исследование цепей управления силовыми транзисторами

РАБОТА 5.
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КЛЮЧАМИ
Общие сведения
Общая структурная схема электроэнергетического объекта с системой
управления, контроля и диагностики представлена на рисунке. Она содержит
несколько различных ступеней преобразования энергии и систему управления,
выполненную либо на жесткой логике либо с применением микропроцессорных
средств.
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ
1 ступень
преобразования
F(t)
2 ступень
преобразования
n ступень
преобразования
Дат.
W(t)
Дат.
Исп.
Уст-во
Дат.
Исп.
Уст-во
Исп.
Уст-во
Дат.
М1
Дат.
М2
К3
К2
Кn
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОМ
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
Дат.
К1
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ
СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ
УСТРОЙСТВО
ИНДИКАЦИИ
СОСТОЯНИЯ
ВСЕЙ
СИСТЕМЫ
В общем виде систему управления объектом можно представить как
устройство, имеющее некоторое число входов и выходов. Сигналы на выходах
устройства являются некоторыми функциями входных сигналов. Эти функции
определяют алгоритм работы системы управления.
Сигналы от датчиков могут иметь различный характер и определяются
устройством датчиков. Характер сигналов, подаваемых на исполнительные
устройства, также может быть различным и определяется схемотехникой
исполнительных устройств.
В общем случае между датчиками и входами системы управления, а также
между выходами системы управления и исполнительными устройствами
должны быть включены усилительно преобразовательные устройства.
I1
Напряжения
от
датчиков
I2
Q1
СИСТЕМА
Напряжения к
исполнительным
устройствам
Q2
УПРАВЛЕНИЯ
In
Усилителипреобразователи
Qn
Усилителипреобразователи
Независимо от типов исполнительных устройств, усилительнопреобразовательные устройства представляют собой, как правило,
полупроводниковые ключи, выполняющие роль либо регуляторов либо
преобразователей напряжения или тока.
При проектировании преобразовательных устройств, таких, как
управляемые выпрямители, импульсные регуляторы, инверторы, модуляторы, в
качестве управляемых ключей используются мощные полупроводниковые
элементы: тиристоры, биполярные транзисторы, полевые транзисторы с
изолированным затвором, биполярные транзисторы с изолированным затвором
(БТИЗ или IGBT).
Рассмотрим особенности работы и построение схем для управления
биполярными и полевыми транзисторами. Управление БТИЗ аналогично
управлению полевыми транзисторами, так как входным элементом БТИЗ
является полевой транзистор с изолированным затвором.
Для включения биполярного транзистора рис.1 необходимо обеспечить
протекание базового тока Iб=Кнас.*Iк/ через переход база-эмиттер (диод в
прямом направлении)
от источника
Uп.упр
Iк
управляющего напряжения Uу в течение
Rб
всего времени открытого состояния
Управляющая
транзистора. Где Iк - требуемый ток
схема
Iб
коллектора (ток нагрузки);  - статический
Uу
Uбэ
коэффициент усиления по току данного
транзистора;
Кнас.=1,5-2 коэффициент
насыщения
транзистора.
Требуемая
Рис.1 Управление биполярным
величина
базового
тока
задается
транзистором
резистором
Rб=(Uу-Uбэ)/Iб,
где
Uбэ=0,7-1,5В - падение напряжения на переходе база-эмиттер в режиме
насыщения.
Для запирания биполярного транзистора необходимо как можно быстрее
сделать ток базы равным нулю, т.е. снять напряжение управления, а в ряде
случаев обеспечить прикладывание обратного напряжения к переходу базаэмиттер, что требует наличия двухполярного источника напряжения.
Для
включения
полевого
Iс
Uп.упр
транзистора или БТИЗ рис.2 необходимо
Rз
обеспечить зарядку затворной емкости
Управляющая
транзистора за короткое время до
схема
Iз
Uз
заданного уровня напряжения Uз=8-15
Uу
В
от
источника
управляющего
напряжения Uу. При этом от источника
управляющего
напряжения Рис.2 Управление полевым
потребляется
импульсный
ток,
транзистором
максимальное значение которого Iз.max
, в зависимости от типа применяемого транзистора должно быть в пределах
200мА – 10А и определяется внутренним сопротивлением источника
управляющего напряжения и резистором Rз .
Для запирания полевого транзистора необходимо быстро разрядить
затворную емкость через внутреннее сопротивление источника управляющего
напряжения и резистор Rз . При этом через источник
вновь протекает
импульсный ток, но обратного направления.
Таким образом, управление биполярными транзисторами требует
значительно большей мощности, чем управление полевыми транзисторами или
БТИЗ, что и определяет широкое использование последних при разработке
различных преобразовательных устройств средней и большой мощности от
десятков Вт до сотен кВт.
Другая проблема, возникающая при разработке электронных устройств, –
отсутствие в большинстве случаев общей точки для всех транзисторов
относительно которой ведется их управление рис.3. Это требует организации
дополнительных источников питания и специальных цепей управления.
Для устройств относительно небольшой мощности (десятки-сотни Вт) при
напряжении питания Uп до 600В рядом фирм разработаны специальные
интегральные устройства управления (драйверы) для работы с полевыми
транзисторами и БТИЗ.
Упрощенная структурная схема такого драйвера представлена на рис.3.
Управление верхним транзистором VT1 ведется от верхней управляющей
схемы сигналы на которую со входа управления драйвером подаются с помощью
+Uп.упр
UUп.уп
р
VD
С
Uп.упр.верх.
_
VTвв
+ Uп
+
Верхний
транзистор
VT1
Верхняя
управляющая
схема
Вход
управления
Нижняя
управляющая
схема
Нижний
транзистор
VT2
Рис.3 Упрощенная структурная схема драйвера с высоковольтными ключами.
внутренних микроэлектронных, но высоковольтных ключей VTвв. Напряжение
питания верхней управляющей схемы
Uп.упр.верх, которая формирует
напряжение на затворе верхнего транзистора, поступает со специального
внешнего конденсатора С (бустерного конденсатора). Зарядка конденсатора С до
значения напряжения
Uп.упр.верх.= Uп.упр осуществляется от источника
питания драйвера и всей схемы управления Uп.упр. через высоковольтный
внешний диод VD на интервале открытого состояния нижнего силового
транзистора VT2. Значение емкости конденсатора С зависит таким образом от
максимальной величины тока затвора верхнего силового транзистора и частоты
переключения нижнего силового транзистора.
Кроме этого драйверы, как правило, содержат компараторы, следящие за
величиной напряжений Uп.упр. и Uп.упр.верх., которые выключают оба
транзистора не зависимо от сигналов управления драйвером при снижении
значении этих напряжений ниже заданных (обычно 10 В).
Такие драйверы могут выпускаются для управления только верхним или
только нижним транзистором, для управления трехфазными преобразователями.
Они могут содержать дополнительные входы для создания различной логики
управления ключами, внутренний таймер для организации с помощью внешней
RC цепи мультивибратора с заданной частотой переключения, при специальной
организации силовой цепи формировать сигнал превышения током силового
транзистора заданного максимального значения.
В преобразовательных устройствах большой мощности (десятки кВт) при
напряжении питания силовых цепей до 2000 В используются специальные,
достаточно сложные, драйверы для управления БТИЗ с трансформаторной
развязкой цепей питания и управления.
Упрощенная структурная схема такого драйвера показана на рис.4
Цепи управления верхним и нижним силовыми транзисторами в этих
драйверах не имеют электрических связей между собой и со входной частью
схемы драйвера. Питание верхней и нижней управляющих схем осуществляется
+Uп.упр
+ Uп
Т2
АВАРИЯ
Uк.верх
.
Вход
управления
верхним
Т1
Входная
управляющая
схема
Верхняя
управляющая
схема
Верхний
транзистор
VT1
1
ВИП
Вход
управления
нижним
Uк.нижн.
Нижняя
управляющая
схема
Нижний
транзистор
VT2
Т3
Рис.4 Упрощенная структурная схема трансформаторного драйвера
от встроенного в драйвер высокочастотного вторичного источника питания
(ВИП) с трансформаторным выходом Т1. Сигналы управления верхним и
нижним транзисторами от входной управляющей схемы драйвера передаются с
помощью импульсных трансформаторов Т2, Т3.
Помимо описанных выше функций, драйверы осуществляют контроль
величины напряжения насыщения транзисторов в открытом состоянии, которое
характеризует величину силового тока транзисторов, и выключают транзисторы
независимо от сигналов управления при превышении им заданного
максимального значения. Одновременно, драйверы вырабатывают сигнал
«Авария», характеризующий выключенное состояние обоих транзисторов.
Драйверы имеют внутренние настройки величины максимального
значения тока затворов силовых транзисторов, задержки включения
транзисторов, уровней входного управляющего напряжения (ТТЛ или МОП).
Некоторые типы драйверов формируют отрицательное запирающее напряжение
на затворах силовых транзисторов. Аналогичную структуру и функции имеют
драйверы для управления одиночными транзисторами.
При разности потенциалов между силовыми транзисторами и общей
системой управления устройством более 2000 В, а также в случае значительных
электромагнитных возмущений управляющие входы драйверов отделяют от
общей системы управления с помощью оптоволоконных кабелей рис.5.
+Uп.
су
Общая
система
управления
Оптопередатчик
Оптоволокно
+Uп.д
р
Оптоприемник
ДРАЙВЕР
Рис.5 Структурная схема оптоволоконной линии связи
Влоконно-оптические линии связи (ВОЛС)
надежную передачу сигналов управления практически
условиях значительных электромагнитных помех
потенциалов
между
отдельными
блоками
преобразовательных устройств.
позволяют обеспечить
на любые расстояния в
и высокой разности
электроэнергетических
Задание
1. Ознакомиться с лабораторным стендом, электрическими схемами испытаний и
измерительными приборами.
2. Определить мощность, затрачиваемую на управление биполярным и полевым
транзистором.
3. Исследовать работу драйвера с высоковольтными ключами для управления
двумя последовательно включенными полевыми транзисторами.
4. Исследовать работу трансформаторного драйвера для управления мощным
БТИЗ модулем.
5. Исследовать работу системы волоконно-оптической развязки сигналов
управления драйвером.
Указания к выполнению работы.
Лабораторная установка для исследования цепей управления силовыми
транзисторами
содержит
испытательный
стенд,
осциллограф
и
стабилизированный источник для питания стенда постоянным напряжением
15В. На панели испытательного стенда находятся исследуемые элементы и
схемы. Необходимые электрические соединения осуществляются с помощью
гибких соединительных проводников. Включение стенда осуществляется
тумблером «НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ».
Вид передней панели лабораторного стенда показана на рисунке.
1. Подключить базовую цепь
биполярного
транзистора
к
управляющей схеме. С помощью
осциллографа снять и зарисовать в
масштабе
осциллограммы:
управляющего напряжения Uу, тока
базы Iб и падения напряжения на
переходе база-эмиттер Uбэ.
2. Подключить цепь затвора
полевого
транзистора
к
управляющей схеме. С помощью
осциллографа снять и зарисовать в
масштабе
осциллограммы:
управляющего напряжения Uу, тока
затвора Iз и напряжения на затворе
Uз.
Используя
полученные
осциллограммы,
определить
мощность,
затрачиваемую
на
управление биполярным и полевым
транзисторами.
Мощность управления биполярным транзистором определяется как:
Руб=Iб*Uу*tб/Т,
где tб-время протекания тока базы, Т- период следования
импульсов управления.
Мощность
управления
полевым
транзистором
приблизительно
определяется как: Руп=Iз.max*tз*Uу/2Т, где tз- время протекания тока зарядки
затворной емкости.
Проанализировать и сравнить полученные результаты.
3. Подключить вход управления драйвера с высоковольтными ключами к
управляющей схеме. С помощью осциллографа снять и зарисовать
осциллограммы напряжений управления затворами верхнего и нижнего
транзисторов Uз.в, Uз.н. Наблюдая осциллограмму напряжения на затворе
верхнего транзистора, отключить параллельный бустерный конденсатор С2.
Проанализировать и объяснить полученные результаты.
Замерить с помощью осциллографа и зарисовать форму напряжения
Uп.упр.верх. при параллельном соединении конденсаторов С1, С2 и с
отключенным конденсатором С2.
4. Подключить вход управления трансформаторного драйвера
к
управляющей схеме. С помощью осциллографа снять и зарисовать
осциллограммы напряжений Uз.в, Uз.н. на затворах верхнего и нижнего
транзисторов БТИЗ модуля. Наблюдая осциллограммы напряжений на затворах
верхнего и нижнего транзисторов сымитировать увеличение тока транзисторов,
нажав кнопку «КЗ». Вернуть драйвер в исходное состояние, нажав кнопку
«СБРОС». Проанализировать и объяснить полученные результаты.
5.
Соединить
оптоволоконным
кабелем
оптопередатчик
с
оптоприемником. С помощью осциллографа снять и зарисовать осциллограмму
напряжения на выходе оптоприемника Uоп.
Подключить
выход
оптоприемника
ко
входу
управления
трансформаторным драйвером. С помощью осциллографа снять и зарисовать
осциллограммы напряжений на затворах верхнего и нижнего транзисторов БТИЗ
модуля. Проанализировать и объяснить полученные результаты.