Исследование коммутационных характеристик силового вентиля

Лабораторная работа №1

Исследование коммутационных характеристик силового вентиля

Цель работы: Преобразователи силовой электроники выполняются на силовых полупроводниковых вентилях: неуправляемых (диодах) и управляемых (тиристоры, транзисторы). Целью данной лабораторной работы является исследование потерь, возникающих в силовом управляемом вентиле при работе силового вентильного преобразователя.

Ход работы:

Потери в силовом вентиле можно разделить на два вида: потери на проводимость (Conduction Losses) и потери на переключение (Switching losses). Рассмотрим простую схему силового преобразователя, с помощью которой можно оценить потери в силовом вентиле (рис. 1.1.). Силовой MOSFET-транзистор VT управляется от источника напряжения V_GG с повторяющейся импульсной последовательностью на выходе (рис. 1.2, а).  В качестве нагрузки преобразователя выступает источник постоянного тока I₀.       

Рис. 1.1. Схема силового преобразователя

Рис. 1.2. Осциллограммы управляющего сигнала V_GG  (а) и тока через транзистор I_D – (б)

В установившемся режиме транзистор проводит ток на интервале времени T_on (рис. 1.2, б). Период повторяющейся последовательности обозначим как T_s. Тогда средняя мощность потерь на проводимость за период T_s может быть вычислена по формуле:

,                                   (1.1)

где  - коэффициент заполнения, R_DS(on) – сопротивление сток-исток в открытом состоянии, I₀ – ток через транзистор.

Потери на переключение зависят от траектории переключения силового вентиля. Для рассматриваемой схемы характерны переходные процессы, представленные на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Переходные процессы при переключении вентиля

На рисунке 1.3 обозначено:

t_ri – время нарастания тока через транзистор при включении;

t_fv – время спада напряжения сток-исток V_DC при включении транзистора;

t_c(on) – время включения транзистора;

t_rv – время нарастания напряжения сток-исток V_DC при выключении транзистора;

t_fi – время спада тока через транзистор при выключении;

t_c(off) – время выключения транзистора.

Для получения графика мгновенной мощности p_sw, выделяющейся при переключениях вентиля, перемножим графически кривые тока I_D и напряжения V_DC.

Тогда средняя мощность потерь на переключение может быть найдена по формуле:

,                                    (1.2)

где , ,  - частота переключения вентиля.

Для исследования переходных процессов в силовом вентиле необходимо собрать схему преобразователя в Electronics Workbench 5.12 (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схема моделирования в EWB

Блок умножения Multiplier 1 реализует вычисление мгновенной мощности потерь на проводимость. В качестве коэффициента усиления данного блока (Output Gain) необходимо задать сопротивление сток-истока транзистора в открытом состоянии R_DS(on) (рис. 1.5). Типичное значение для R_DS(on)  составляет 0.1 – 0.3 Ом.

Рис. 1.5. Окно задания свойств блока Multiplier

По результатам моделирования (рис. 1.6) необходимо вычислить:

1.  Временные параметры процесса коммутации - t_ri, t_fv, t_c(on), t_rv, t_fi, t_c(off).

2.  Среднюю мощность потерь на проводимость P_cond.

3.  Среднюю мощность потерь на переключение P_sw.

4.  Построить графическую зависимость P_sw от частоты переключения вентиля f_s.

Рис. 1.6. Графики мгновенных мощностей потерь на проводимость (синий цвет) и на переключение (красный цвет)

Контрольные вопросы:

1.  типы силовых транзисторов.

2.  Каковы преимущества IGBT-транзисторов перед MOSFET-транзисторами?

3.  Какими параметрами характеризуются динамические свойства вентилей с полным управлением?

4.  Чем отличаются полностью управляемые вентили от неполностью управляемых?

5.  Для чего применяются снабберы?