Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор современного состояния в области разработок и применения регулируемых источников тока 11
1.1. Разработка и применение сварочных аппаратов для дуговой электро сварки 11
1.1.1. Дуговая электросварка 11
1.1.2. Требования к сварочным аппаратам для дуговой электросварки 13
1.1.3. Обзор и классификация применяющихся в настоящее время сварочных аппаратов 17
1.2. Разработка и применение регулируемых источников тока для проверки и контроля автоматических выключателей и тепловых реле 25
Выводы 26
ГЛАВА 2. Анализ и разработка схем высокочастотных источников тока 27
2.1. Анализ функциональных схем источников тока 27
2.1.1. Однотактные схемы источников тока 28
2.1.2. Двухтактные схемы источников тока 34
2.1.3. Схемы построения источников тока с резонансной коммутацией транзисторов 39
2.2. Схемы управления силовыми транзисторами источников тока 43
2.3. Разработка практических схем источников тока 49
2.3.1. Схема высокочастотного сварочного аппарата АСМ-1 49
2.3.2. Схема высокочастотного сварочного аппарата АСМ-2 53
2.3.3. Схема устройства контроля и проверки автоматических тепловых выключателей и токовых реле 59
2.3.4. Схема высокочастотного преобразователя с повышенным КПД 61
Выводы 63
ГЛАВА 3. Расчет высокочастотных трансформаторов с минимальными потерями 64
3.1. Постановка задачи 64
3.2. Требования к обобщенному методу оптимизации 65
3.3. Исходные положения 66
3.4. Уравнение суммарных потерь в трансформаторе 68
3.5. Минимизация потерь в трансформаторе при заданных значениях выходной мощности, перегрева и частоты 71
3.6. Минимизация потерь в трансформаторе при заданных значениях выходной мощности, перегрева и индукции 82
3.7. Минимизация потерь в трансформаторе при заданных значениях выходной мощности, перегрева и базового размера 91
Выводы 99
ГЛАВА 4. Выбор элементной базы и частоты преобразования источников тока 101
4.1. Выбор ключевых элементов источников тока 101
4.2. Выбор материала магнитопровода трансформатора источников тока 108
4.3. Выбор частоты преобразования источников тока 114
Выводы 115
ГЛАВА 5. Моделирование и экспериментальные исследования источников тока 117
5.1. Общие положения 117
5.2. Моделирование источников тока 122
5.3. Экспериментальные исследования разработанных источников тока 126
5.3.1. Экспериментальные исследования сварочного аппарата АСМ-2 126
5.3.2. Экспериментальные исследования устройства проверки автоматических тепловых выключателей и токовых реле 128
Выводы 130
Заключение 131
- Обзор и классификация применяющихся в настоящее время сварочных аппаратов
- Схемы построения источников тока с резонансной коммутацией транзисторов
- Минимизация потерь в трансформаторе при заданных значениях выходной мощности, перегрева и частоты
- Выбор материала магнитопровода трансформатора источников тока
Введение к работе
Источники тока (ИТ) являются важной частью источников вторичного электропитания. Они используются в сварочной технике, устройствах заряда аккумуляторных батарей, системах питания лазеров, в установках нанесения гальванопокрытий, электродуговых печах, системах электролиза цветных металлов, системах электропривода, установках проверки автоматических выключателей транспорта и т.д.
Среди перечисленных ИТ важное место занимают источники тока мощностью до 4кВт. Источники тока данной группы, к которым относятся сварочные аппараты (СА), а также установки проверки и контроля исправности автоматических тепловых выключателей и токовых реле метрополитена, играют важную роль в современной технике.
Особенностью таких источников являются значительные выходные токи (десятки и сотни ампер) при сравнительно небольших выходных напряжениях (2-25В).
Рассмотрим современное состояние в области разработки и производства таких источников.
Все выпускающиеся в настоящее время ИТ можно разделить на две основные группы в зависимости от частоты работы силового трансформатора. Это ИТ, использующие промышленное значение частоты преобразования силового трансформатора и ИТ с силовым трансформатором, работающим на повышенных значениях частоты преобразования.
В большинстве использующихся в настоящее время сварочных аппаратов и устройствах проверки силовой трансформатор работает на промышленной частоте. Проведенный анализ технических характеристик таких ИТ показал, что их массогабаритные и энергетические показатели во многом не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям.
Одной из основных идей, связанных с разработкой рассматриваемых устройств, является идея их максимального приближения к объекту работы, т.е. создание переносных ИТ.
В процессе эксплуатации сварочной техники часто возникает необходимость проведения работ в труднодоступных местах; сварщику необходима возможность оперативного и удобного перемещения СА по рабочей площадке.
Оперативная проверка автоматических выключателей и реле подвижного состава метрополитена также требует переносного ИТ.
Другим важным требованием, предъявляемым к рассматриваемым устройствам, является необходимость обеспечения глубокого регулирования выходного тока.
В СА необходимость глубокого регулирования выходного тока возникает например при сварке тонколистовой стали, где необходимо обеспечить регулирование тока от нулевых значений до максимального.
В устройствах проверки необходимость глубокого регулирования выходного тока вызвана большой номенклатурой установленных на вагонах метро тепловых выключателей и токовых реле.
В диодных лазерах величина выходного тока определяет энергию лазерного луча и должна регулироваться в широких пределах.
Следующим требованием к рассматриваемым ИТ является требование обеспечения высокого КПД.
Увеличение КПД ИТ позволяет улучшить тепловой режим работы устройства, а значит повысить его надежность и срок службы; уменьшить размеры устройств охлаждения или отказаться от их применения; увеличить время непрерывной работы в системах с автономным питанием; позволяет снизить потребляемый от сети ток.
Таким образом, возникает задача создания переносного ИТ с глубоким регулированием выходного тока и высоким КПД.
Показатели ИТ с силовым трансформатором промышленной частоты не удовлетворяют данным требованиям.
Так, выпускаемые в настоящее время сварочные трансформаторы ТДМ-168 имеют массу 50кг и габариты 410*365*455 мм при номинальном
токе 160А; сварочные выпрямители ВД-180/130 имеют массу 55кг и габариты 350*300*750 мм при токе 180А. Еще большую массу и габариты имеют сварочные преобразователи и генераторы: масса сварочного генератора ГД-2001 составляет 140кг, а его габариты 640*440*680 мм при номинальном сварочном токе 200А.
КПД таких СА лежит в диапазоне 70-80%.
Существенно повысить массогабаритные и энергетические показатели ИТ и выполнить их переносными, можно путем использования схемы построения ИТ на основе высокочастотного преобразователя.
Например, масса С А с выходным током 180А, построенного по высокочастотной схеме, составляет порядка 9кг, его КПД равняется 89%.
Рассмотрим основные вопросы, возникающие при разработке ИТ по высокочастотной схеме.
Основным этапом при построении ИТ по схеме с высокочастотным преобразователем является выбор схемы преобразователя.
Для этого необходимо произвести анализ схем, позволяющих получить крутопадающую внешнюю характеристику, и выбрать наиболее целесообразную для решения поставленной задачи схему.
Следующим этапом является построение схем управления ключевыми элементами преобразователя.
Особое внимание необходимо уделить вопросам разработки силового трансформатора. Дело в том, что масса, габариты и мощность потерь трансформатора существенно влияют на технические показатели всего устройства в целом.
Возникает задача проектирования трансформатора ИТ на максимальный КПД. Увеличение КПД трансформатора позволяет увеличить срок службы, повысить надежность, снизить массу и габариты устройства в целом.
Важным этапом разработки ИТ является выбор элементной базы. Необходимо провести анализ характеристик современных полупроводни-
ковых элементов и выбрать наиболее целесообразный для решения поставленной задачи тип полупроводникового ключа. Необходимо также проанализировать технические характеристики современных магнитных материалов магнитопровода трансформатора и дросселя ИТ. Кроме того, в рамках выбранной схемы, особенностей расчета силового трансформатора, а также на основании технических характеристик ключевых элементов и магнитных материалов необходимо определить рациональное значение частоты работы ИТ.
Исследованию и разработке высокочастотных преобразователей уделено большое внимание в технической литературе. В данной области необходимо отметить труды Глебова Б.А., Лаптева Н.Н., Моина B.C., Поликарпова А.Г., Ромаша Э.М., Сергиенко Е.Ф. Однако вопросы разработки регулируемых переносных ИТ с высокими массогабаритными и энергетическими показателями в технической литературе освящены недостаточно.
Отсутствует анализ схем построения ИТ с высокочастотным преобразователем, методик их расчета и проектирования. Не освещены вопросы расчета трансформатора рассматриваемых ИТ на максимальный КПД, вопросы выбора элементной базы и частоты преобразования.
Для проверки исправности автоматических тепловых выключателей и токовых реле, установленных на подвижном составе метрополитена, в настоящее время используются имеющие значительные массу и габариты ИТ, работающие на промышленной частоте. Работа по созданию малогабаритного устройства проверки на основе высокочастотного преобразователя проводилась впервые.
Возникает задача исследования и разработки регулируемых ИТ мощностью до 4кВт с улучшенными массогабаритными и энергетическими показателями, построенного по схеме с высокочастотным преобразователем, что и является целью настоящей диссертационной работы.
Научная новизна представленной диссертационной работы заключается в следующем:
На основе проведенного анализа современного состояния в области разработки и применения ИТ обоснована целесообразность построения переносных ИТ с использованием высокочастотного преобразователя.
Проведен анализ схем ИТ, проанализирована современная элементная база, на основании чего предложены рациональные схемы построения ИТ, а также рациональные схемы управления силовыми транзисторами ИТ.
Разработаны оригинальные схемы ИТ.
Разработана методика расчета высокочастотных трансформаторов ИТ с минимальными потерями, позволяющая проектировать трансформаторы с высокими энергетическими показателями.
Разработана математическая модель ИТ с применением пакета Pspice, позволяющая сократить затраты и время разработки ИТ.
Практическая ценность работы состоит в том, что результаты работы позволяют:
-Проектировать регулируемые ИТ, построенные на основании высокочастотного преобразователя с высокими массогабаритными и энергетическими показателями на основании предложенных рациональных схем построения инвертора, схем управления и элементной базы, а также методик расчета силового трансформатора.
-Разрабатывать высокочастотные трансформаторы ИТ с высокими энергетическими показателями при различных требованиях технического задания.
Реализация работы. На основании диссертационной работы были разработаны и исследованы:
Высокочастотный переносной СА. Аппарат обладает высокими техническими показателями и прошел успешные испытания на кафедре Технологии металлов Московского энергетического института. На Климов-ском штамповочном заводе изготовлена малая серия разработанных СА и в настоящее время идет подготовка к его серийному выпуску.
Переносное устройство проверки и контроля автоматических тепловых выключателей и токовых реле. Устройство проверки обладает высокими техническими показателями и прошло успешные испытания в Московском городском метрополитене. Была разработана партия устройств в количестве пяти штук, которые в настоящее время эксплуатируются в ряде Московских метродепо.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на восьми научно-технических конференциях, по теме диссертационной работы поданы две заявки на изобретения, которые признаны изобретениями.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 143 страницы машинописного текста, включая 67 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 62 наименований и трех приложений.
Обзор и классификация применяющихся в настоящее время сварочных аппаратов
Существенно повысить массогабаритные и энергетические показатели ИТ и выполнить их переносными, можно путем использования схемы построения ИТ на основе высокочастотного преобразователя.
Например, масса С А с выходным током 180А, построенного по высокочастотной схеме, составляет порядка 9кг, его КПД равняется 89%. Рассмотрим основные вопросы, возникающие при разработке ИТ по высокочастотной схеме. Основным этапом при построении ИТ по схеме с высокочастотным преобразователем является выбор схемы преобразователя. Для этого необходимо произвести анализ схем, позволяющих получить крутопадающую внешнюю характеристику, и выбрать наиболее целесообразную для решения поставленной задачи схему. Следующим этапом является построение схем управления ключевыми элементами преобразователя. Особое внимание необходимо уделить вопросам разработки силового трансформатора. Дело в том, что масса, габариты и мощность потерь трансформатора существенно влияют на технические показатели всего устройства в целом. Возникает задача проектирования трансформатора ИТ на максимальный КПД. Увеличение КПД трансформатора позволяет увеличить срок службы, повысить надежность, снизить массу и габариты устройства в целом. Важным этапом разработки ИТ является выбор элементной базы. Необходимо провести анализ характеристик современных полупроводни 8 ковых элементов и выбрать наиболее целесообразный для решения поставленной задачи тип полупроводникового ключа. Необходимо также проанализировать технические характеристики современных магнитных материалов магнитопровода трансформатора и дросселя ИТ. Кроме того, в рамках выбранной схемы, особенностей расчета силового трансформатора, а также на основании технических характеристик ключевых элементов и магнитных материалов необходимо определить рациональное значение частоты работы ИТ. Исследованию и разработке высокочастотных преобразователей уделено большое внимание в технической литературе. В данной области необходимо отметить труды Глебова Б.А., Лаптева Н.Н., Моина B.C., Поликарпова А.Г., Ромаша Э.М., Сергиенко Е.Ф. Однако вопросы разработки регулируемых переносных ИТ с высокими массогабаритными и энергетическими показателями в технической литературе освящены недостаточно. Отсутствует анализ схем построения ИТ с высокочастотным преобразователем, методик их расчета и проектирования. Не освещены вопросы расчета трансформатора рассматриваемых ИТ на максимальный КПД, вопросы выбора элементной базы и частоты преобразования. Для проверки исправности автоматических тепловых выключателей и токовых реле, установленных на подвижном составе метрополитена, в настоящее время используются имеющие значительные массу и габариты ИТ, работающие на промышленной частоте. Работа по созданию малогабаритного устройства проверки на основе высокочастотного преобразователя проводилась впервые. Возникает задача исследования и разработки регулируемых ИТ мощностью до 4кВт с улучшенными массогабаритными и энергетическими показателями, построенного по схеме с высокочастотным преобразователем, что и является целью настоящей диссертационной работы. Научная новизна представленной диссертационной работы заключается в следующем: На основе проведенного анализа современного состояния в области разработки и применения ИТ обоснована целесообразность построения переносных ИТ с использованием высокочастотного преобразователя. Проведен анализ схем ИТ, проанализирована современная элементная база, на основании чего предложены рациональные схемы построения ИТ, а также рациональные схемы управления силовыми транзисторами ИТ. Разработаны оригинальные схемы ИТ. Разработана методика расчета высокочастотных трансформаторов ИТ с минимальными потерями, позволяющая проектировать трансформаторы с высокими энергетическими показателями. Разработана математическая модель ИТ с применением пакета Pspice, позволяющая сократить затраты и время разработки ИТ. Практическая ценность работы состоит в том, что результаты работы позволяют: -Проектировать регулируемые ИТ, построенные на основании высокочастотного преобразователя с высокими массогабаритными и энергетическими показателями на основании предложенных рациональных схем построения инвертора, схем управления и элементной базы, а также методик расчета силового трансформатора. -Разрабатывать высокочастотные трансформаторы ИТ с высокими энергетическими показателями при различных требованиях технического задания. Реализация работы. На основании диссертационной работы были разработаны и исследованы:
Высокочастотный переносной СА. Аппарат обладает высокими техническими показателями и прошел успешные испытания на кафедре Технологии металлов Московского энергетического института. На Климов-ском штамповочном заводе изготовлена малая серия разработанных СА и в настоящее время идет подготовка к его серийному выпуску. Переносное устройство проверки и контроля автоматических тепловых выключателей и токовых реле. Устройство проверки обладает высокими техническими показателями и прошло успешные испытания в Московском городском метрополитене. Была разработана партия устройств в количестве пяти штук, которые в настоящее время эксплуатируются в ряде Московских метродепо.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на восьми научно-технических конференциях, по теме диссертационной работы поданы две заявки на изобретения, которые признаны изобретениями.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 143 страницы машинописного текста, включая 67 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 62 наименований и трех приложений.
Схемы построения источников тока с резонансной коммутацией транзисторов
Ток коллектора линейно возрастает до момента запирания транзистора VT1. После запирания транзистора VT1 напряжение коллектор-эмиттер этого транзистора начинает медленно возрастать, т.к. ток дросселя L замыкается через первичную обмотку трансформатора TV и защитный конденсатор С1. Емкостной делитель напряжения С2, СЗ поддерживает на средней точке напряжение, равное половине напряжения питания. Коллекторный ток транзистора VT1 падает, а напряжение коллектор-эмиттер возрастает до тех пор, пока не станет равным напряжению питания и не откроет диод VD2. После этого вывод энергии дросселя L осуществляется через диод VD2 и конденсатор С2 обратно в источник питания до полного прекращения тока в дросселе. Несколько раньше окончания вывода энергии, но не раньше перезаряда конденсатора С1, на базу транзистора VT2 подается отпирающее напряжение, и после окончания вывода энергии из дросселя L ток в нем и в первичной обмотке трансформатора начинает линейно возрастать, протекая по контуру: источник питания, конденсатор С2, первичная обмотка W1 трансформатора TV, транзистор VT2 до момента запирания транзистора VT2.
После этого энергия дросселя L начинает перезаряжать в обратном направлении конденсатор С1 через первичную обмотку трансформатора TV. По окончании перезаряда конденсатора О до напряжения Е/2 и возрастания напряжения коллектор-эмиттер VT2 до напряжения питания, открывается диод VD1. Окончательный вывод энергии из дросселя L осуществляется через диод VD1, трансформатор TV и конденсаторСЗ в источник питания. Открывается транзистор VT1 и все процессы в схеме повторяются.
Несмотря на то, что в данной схеме используются два транзистора, она имеет ряд преимуществ перед однотактными. Трансформатор в ней перемагничивается по полной петле гистерезиса, что существенно снижает его массу и габариты. Напряжение на транзисторах не превышает напряжение источника питания, что повышает надежность работы схемы без принятия специальных мер, а главное, емкость защитного конденсатора может выбираться в широких пределах из-за отсутствия потерь в цепях его разряда. Это позволяет резко повысить надежность преобразователя и одновременно снизить общие динамические потери.
К недостаткам схемы следует отнести прерывистый характер тока в нагрузке. Однако этот недостаток легко устраняется введением дополнительного дросселя, о чем будет сказано ниже. Развитием полумостовой схемы является мостовой преобразователь напряжения, схема которого приведена на рис. 2.7. В этой схеме транзисторы открываются попарно: VT1 и VT4, VT2 и VT3. Накопление энергии в дросселе в первом полупериоде работы схемы происходит по цепи: транзистор VT1, первичная обмотка W1 трансформатора TV, дроссель L, транзистор VT4. Вывод энергии из дросселя осуществляется соответственно через диод VD2, первичную обмотку W1 трансформатора TV и диод VD3. По сравнению с полумостовым преобразователем, мостовая схема при тех же типах транзисторов обеспечивает вдвое большую мощность, т.к. при том же токе через первичную обмотку трансформатора, напряжение на ней вдвое больше. Однако мостовая схема более сложна. Кроме того, как в мостовом, так и в полу мостовом преобразователе напряжения базовые переходы транзисторов периодически находятся под большим напряжением источника питания. Это серьезно усложняет и удорожает схему управления, которая помимо всего прочего должна содержать для отпирания верхних транзисторов либо базовые трансформаторы, либо высоковольтные транзисторы, либо подобные дорогостоящие элементы. Последний недостаток устраняется в преобразователе, собранном по дифференциальной схеме и приведенном на рис. 2.8. В этом преобразователе обмотки трансформатора и дросселя расщеплены на две части, а транзисторы имеют общий эмиттер. Эти обстоятельства приводят к тому, что габариты трансформатора и дросселя несколько возрастают. Общее сечение проводов увеличивается в V2 раз по сравнению с полумостовой или мостовой схемами, однако схема управления транзисторами существенно упрощается. Преобразователь работает следующим образом. При отпирании транзистора VT1 ток от источника питания протекает через полу обмотку W1 трансформатора TV, полуобмотку W дросселя L и открытый транзи стор VT1. При постоянном напряжении на нагрузке ток начинает возрас тать по закону, близкому к линейному. При запирании транзистора VT1 дроссель L начинает выводить энергию через последовательно соединен ные обмотки W1" трансформатора TV и W" дросселя L, а также конден сатор С. Напряжение на конденсаторе С изменяется со скоростью: dUc/dK(I-l3apip(t))/2e)dt (2.3) где, 1-ток через транзистор в момент запирания; 1зар.тр(0-ток коллектора запирающегося транзистора VT1; С-емкость защитного конденсатора. Напряжение на транзисторе VT1 возрастает со скоростью: где, Іітр-напряжение на транзисторе. Таким образом скорость возрастания коллекторного напряжения на запирающемся транзисторе обратно пропорциональна емкости защитного конденсатора С и может регулироваться в широких пределах практически без потерь энергии. Рис. 2.6. Полумостовой преобразователь напряжения По окончании перезаряда конденсатора С напряжение на нем меняет знак и равно двойному напряжению источника питания. Дальнейший вывод энергии происходит через диод VD2 и обмотку W1" трансформатора в источник питания. По окончании вывода энергии из дросселя на транзистор VT2 уже подано отпирающее напряжение от схемы управления. Начинается нарастание тока через полу обмотки W1" и W" трансформатора и дросселя, а также транзистор VT2. Далее процессы в схеме повторяются.
Минимизация потерь в трансформаторе при заданных значениях выходной мощности, перегрева и частоты
С точки зрения силовых схем идеальным ключом является прибор, обладающий следующими характеристиками [52]: Возможностью пропускания бесконечно большого тока в прямом направлении при нулевом падении напряжения на приборе; Возможностью выдерживать бесконечно большое обратное напряжение в закрытом состоянии прибора при бесконечно большом его сопротивлении; Бесконечно большой частотой переключений; Бесконечно малой мощностью, требуемой для управления прибором. Свойства реальных полупроводниковых приборов лишь до определенной степени приближаются к идеальным. Совокупность характеристик и степень их приближения к идеальным во многом зависит от конструктивных особенностей и технологии изготовления прибора. В настоящее время для построения ключевых элементов высокочастотных ИТ возможно использование следующих основных типов полупроводниковых приборов: 1. Биполярные транзисторы; 2. Полевые транзисторы; 3. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT); 4. Биполярные транзисторы со статической индукцией СИТ; Основными достоинствами биполярных транзисторов являются малое напряжение икэ в режиме насыщения, малые времена включения и выключения, возможность коммутировать достаточно большие напряжения и токи, а также невысокая стоимость. Биполярные транзисторы могут работать в ключевом режиме на частотах десятки кГц. Основным недостатком биполярных транзисторов, обусловленным внутренней структурой прибора, является необходимость применения источника тока в цепи база-эммитер, что усложняет схему управления и приводит к росту мощности потерь на управление транзистором [5]. Развитие биполярных транзисторов продолжается и в настоящее время. Использование биполярных транзисторов позволяет снизить стоимость устройства, обеспечить низкое падение напряжения на ключе, низкую рассеиваемую мощность, эффективное ограничение тока. Однако основным достоинством биполярных транзисторов является их более низкая по сравнению с другими транзисторами стоимость. Полевые транзисторы являются в настоящее время наиболее совершенными полупроводниковыми приборами [52, 53]. Они имеют исключительно широкий диапазон рабочих токов и напряжений при сохранении малых значений сопротивления прибора в проводящем состоянии R js. К основным достоинствам полевых транзисторов можно отнести: 1. Приближающееся к бесконечности статическое входное сопротивление цепи управления, что обеспечивает системе управления следующие ка чества: Возможность управления прибором от источника напряжения; Малые мощности систем управления; Малое количество элементов в устройствах управления. 2. Очень малые времена переключения приборов. 3. Положительный температурный коэффициент сопротивления прибора в проводящем состоянии RdS, чем обеспечивается: Широкая область безопасной работы прибора при прямом смещении; Возможность параллельного включения транзисторов. 4. Высокая устойчивость приборов к du/dt. Поскольку цепь управляющего электрода электрически изолирована от истока, входное сопротивление этой цепи превышает 40м0м. Прибор полностью включается при напряжениях на управляющем электроде свыше 10В. Это существенно упрощает цепи управления и во многих случаях прибор может управляться непосредственно от интегральных схем, выполненных на основе КМОП и ТТЛ (для Logik-level полевых транзисторов) технологий. Поскольку управляющий электрод изолирован от истока, требования к системе управления практически не зависят от тока нагрузки, что существенно упрощает схемные решения. Полевые транзисторы способны работать на частотах до сотен кГц. Падение напряжения на полевых транзисторах пропорционально току и сопротивлению прибора в проводящем состоянии Rjs. Основным недостатком полевых транзисторов является высокие значения потерь мощности в проводящем состоянии при больших выходных токах и значительных напряжениях сток-исток. Данное обстоятельство объясняется тем, что для полевых транзисторов характерна зависимость Rds от напряжения сток-исток. Если для приборов, рассчитанных на низкие значения напряжения сток-исток (менее 100В), значения R составляют тысячные доли Ом, что приближает такие приборы к идеальным ключам, то с повышением напряжения значение RdS увеличивается. В последнее время в устройствах электропитания широкое распространение получили комбинированные полупроводниковые приборы, представляющие собой сочетание биполярных и полевых транзисторов, выполненных на одном кристалле. Наиболее широкое распространение получили биполярные транзисторы с изолированным-IGBT, а также транзисторы со статической индук-цией-СИТ. Технология изготовления биполярных транзисторов с изолированным затвором позволила совместить положительные качества биполярных и полевых транзисторов в одном приборе [52, 53]. Поскольку технология изготовления IGBT и внутренняя структура IGBT напрямую позаимствованы из опыта изготовления МОП-транзисторов, входное сопротивление и скорости переключения этих приборов близки по величине. Прямое падение напряжения и плотности токов IGBT сравнимы с аналогичными величинами у биполярных транзисторов.
Широкое применение МОП-транзисторов обуславливается также простотой построения управляющих схем. Это достоинство в равной степени присуще и IGBT и переход от МОП к IGBT не требует изменений в цепях управления. Оба прибора находятся в проводящем состоянии при поддержании напряжения на управляющем электроде выше некоторого порога.
Несмотря на то, что скорости переключения IGBT достаточно высоки, они включаются все же медленней, чем МОП-транзисторы. IGBT имеют затяжку тока при выключении, что ограничивает частоты переключения с ШИМ и в других ключевых схемах пределом около 50кГц. В схемах, обеспечивающих включение транзисторов при нулевых токах или в резонансных инверторах, IGBT могут работать при частотах переключения в сотни кГц.
Выбор материала магнитопровода трансформатора источников тока
В настоящее время лидирующие позиции на рынке схемотехнических пакетов моделирования электронных устройств занимает продукция корпорации MicroSim, последняя версия профамм которой носит название DesignLab 8.0. Для моделирования электронных схем в данном пакете применяется профамма Pspice. В отличии от большинства схемотехнических пакетов моделирования DesignLab 8.0 является системой сквозного проектирования электронных устройств, т.е. обеспечивает возможность проектирования электронного устройства, начиная с фафического ввода электронной схемы и ее моделирования до проектирования печатной платы [60].
Другим известным производителем профамм моделирования электронных устройств является фирма Spectrum Software, профаммные продукты которой носят название Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) [61].
В процессе работы с профаммой вначале создается принципиальная схема электронного устройства, в которую включаются электронные элементы, их соединения, условные обозначения и параметры или типы. При этом допускается редактирование графических символов элементов и их условных обозначений. Так например, возможно представление всех компонентов по ЕСКД.
После этого выполняется моделирование, которое включает один из типов анализов созданной схемы: расчет переходных характеристик (Transient Analysis). расчет режимов по постоянному току (DC-Analysis); расчет частотных характеристик или анализ по переменному току (AC-Analysis). При создании принципиальной схемы электронного устройства используются модели компонентов, имеющиеся в библиотеке программы. Все компоненты, используемые при создании принципиальной электрической схемы, могут иметь математические модели двух типов: модели стандартных элементов, например, резисторов, конденсаторов, транзисторов и др., которые не могут быть изменены пользователем программы, но у которых можно изменять значения отдельных параметров; макромодели, составляемые пользователями по своему усмотрению из стандартных элементов. Модели стандартных элементов бывают простыми и сложными. Простые модели характеризуются малым количеством параметров, которые можно указывать на принципиальной схеме. Сложные модели характеризуются большим количеством параметров, которые имеются в библиотеке, но на схеме обычно не приводятся. К числу простых моделей относятся, например, модели резисторов или конденсаторов. К числу сложных моделей относятся модели транзисторов, которые характеризуются большим числом параметров; например биполярный транзистор описывается моделью, содержащей несколько десятков параметров. Кроме этого, модели элементов делятся на различные группы по свойствам самих элементов: модели пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, трансформаторов, линий передачи диодов и др.); модели полупроводниковых приборов (биполярных транзисторов и полевых транзисторов, биполярных транзисторов с изолированным затвором, диодов и др.); идеальные ключи; независимые источники сигналов; зависимы источники сигналов; аналоговые функциональные блоки; макромодели. Библиотеки моделей электронных элементов непрерывно расширяется и совершенствуется. Крупнейшие отечественные и зарубежные фирмы уделяют большое внимание разработке моделей новых элементов электроники: мощных полевых транзисторов, биполярных и IGBT транзисторов и др. Необходимо отметить, что данные программы являются коммерческими продуктами и стоимость их достаточно высока. Однако, существуют учебные варианты указанных программных пакетов, которые можно получить через Российские представительства фирм или через интернет, обратившись на сайт компании. В настоящей работе для моделирования ИТ было использовано учебное программное обеспечение корпорации MicroSim, DesignLab 8.0 Evalution. отличием которой от полной версии программы является ограничение на максимальное количество элементов схемы. Была поставлена задача создания Pspice модели высокочастотного ИТ, построенного на основе однотактной схемы с передачей энергии в импульсе, предназначенного для проверки автоматических тепловых выклю- чателей и токовых реле метрополитена. Схема данного ИТ была разработана во второй главе настоящей работы. Основными элементами данного ИТ являются: Силовой транзистор и схема управления. При моделировании ИТ были использованы Spice модели силовых IGBT и полевых транзисторов, разработанные фирмами производителями полупроводниковых приборов. В качестве схемы управления силовыми транзисторами была использована включенная в пакет схемотехнического моделирования импульсная функция, задаваемая списком параметров PULSE (yi, у г, td, tr, tf, т, Т), приведенных в таблице 5.1.
