Prace Naukowe Instytutu Maszyn i Napędów Elektrycznych Nr 44 Politechniki Wrocławskiej Nr 44

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn i Napędów Elektrycznych Nr 44 Politechniki Wrocławskiej Nr 44 Studia i Materiały Nr Zdzisław ZAŁOGA* elektrotechnika, energoelektronika, przekształtniki statyczne WYBRANE ZAGADNIENIA SIECI ODCIĄŻAJĄCYCH I TŁUMIKÓW PRZEPIĘĆ W PRZEKSZTAŁTNIKACH TRANZYSTOROWYCH Omówiono funkcjonowanie indukcyjności i pojemności dodatkowej w bezstratnych sieciach odciążających kluczy tranzystorowych. Pokazano nowe układy bezstratnych sieci odciążających i tłumików przepięć. Zaprezentowano rozwiązania techniczne i wybrane wyniki badań. 1. WSTĘP Problem redukcji strat w czasie komutacji łączników tranzystorowych, zwłaszcza pracujących z podwyższoną częstotliwością, rzędu kilku kiloherców lub wyżej, pozostaje ciągle aktualny [1]. Dostępność na rynku tranzystorów i diod szybkich o dobrych parametrach stwarza nowe możliwości budowy łączników, wymaga jednak odpowiednich układów współpracujących z łącznikami. W artykule przedstawiono przegląd charakterystycznych rozwiązań sieci odciążających i tłumików przepięć stosowanych w przekształtnikach tranzystorowych. Charakter tych rozwiązań wynika z pewnych niedoskonałości tranzystorów i diod mocy, które kompensuje się rozwiązaniami układowymi. Stosowane dodatkowe obwody polepszają proces przełączania zaworu, redukują straty, zmniejszają przepięcia, ograniczają wartości maksymalne prądu. Zależnie od stosowanej techniki, tyrystorowej, czy tranzystorowej, określone obwody są mniej lub bardziej rozwinięte. Szczególnej troski wymagają łączniki tranzystorowe ze względu na mały współczynnik przeciążalności prądowej oraz zwykle będący do dyspozycji niewielki zapas wartości bezpiecznej napięcia. *Instytut Maszyn i Napędów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, Wrocław

2 INDUKCYJNOŚĆ DODATKOWA W przypadku indukcyjnego obciążenia stosuje się diodę zerową podtrzymującą przepływ prądu w czasie nieprzewodzenia klucza. Dioda jest integralną częścią obwodu. Wyłączenie jej z obwodu w tym sensie zmieniłoby zasadę pracy układu, a poza tym spowodowałoby powstanie na łączniku przepięć o dowolnie dużej amplitudzie. Komutacja prądu obciążenia z obwodu tranzystora do diody odbywa się bezproblemowo. Dioda przejmuje prąd obciążenia praktycznie natychmiast. Komutacja w przeciwną stronę, tj. z obwodu diody do tranzystora stwarza problemy. Załączenie klucza, stwarzające warunki do komutacji, powoduje zmniejszenie prądu diody do zera, a następnie przepływ prądu wstecznego diody. Przez cały ten czas spadek napięcia na diodzie jest niewielki i wynosi poniżej 1 V. Powoduje to gwałtowny wzrost prądu w obwodzie łącznika tranzystorowego. Wzrost tego prądu powinien być kontrolowany. W tym celu umieszcza się w obwodzie dodatkową indukcyjność w postaci dławika liniowego o niewielkiej indukcyjności lub dławika nasyceniowego o prostokątnej pętli. Ta dodatkowa indukcyjność L c w obwodzie łącznika z założenia nie jest objęta diodą zwrotną odbiornika. Jej lokalizację w dwóch podstawowych strukturach układu impulsowego pokazano na rysunku 1. Rys. 1. Umiejscowienie indukcyjności dodatkowej w podstawowych strukturach układu impulsowego Fig. 1. Position of additional inductance in general structures of pulse systems Indukcyjność L C w obwodzie łącznika funkcjonuje podobnie jak indukcyjność obciążenia, z tym że nie jest objęta diodą zwrotną. Po załączeniu klucza indukcyjność dodatkowa powoduje ograniczenie szybkości narostu prądu w obwodzie zwarcia, a tym samym ogranicza jego wartość maksymalną. Wartość tej indukcyjności projektuje się tak,

3 167 by wartość maksymalna prądu łącznika podczas załączania mieściła się w zakresie wartości bezpiecznych dla łącznika. Działanie indukcyjności w obwodzie ilustruje rysunek 2. Linią przerywaną oznaczono przebieg prądu w przypadku obwodu z indukcyjnością, natomiast linią ciągłą bez indukcyjności. Indukcyjność ta działa jednak w obwodzie podobnie jak indukcyjność obciążenia, powoduje przepięcia w czasie wyłączania klucza. Zapobiega się temu za pomocą dodatkowej diody zwrotnej obejmującej tę indukcyjność. Rys. 2. Przebiegi prądu w obwodzie z dodatkową indukcyjnością Fig. 2. Current waveforms in circuit with additional inductance Zwykle w szereg z diodą włączony jest rezystor służący do wytłumienia ewentualnych oscylacji w obwodzie i rozpraszający część energii przepięcia. Dodatkowa dioda zwrotna w czasie ponownego załączania klucza może utworzyć z diodą zwrotną odbiornika D 0 obwód zwarciowy, na wzór wcześniej rozpatrywanego. Jednakże ze względu na stosunkowo małą wartość indukcyjności L C prąd tej diody zwrotnej maleje stosunkowo szybko i dioda odzyskuje zdolności zaworowe przed następnym załączeniem klucza. Dzieje się tak, gdy minimalny czas wyłączenia klucza jest wystarczająco długi. Jeżeli jednak rozpatrywać działanie układu w pełnym zakresie zmian współczynnika wypełnienia δ = 0 1, to zjawisko powstawania obwodu zwarciowego zachodzi dla δ 1. Efekt zwarcia jest jednak słabszy i szybko maleje w miarę odchodzenia współczynnika od wartości równej jedności. W celu zminimalizowania zjawiska tworzenia się obwodu zwarciowego stosuje się w miejsce diod zwrotnych diody szybkie. Diody te charakteryzują się stosunkowo krótkimi czasami odzyskiwania zdolności zaworowych. Można wtedy zmniejszać wartości indukcyjności dodatkowych. Pojawienie się napięcia wstecznego na diodzie przewodzącej duży prąd rozpoczyna proces odzyskiwania własności zaworowych. Prąd zmienia kierunek i płynie aż do wyczerpania ładunku Q. Wartości ładunku i prądu wstecznego I RM są tym większe, im większy był prąd przewodzenia. Decydują one o czasie zwarcia obwodu. Charakter prądu wstecznego podczas odzyskiwania zdolności zaworowych przez diodę może być różny. Skrajne przypadki pokazano na rysunku 3.

4 168 W przypadku tzw. ostrej charakterystyki odzyskiwania zdolności zaworowych przez diodę wyłączaniu towarzyszą silne oscylacje napięcia. W przypadku łagodnego przebiegu prądu przebieg napięcia jest również łagodny. Charakter przebiegu procesu odzyskiwania zdolności zaworowych przez diodę zależy od jej budowy wewnętrznej. Niektóre szczegóły dotyczące zastosowań diod szybkich znaleźć można w pracy [2]. Ogólnie można stwierdzić, że omawiana indukcyjność dodatkowa pozwala na redukcję strat podczas załączania klucza oraz chroni go przed przekroczeniem dopuszczalnej wartości prądu. Rys. 3. Przebiegi napięcia i prądu podczas wyłączania prądu przez diodę Fig. 3. Voltage and current waveforms during current diode switch off Konieczność stosowania obwodu ograniczania prądu zwarcia w postaci indukcyjności L C wykorzystuje się w budowie omawianych dalej obwodach sieci odciążających i tłumików przepięć. 3. POJEMNOŚĆ DODATKOWA Powszechnie znanym układem tłumika przepięć jest układ RC, połączony szeregowo i włączony równolegle do klucza. Określany mianem tłumika przepięć pełni w istocie także, a może przede wszystkim funkcję odciążającą w czasie wyłączania klucza,. W przypadku łącznika tyrystorowego funkcja odciążająca nie ma większego znaczenia, natomiast w przypadku tranzystorowego liczy się istotnie. Zmodyfikowaną wersję tłumika RC stanowi znany układ RCD. Ładowanie kondensatora odbywa się przez diodę, a jego rozładowanie przez rezystor. Rezystor ogranicza prąd rozładowania kondensatora i klucza.

5 169 Ta rozbudowana wersja układu nazywana dalej układem lub siecią odciążającą zawiera w swej strukturze elementy stale obecne w wielu bardziej złożonych wersjach sieci odciążających. Te stałe elementy to dioda i kondensator. Kondensator,,podłączony jest równolegle do łącznika za pomocą diody w czasie odbudowywania się napięcia na łączniku. Podczas załączania się klucza (opadanie napięcia na łączniku) dioda separuje obwód kondensatora. Kondensator powinien zostać rozładowany w innym obwodzie, w którym będzie kontrolowany prąd. Najprostszym takim obwodem jest właśnie wymieniony rezystor w układzie RCD. Obwód wyjściowy do dalszych rozważań stanowi układ DC (nie zaś jak można było przypuszczać RC). Omawiane dalej układy sieci odciążających zawierać będą tradycyjny obwód ładowania kondensatora i różne konfiguracje obwodów rozładowania, zależnie od struktury obwodu głównego, częstotliwości pracy, zakresu zmian współczynnika wypełnienia impulsu itp. Rys. 4. Obwody rozładowania kondensatora w bezstratnych sieciach odciążających Fig. 4. Discharge circuits of capacitor of lossless lightening networks Tendencją w budowie nowych układów jest dążenie do ich uproszczenia, większej skuteczności i sprawności. Szczegóły dotyczące konwencjonalnych sieci odciążających znaleźć można w literaturze [3 6]. Przedstawiony dalej materiał zawiera niektóre wyniki podjętej próby zbudowania nowych układów sieci odciążających, bezstratnych dla klucza tranzystorowego.

6 Bezstratne obwody sieci odciążających klucz przy wyłączaniu Straty mocy podczas przełączania maleją jeżeli punkt przecięcia przebiegów prądu i napięcia leży stosunkowo nisko. Takie obniżenie punktu w czasie wyłączenia klucza uzyskuje się przez włączenie równoległe pojemności o wartości początkowej napięcia równej zeru. Przygotowanie pojemności do kolejnego cyklu polega na jej rozładowaniu w możliwie najkrótszym czasie, w sposób bezstratny. Obwody rozładowania kondensatora będą przedmiotem dalszych rozważań [7]. Na rysunku 4 pokazano najprostsze sposoby zastąpienia rezystancji R indukcyjnością L. W wyniku zamiany wykładniczy przebieg prądu rozładowania kondensatora zmienia się zgodnie z oczekiwaniami na oscylacyjny, gasnący w czasie kilku przeładowań. Oscylacje te można wytłumić, włączając w szereg z pojemnością rezystor o wartości zapewniającej tłumienie krytyczne. W praktyce wartość tej rezystancji jest znacznie mniejsza od wartości rezystancji w klasycznym układzie. Włączenie diody w szereg z indukcyjnością ogranicza przebieg prądu do pierwszej połówki sinusoidy. Na rysunku 5 pokazano inny sposób rozładowania kondensatora w postaci transformatora impulsowego. Rys. 5. Schemat ideowy czopera z siecią odciążającą zawierającą transformator impulsowy Fig. 5. Idea diagram of chopper with lightening network containing coupled inductance Obwód wtórny transformatora włączony jest poprzez diodę separującą na zaciski kondensatora buforowego. Energia rozładowania kondensatora obwodu odciążającego oddawana jest za pośrednictwem transformatora wprost do kondensatora buforowego. Wymagana jest przekładnia transformatora większa od jedności. Na rysunku 6 zilustrowano wykorzystanie indukcyjności dodatkowej do budowy sieci odciążającej [8]. Dioda rozładowująca D 2 obejmuje indukcyjność L C. Po załączeniu kondensator rozładowuje się w obwodzie C 1 D 2 L L C T C 1. Proces rozładowywania jest stosunkowo efektywny. Malejący prąd zwarcia w obwodzie głównym C f L C T D 0 C f powoduje, że siła elektromotoryczna L C di/dt wymusza rozładowanie kondensatora w stosunkowo krótkim

7 171 czasie. Takie efektywne rozładowywanie ma kapitalne znaczenie dla prawidłowej pracy sieci w przypadku δ 0, a więc dla szerokiego zakresu zmian tego współczynnika. Przebiegi napięcia i prądu wykonanego modelu fizycznego pokazano na rysunku 7. Rys. 6. Schemat ideowy czopera z siecią odciążającą wykorzystującą indukcyjność L C Fig. 6. Idea diagram of chopper with lightening network including L C inductance Rys. 7. Przebiegi napięcia i prądu kolektora czopera z siecią odciążającą Fig. 7. Voltage and current waveforms of chopper with lightening network Warunkiem efektywnego działania obwodu rozładowania kondensatora jest takie zaprojektowanie obwodu C f L C T D 0 C f ograniczania prądu zwarcia, żeby istniała wyraźna składowa prądu zwarcia w przebiegu prądu kolektora (rys.6). W przeciwnym razie proces rozładowywania będzie miał charakter rezonansowy i ze względu na znaczną wartość L C będzie przebiegał stosunkowo długo.

8 Bezstratny obwód tłumika przepięć Na rysunku 8 przedstawiono układ czopera z bezstratnym tłumikiem przepięć. Tłumik składa się z obwodu ładowania kondensatora D 1 D 2 obejmującego klucz i diodę zwrotną D 0. Dioda D 1 otwiera się, gdy napięcie kolektora przekroczy wartość początkową napięcia na kondensatorze C 2. Wartość ta jest mniejsza od napięcia zasilania zwykle o kilka procent. Kondensator przeładowuje się tylko nieznacznie, nie pełni więc funkcji odciążającej klucza. Pochłania natomiast energię przepięć. Po chwilowej zwyżce napięcia rozładowuje się rezonansowo w obwodzie C 2 L D C f C 2. Rys. 8. Schemat ideowy czopera z bezstratnym tłumikiem przepięć Fig. 8. Idea diagram of chopper with lossless overvoltage protection network Wartość pojemności C 2 może być w praktyce wielokrotnie większa od wartości C 1. Przebieg napięcia kolektora ilustrujący działanie tłumika pokazano na rysunku 9. Rys. 9. Przebieg napięcia kolektora czopera z tłumikiem przepięć Fig. 9. Collector voltage waveform of chopper with lossless overvoltage protection network 3.3. Realizacja techniczna Układ pokazany na rysunkach 5 i 7 zrealizowano i przebadano w dwóch wersjach: niskonapięciowej 30 V 2 A i wysokonapięciowej 500 V 15 A. Zasadnicze dane techniczne tych modeli fizycznych były następujące:

9 173 napięcie zasilania 30 V 500 V prąd wyjściowy 2 A 15 A klucz KD3773 C25R 1000K (AEG) dioda D 0 MUR1560 (Motorola) f 5 khz Przedstawione (rys.7,9) przebiegi dotyczą układu 30 V / 2 A.. W przypadku drugiego układu tj. 500 V / 15 A przebiegi przejściowe są podobne. W dużym zakresie zmian nie zależą one od częstotliwości. 4. WNIOSKI Ponieważ stosowane określenie bezstratne może budzić pewne wątpliwości, należy wyjaśnić, że rozumie się przez nie tę klasę układów, które nie zawierają rezystancji (rozpraszających energię). Stosowane zaś diody mają na celu transportowanie energii, a nie jej rozpraszanie. Przedstawiono zagadnienie poprawy warunków pracy klucza w przypadku tzw. twardego przełączania prądu, w układzie czopera; abstrahując od modnych układów z rezonansowym obwodem pośrednim. Zaproponowano rozwiązania sieci odciążającej bezstratnej oraz tłumika przepięć, które mogą być stosowane łącznie lub rozdzielnie. Idea rozwiązań może być z powodzeniem przeniesiona na inne typy kluczy półprzewodnikowych i inne układy pracy. LITERATURA [1] Bajer E.,Integrierte Treiberschaltung B4002D fur Schaltransistoren, Radio Fernsehen Electronik, Berlin 35, [2] Gawecka H., Diody szybkie w układach energoelektonicznych,wiadomości elektrotechniczne nr 3, [3] Mcmurray W., Optimum snubbers for power semiconductors, IEEE Trans.,1982,IA 8,(5) s [4] Calkin E.T., HAMILTON B.H., Circuit techniques for improving the switching loci of transistor switches in switching regulators, IEEE Trans. 1976, IA 12,(4),s [5] Evans D. P., Hill Cottingham R.J., Some aspect of power transistor inverter design, IEEE Proc. B, Elec. Power App., 1979,2, (3),s [6] Mcmurray W., Selection of snubbers and clamps to optymise the design of transistor switching converters, IEEE Trans. 1980, IA 16,(4),s [7] Załoga Z., The lossless network for bipolar transistor, 12 Internat. Fachtagung Industrielle Automatisierung Automatisierte Antriebe, Chemnitz, [8] Załoga Z., Bezstratne sieci odciążające kluczy tranzystorowych, VI Sympozjum PPE i E, Gliwice, SELECTED PROBLEMS OF SNUBBER AND OVERVOLTAGE CIRCUITS IN TRANSISTOR CONVERTERS

10 174 The additional inductance and capacitance in lightening lossless networks are discussed. A new lossless lightening networks and overvoltage snubber are shown. Technical investigations and tests results are presented.