх основі імпульсних напівпровідникових перетворювачів малої та середньої потужності з поліпшеними електротехнічними характеристиками. У роботі проведені розробка та дослідження інтегральних модулів, що характеризуються змінними параметрами внутрішніх ланцюгів. Запропоновані схемотехнічні рішення інтегральних адаптовних силових модулів на базі МДН-транзисторів. Отримано аналітичні вирази розрахунку втрат у таких силових модулях. Розроблено методику розрахунку параметрів елементів. Основні результати роботи реалізовані при розробці імпульсного перетворювача вентильно-индукторного двигуна і дослідженні імпульсного перетворювача постійної напруги понижуючого типу.

Ключові слова: інтегральний адаптовний силовий модуль, напівпровідниковий перетворювач, імпульсний перетворювач постійної напруги понижуючого типу, МДН-транзистор, вентильний індукторний двигун.

Ivashutkin K.E. Adaptation power modules of pulse converters of small and average power. -Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of technical science on a speciality 05.09.12 – “Semiconductor Electrical Energy Converters”. – National technical university of Ukraine “KPI”, Kiev, 2001.

The thesis is devoted to development and research of ways of construction of integrated power modules having property adaptation of internal parameters to conditions of application, change of parameters of external circuits, modes of loading and frequency of switching, and also creation on their basis of pulse semiconductor converters of small and average power with the improved electrotechnical characteristics. In work the researches of devices of integrated modules described in variable parameters of internal circuits are carried out. Are offered the circuitry decision of integrated adaptation power modules on the basis of MOSFET. The analytical expressions for account of losses in the power modules are received. The account method of elements parameters is developed. The basic results of work are realized by development of the pulse converter for switch reluctance drive of the engine, and research of the buck-converter of a constant voltage.

Key words: integrated adaptation power module, semiconductor converters, buck-converter, MOSFET, switch reluctance drive.

Ивашуткин К.Е. Адаптируемые силовые модули импульсных преобразователей малой и средней мощности. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 – Полупроводниковые преобразователи электроэнергии. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2001 г.

Диссертация посвящена разработке интегральных силовых модулей, обладающих свойством адаптируемости внутренних параметров к условиям применения, изменению параметров внешних цепей, режимов нагрузки и частоты коммутации, и созданию на их основе импульсных полупроводниковых преобразователей малой и средней мощности с улучшенными электротехническими характеристиками.

В работе рассмотрены основные принципы построения и конструирования импульсных преобразователей энергии малой и средней мощности с ШИМ. Обоснована целесообразность построения силовых блоков импульсных преобразователей на базе интегральных модулей, содержащих помимо силовых коммутирующих элементов устройства питания, управления, формирования траектории переключения и защиты.

Показано, что схемотехнические решения внутренних устройств силовых интегральных модулей характеризуются постоянством параметров внутренних цепей и способны эффективно работать в узком диапазоне изменения, параметров внешних цепей, нагрузки и частот коммутации. Выявлено, что существующие подходы к построению структурных единиц интегральных силовых модулей не позволяют разрабатывать устройства, которые могли бы отслеживать изменение режимов работы преобразователей и подстраиваться под новые условия функционирования. Предложено при построении импульсных преобразователей с ШИМ применять в качестве силовых коммутирующих элементов силовые адаптируемые модули, реализованные на базе устройств с переменными параметрами внутренних цепей. Особенностью их являются минимизированные потери в диапазоне рабочих частот, согласованность режимов работы с режимами нагрузки при ее изменении в широких пределах, а также возможность коммутации нагрузок расположенных, как на высокопотенциальной, так и на низкопотенциальной стороне преобразователя. Разработан метод проектирования адаптируемых модулей, базирующийся на аналитических расчетах и математическом моделировании, позволяющий производить анализ электромагнитных процессов, рассчитать потери мощности силовых ключей и выбрать элементы модулей.

Предложены способы построения, бутстрепных источников питания, формирователей траектории переключения, устройств защиты от перенапряжений, а также способы согласования параметров входных цепей устройств управления с параметрами внешних цепей, позволяющие исключить режимы их неэффективного функционирования при изменении режимов работы силовых модулей.

Реализовано функционально-интегрированное устройство, выполняющее одновременно функции бутстрепного источника питания и устройства формирования траектории выключения силового транзистора. Применение данного устройства в структуре интегрального адаптируемого модуля позволило повысить массогабаритные показатели последнего.

Предложены схемотехнические решения интегральных адаптируемых силовых модулей на базе МДП-транзисторов. Основные результаты работы реализованы при разработке импульсного преобразователя вентильно-индукторного двигателя, и исследовании импульсного преобразователя постоянного напряжения понижающего типа.

Ключевые слова: интегральный адаптируемый силовой модуль, полупроводниковый преобразователь,