Диссертация (1137078), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Нарисунке 3.14 приведен один из возможных вариантов таких схем. Здесь входнаяемкость силового транзистора разряжается через разрядный транзистор VT1,управление которым осуществляется отдельной обмоткой ИТ.Рис. 3.14. Вариант многосекционной схемы управления.Схемы со вспомогательным питанием [51] могут использоваться в случае,если необходимо обеспечить очень высокую скорость заряда/разряда емкостиуправляющегоэлектрода,аиндуктивностьрассеянияуправляющеготрансформатора не позволяет выполнить эти требования. На рисунке 3.15приведена схема со вспомогательным источником питания и специальноймикросхемой управления затвором силового транзистора.Рис.
3.15. Вариант схемы управления со вспомогательным питанием.84Здесь управляющее напряжение выпрямляется диодным мостом VD1-VD4 изаряжает через диод VD5 накопительную емкость C2, которая выполняетфункцию источника питания для микросхемы управления. Также выпрямленноеуправляющее напряжение подается на управляющий вход этой микросхемы. Втакой схеме удается минимизировать паразитные параметры цепей управлениятранзистором. В результате увеличивается скорость переключения транзисторов.Возможны варианты схем, когда питание цепей управления осуществляется ототдельных источников питания.Рассмотренные схемы имеют свои особенности и применяются взависимости от типа модулятора и требуемых параметров формируемыхимпульсов.Так,схемасограничительнымрезисторомиспользуетсявмодуляторах, в которых не требуется длительное время поддерживать ключи воткрытом состоянии (анодные однотактные модуляторы).
В остальных случаяхтребуется использовать схемы с хранением заряда. В двухтактных модуляторахжелательно использовать схемы, позволяющие в паузах между импульсамиподдерживать на входной емкости транзистора отрицательное напряжение иобеспечивающие бо́льшую помехоустойчивость, так как при перекоммутацииодного из ключей быстрые изменения напряжения передаются через проходныеемкости транзисторов, составляющих другой ключ, на входные клеммы этихтранзисторов. Это в свою очередь может привести к ложному замыканиюпротивоположногоключаипоявлениюсквозныхтоков.Схемысовспомогательным питанием находят применение в устройствах, где требуетсяполучать импульсы с длительностью менее 50 нс.Рис. 3.16. Эквивалентная схема цепи управления транзистором.85Для унификации схем управления транзисторами и упрощения их анализапри моделировании будем использовать эквивалентную схему цепи управлениясиловым транзистором, приведенную на рисунке 3.16.Здесь uF(t-ti) - зависимость управляющего напряжения от времени,ti=tзад+tперкл+tдрв - величина задержки появления управляющего сигнала на затворетранзистора, включающая в себя tзад - задержку распространения управляющегосигнала от подмодулятора до схемы управления ячейкой, tперкл - времяпереключения транзисторов, обеспечивающих хранение заряда, tдрв - задержкасигнала в микросхеме управления затвором (при ее наличии).
Напряжение uF(t)имеет форму прямоугольного импульса с длительностью и амплитудой,требуемой для управления транзистором. LGOUT= Lмонт +LS1+LS2 - эквивалентнаяиндуктивность схемы, учитывающая Lмонт - монтажную индуктивность, LS1, LS2 - ииндуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток управляющеготрансформатора. RGOUT=RП МОД 2+RСХ УПР+Rдоп - эквивалентное сопротивлениесхемы управления, учитывающее RСХ УПР - внутренние сопротивления элементовсхемы, RП МОД 2 - выходное сопротивление подмодулятора, пересчитанное вовторичную цепь, Rдоп - дополнительное сосредоточенное сопротивление,ограничивающее ток заряда входной емкости транзистора. CGOUT=Cмонт+Cдоп эквивалентная емкость схемы управления, подключаемая к входным цепямтранзистора, учитывающая влияние Cмонт - межэлектродных емкостей элементовсхемы и Cдоп - сосредоточенную добавочную емкость, уменьшающую влияниепроходной емкости транзистора при его переключении.
Такое упрощение схемыявляется оправданным, так как позволяет существенно облегчить ее анализ примоделировании.3.2.3 Схемы защиты от перенапряженийВ закрытом состоянии внутреннее сопротивление RP силовых транзисторов,составляющих ключ, имеет значения от 1 МОм до 10 ГОм, что, как правило,много больше сопротивления полезной нагрузки. Это сопротивление сильнозависит от температуры и может значительно изменяться в выборке транзисторов86из-занеравномерногоразогреваключаивозможныхтехнологическихнеточностей производства транзисторов [39]. Если к составному ключуприложено рабочее напряжение, то через транзисторы ключа протекают токитр..утечки - Iут.Ключ проектируется так, чтобы падение напряженияUВЫХ=Iут.
тр·RP на каждом отдельном транзисторе, из которых составлен ключ,было близко к максимально допустимому для него. При этом в статическомрежиме распределение напряжений между транзисторами будет полностьюопределятьсявнутреннимисопротивлениямитранзисторов.Превышениенапряжением на отдельном транзисторе максимально допустимого значенияприводит к выходу этого транзистора из строя, что в скором времени выводит изстроя весь ключ.Для того, чтобы избежать появления перенапряжений на отдельныхтранзисторах, необходимо производить ограничение и выравнивание этихнапряжений. Один из способов выравнивания напряжений состоит в том, чтопараллельно каждому транзистору подключается резистор RV, сопротивлениекоторого много меньше внутреннего сопротивления транзистора. В этом случаечерез цепочку резисторов будет протекать ток - Iут. Rv.Возможно также применение вместо резисторов защитных диодов [24](ограничителей напряжения).
Полевые транзисторы с изолированным затворомсодержат в себе паразитный диод-стабилитрон, который может выполнятьфункцию ограничителя напряжения. Однако энергия, которую способен рассеятьэтот диод, мала. При постоянном появлении перенапряжений на нем происходитперегрев транзистора и выход его из строя. Поэтому параллельно транзисторуобычно подключается специальный прибор – защитный диод [24, 77]. Принципего работы аналогичен работе стабилитрона, однако этот прибор обладаетзначительноменьшимдифференциальнымсопротивлением,высокимбыстродействием, низкими токами утечки (менее 5 мкА), способен поглощатьбольшие импульсные мощности.
Типовые параметры ограничителей напряженияприведены в таблице 3.2.Рис. 3.17. Схема ячейки модулятора.8788Таблица 3.2. Параметры ограничителей напряжения.ПараметрЗначениеНапряжение ограничения5...480 ВМаксимальный импульсный ток3...200 АИмпульсная мощность рассеяния (в течении 1 мс)400...5000 ВтТок утечки5 мкАЗащитные диоды позволяют ограничить напряжение на заданном уровне,что практически исключает возможность выхода из строя транзисторов отперенапряжений. При наличии ограничительных диодов в закрытом состояниичерез них будут протекать токи утечки - Iут. зд..В динамическом режиме с целью выравнивания напряжений междуотдельными транзисторами возможно введение дополнительных емкостей СДОП,подключаемых к выходным электродам транзисторов.Исходя из рассмотренных выше особенностей структурных элементовотдельной ячейки модулятора (см.
схему на рисунке 3.2) можно составить ееэквивалентную схему на основе МОП полевого транзистора (рисунок 3.17).Таким образом, можно считать составленной схему твердотельногомодулятора, построенного по последовательной схеме, содержащей в себеосновные паразитные элементы, влияющие на параметры формируемыхимпульсов.
Далее возможно проводить исследование влияния этих параметров наработу модулятора.3.3 Математическая модель двухтактного твердотельногомодулятораПрактическое исследование высоковольтных модуляторов сопряжено созначительными трудностями: сложно осуществлять непосредственные измерениятоков и напряжений в элементах схемы, находящихся под высоким потенциалом;измерительныесопротивления,приборывносятсоизмеримыесдополнительныевеличинамипаразитныесобственныхемкостииемкостейисопротивлений модулятора; сложно воссоздать реальные условия эксплуатации;89сложно произвести изменения в схеме модулятора, так как для повышенияэлектропрочности объем модулятора, как правило, заполняется компаундами.Внастоящеевремяполучилширокоераспространениеметодматематического моделирования электрических схем. Существуют пакетыпрограмм для исследования электрических схем с большим количествомбиблиотек стандартных элементов. Они позволяют проводить моделированиесхем в различных условиях, предоставляя широкий набор инструментов дляпроведения анализа.
Однако данные программные продукты не позволяютвносить изменения в характеристики зависимостей параметров элементов схемы.Например, нельзя изменять зависимости величин межэлектродных емкостейтранзисторов от приложенных к ним напряжений. Также в стандартных пакетахпрограмм достаточно сложно осуществлять анализ энергий, выделяемых вэлементахсхемывопределенныепромежуткивремени.Дляучетаиндивидуальных особенностей используемых полупроводниковых приборов встандартных пакетах программ необходимо создавать новые элементы библиотеки проводить полный комплекс измерений характеристик этих приборов. Но дажев том случае, когда проведены измерения характеристик приборов, программымоделированияпроизводят"подгонку"коэффициентоввстандартныхфункциональных зависимостях, описывающих характеристики приборов, поминимуму среднеквадратичного отклонения относительно измеренных значений.Характеристики реальных приборов, как правило, отличаются от идеальных,которыеможноописатьстандартнымизависимостями.Такимобразом,результаты моделирования в стандартных пакетах программ зачастую неприводят к удовлетворительным результатам.С целью повышения точности расчетов и адекватности результатовматематического моделирования твердотельных модуляторов реальной схеме, внастоящей работе была поставлена задача создать математическую модельдвухтактного модулятора, построенного на основе ключей, состоящих избольшого количества последовательно включенных МОП полевых транзисторов.В отличие от стандартных программных пакетов данная модель позволяет:90 оперативно изменять параметры схемы, такие как количество транзисторовв ключах и их тип; задать с наперед заданной точностью характеристики (вольт-фарадные идругие) отдельных транзисторов; задавать значения величин элементов схемы в зависимости от их местарасположения в схеме в виде аналитических зависимостей; производить расчет мощностей и энергий, выделяемых в различныхэлементах схемы, на различных промежутках времени; получать графическое представление напряжений в любых точках схемы,включаявнутренниенапряжениятранзисторов,недоступныедлянепосредственного практического измерения, но дающие информацию одинамических характеристиках транзисторов.Математическое описание схемы, приведенной на рис.
3.2, будемпроизводить с помощью уравнений Кирхгоффа методом контурных напряжений иузловых токов [78]. Так же будем пользоваться свойствами непрерывности токовиндуктивностей и напряжений на емкостях.Значения внутренних емкостей транзисторов, нелинейно зависящих отприкладываемых к выводам транзистора напряжений, будем рассчитывать пометодике, описанной в п.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
