Автореферат (1137077), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Величина этой емкостиопределяет динамические потери в модуляторе и необходима для определениязаряда, накопленного в системе, и дальнейшего расчета напряжений,прикладываемых к транзисторам. Зависимость этой емкости от числа ячеек включеNвыражаетсярекуррентнойформулой:CK =( N ) CK ( N − 1) ⋅ СВЫХ −eff / CK ( N − 1) + СВЫХ −eff + CGND , где CK ( N − 1) - емкость ключа,состоящего из (N-1) ячейки.
Эта формула при N → ∞ преобразуется в)(2выражение: CКEY= CGND + CGND+ 4 ⋅ CGND ⋅ CВЫХ −eff / 2 .Напряжения, прикладываемые к выходным электродам транзисторов,рассчитываются по рекуррентной формуле:U ( N )=U PS ⋅ CKEY ( N ) ⋅ [CK ( N − 1) − CK ( N ) ] / [CK ( N ) ⋅ CK ( N − 1) ] .Видно, что эти напряжения зависят от номера ячейки и их числа в ключе,величин паразитных емкостей транзисторов на корпус и между выходнымиэлектродами (см. рисунок 11).
Так как перенапряжения на транзисторах могутсущественно превышать среднее значение UDS0, то делается вывод онеобходимости устранения указанной зависимости напряжения.Так как появление различий в напряжениях, прикладываемых к выходнымэлектродам отдельных транзисторов ключа, обусловлено дисбалансамираспределения зарядов между элементами схемы, то предложен способвыравнивания этих напряжений с помощью дополнительных емкостей,подключаемых параллельно выходным электродам транзисторов (см рисунок 12).13Рис. 11.а. Напряжения, прикладываемые кячейкам модулятора ( CВЫХ −eff = 100 пФ ).Рис. 11.б. Зависимость собственной емкостиключа от числа ячеек ( CВЫХ −eff = 100 пФ ).Рис.
12. Схема подключения дополнительных выравнивающих емкостей.Исходя из критерия равенства напряжений, прикладываемых к выходнымэлектродам транзисторов, проведен расчет величин дополнительных емкостей.Получена их зависимость от номера ячейки и величины паразитной емкоститранзисторов на корпус (рисунок 14.а):C ДОП ( N ) = 0,5 ⋅ CGND ⋅ ( N − 1/ 2) 2 .(1)Численный расчет напряжений, прикладываемых к различным ячейкаммодулятора, после подключения дополнительных емкостей показал ихпрактически полное равенство (см.
рисунок 13).Рис. 13. Зависимость напряжений, прикладываемых к различным ячейкам модулятора, имощностей динамических потерь, рассеиваемых транзисторами, от номера ячейки прииспользовании дополнительных емкостей.14Рис. 14.а. Зависимость величиныдополнительной емкости от номера ячейкипри CВЫХ −eff = 100 пФ .Рис.
14.б. Зависимость собственной емкостиключа от числа ячеек при введениидополнительных емкостей приCВЫХ −eff = 100 пФ .При введении дополнительных емкостей изменяется величина собственнойемкости твердотельного ключа CK ( N ) = 0,5 ⋅ CGND ⋅ ( N − 1/ 2)2 + CВЫХ −eff / N + CGND(рисунок 14.б).В этом случае при числе ячеек, большем N граничн=.2 ⋅ СВЫХ −eff / CGNDсобственная емкость ключа увеличивается пропорционально числу ячеек, врезультате увеличиваются динамические потери в ключе Wдин~CK·f·UPS2. Вовремя открытия ключа дополнительные емкости начинают разряжаться черезвнутренние сопротивления транзисторов. В результате процесс переключениянекоторых транзисторов замедляется, в этот промежуток времени на нихвозможно появление выбросов напряжения.В общем случае распределение напряжений между отдельнымитранзисторами в составных ключах в динамическом режиме зависит отпаразитных параметров ячеек и величин относительных задержек появленияуправляющих напряжений на их входных электродах.
Показана возможностьвведения дополнительных элементов в цепи управления для влияния нараспределение напряжений между транзисторами. Для выравниваниянапряжений, прикладываемых к транзисторам ключа, во время открытия изакрытия для каждого транзистора необходимо обеспечить разные задержки вуправлении. Это можно обеспечить разделением схемы управления ячейкой спомощью диодов на две части: зарядную и разрядную (см. рисунок 15).
Этодает возможность в некоторых пределах отдельно управлять задержкойвключения и выключения каждого транзистора составного ключа.15Рис. 15. Схема управления с разделением цепей заряда и разряда входной емкости.Проводится анализ влияния несинхронности управления отдельнымитранзисторами,обусловленногоналичиеместественнойзадержкираспространения сигнала управления вдоль линии его передачи (рисунок 16.а).Исходя из критерия отсутствия перенапряжений на отдельных транзисторах,рассчитаны предельно допустимые задержки переключения транзисторов всоседних ячейках при линейном изменении задержки появления управляющегосигнала в ключе (рисунок 16.б).τф1,t зад.
( N ) =− 1 N −1ikk⋅ исп УМ∑i =1 N − i (2)где kисп - коэффициент использования транзисторов по напряжению, τ ф - времяпереключенияkУМтранзисторов,- число транзисторов в ключе,=−1 Rогр ⋅ CDS (U DS MAX ) ⋅ ( N − 1) / N ⋅τ ф - коэффициент уменьшения напряжения,Nприкладываемого к ключу, за счет перераспределения напряжений междуключом и токоограничивающим сопротивлением Rогр. На рисунке 17 приведеныграфики зависимостей допустимой относительной задержки переключениятранзисторов от числа ячеек для разных значений коэффициента использованиятранзисторов по напряжению.Рис. 16.а. Расположение ячеек междусобой.Рис.
16.б. Зависимость напряжений,прикладываемых к ячейкам ключа, от времени прилинейном нарастании задержки появленияуправляющего сигнала.16Рис. 17. Зависимость предельно допустимой относительной задержки появленияуправляющего напряжения между соседними ячейками от числа ячеек при различныхкоэффициентах использования транзисторов по напряжению ( kУМ = 1 ).Рассматривается влияние паразитной индуктивности нагрузки на формуплоской вершины импульса.
Эквивалентная схема нагрузки длярассматриваемого случая приведена на рисунке 18. Для упрощенного случаяпостоянной величины сопротивления нагрузки проводится расчет минимальнодопустимойвеличинысопротивленияограничительногорезистора,обеспечивающего апериодический характер нарастания напряжения на фронтеимпульса:=RОГР ≥ RОГР min(LLOAD / CLOAD)2/ RLOAD + 2 ⋅ LLOAD / CLOAD ,приэтомдлительность фронта для случая RОГР = RОГР min будет рассчитываться по формуле:R1+ ОГР RLOAD ⋅ CLOAD LLOAD2 ln(1 − U a / U a max ) / τ ф (U a / U a max ) =⋅,гдеU a / U a max-уровень,относительно которого проводится измерение длительности фронта.
Нарисунке 19 приведены типовые зависимости напряжения на нагрузке отвремени при разных значениях RОГР .Рис. 18. Упрощенная схема цепинагрузки.Рис. 19. Зависимость напряжения на нагрузке отвремени при разных значениях RОГР .17Ограничения на предельно допустимые величины частоты повторенияимпульсов и их скважности определяются предельно допустимой мощностьюPдоп, рассеиваемой элементами твердотельных модуляторов, при которой ихтемпература не превысит максимально допустимого значения - Tмакс призаданных условиях отведения теплоты. Наиболее чувствительными к перегревуоказываются транзисторы, составляющие ключи. Поэтому Pдоп = Pрас.макс ·N, гдеPрас.макс=(Tмакс-Tокр)/Rк-окр - максимально допустимая мощность рассеяния одноготранзистора ключа, N - число транзисторов в ключе, Tмакс - максимальнодопустимая температура кристалла, Tокр - температура окружающей среды.Rк-окр - тепловое сопротивление промежутка «кристалл – окружающая среда».Этот параметр сильно зависит от условий работы транзисторов и конструкцииключа и составляет 0,3...150 Вт/м·К.Рис.
20. Зависимость допустимой частоты повторения импульсов от скважности(штриховкой показана область допустимых режимов работы модулятора).Исходя из требований обеспечения теплового режима работытвердотельных ключей, определяются ограничения на допустимые режимыработы модулятора по частоте и скважности: Pдоп <(Pстат/Q+Wдин·f), где Pстат мощность, выделяемая в модуляторе в статическом режиме, Q - скважностьпоследовательности импульсов, Wдин - энергия, выделяемая в модуляторе приформировании одного импульса, f - частота повторения импульсов. Полученазависимость предельно допустимой частоты повторения импульсов отскважности fмакс(Q)=(Pдоп-Pстат/Q)/Wдин (см.
рисунок 20). Здесь штриховкойобозначена область допустимых режимов работы ИМ по частоте и скважностиформируемых импульсов.Определена предельная частота повторения импульсов: fмакс=Pдоп/Wдин, прискважности, стремящейся к бесконечности, при этом скважность принимаетбольшие значения за счет уменьшения длительности импульса. Определенаминимальная скважность:Qмин=Pстат/Pдоп, при частоте повторения импульсов,стремящейся к нулю, то есть при формировании длинных импульсов скороткими паузами между ними.На всех стадиях работы твердотельного модулятора в его элементах (см.рисунок 21) рассеиваются активные мощности потерь. На рисунке 22 приведен18график численно рассчитанных мощностей потерь, рассеиваемых в узлахмодулятора, для случая питающего напряжения 15 кВ, тока нагрузки 15 А,величины сопротивлений R11, R12, R2 составляют по 100 Ом, ключи модуляторасостоят из 20 транзисторов марки SPW17N80.Рис. 21.
Структурная схема двухтактного модулятора.Рис. 22. Зависимости величин мощности потерь в элементах модулятора от времени.В пятой главе с целью проверки полученных результатов исследованийразработан экспериментальный макет двухтактного модулятора (см. рисунок23). В схему введены сосредоточенные емкости CGND=C(S-GND)i=C(D-GND)i=4,7 пФ,подключаемые между выводами истоков (или стоков) транзисторов и корпусоммодулятора. Эти емкости позволяют более четко проявить зависимостьнапряжения, прикладываемого к отдельным транзисторам, от номера ячейки.Также эти емкости совместно с емкостями CDIVi образуют емкостные делителинапряжения, которые позволяют производить измерения прикладываемых котдельным транзисторам модулятора напряжений. Ключи модулятора состоятиз 10 транзисторов марки SPW17N80 (Infineon, США) каждый.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
