Диссертация (1137078), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Эти сигналы задаютсядетерминировано и определяют временное положение выходных импульсов и ихдлительность. На втором шаге проводится расчет токов, протекающих в контурахсхемы рис. 3.2 и напряжений на внутренних элементах эквивалентной схемыкаждой ячейки модулятора рис. 3.3. На третьем шаге рассчитываются значениянапряжений, прикладываемых к емкостям схемы рис. 3.2.Так как для решения дифференциальных уравнений был выбран методЭйлера, то важным вопросом является выбор величины шага интегрированияt .Для обеспечения точности и сходимости полученных решений необходимо,чтобыtбыло много меньше постоянных времени L-C, R-C, R-L цепей,образованных элементами схемы.
Анализ схемы показывает, что наименьшаяпостояннаявременибудетуL-Cцепей,образованныхпаразитнымииндуктивностями выводов транзисторов и паразитной емкостью транзисторов.Величина индуктивности выводов составляет 5 – 50 нГн, емкость на корпусможет составлять 0,1..20 пФ. То есть постоянная времени этих цепей составляет10-11...10-9 с. Таким образом, постоянная интегрирования должна быть меньше10-12. Как правило, период повторения импульсов не превышает 1 мс, поэтому для98изученияпроцессов,протекающихвмодуляторах,можетпонадобитьсяосуществить от 107 до 109 итераций вычисления.3.4 ВыводыРассмотрена современная полупроводниковая элементная база, на основекоторой могут строиться высоковольтные твердотельные ключи для примененияв составе импульсных модуляторов.
Исходя из совместного анализа требований кпараметрам модуляторов и доступной элементной базы, делается вывод онеобходимости последовательного соединения нескольких дискретных приборовдляудовлетворенияструктурнаясхематребованиямпотвердотельногорабочимнапряжениям.Составленамодулятора,построенногонаосновесоставных ключей. Предложена схема элементарной ячейки составного ключа.Рассмотрены характеристики элементов ячейки.Обосновываетсямоделированиянеобходимостьпроцессов,протекающихиспользованиявматематическоготвердотельныхмодуляторах,построенных на составных ключах.
На основе уравнений Кирхгоффа для схемыдвухтактного анодного модулятора составлена система дифференциальныхуравнений, описывающая динамику его работы. Обосновывается необходимостьучета особенностей отдельных элементов схемы.Показана целесообразность численного решения уравнений. Приводитсяметодика решения этих уравнений методом Эйлера. На основании значенийпостоянных времени L-C, R-C, R-L цепей, образованных элементами схемы,проводится расчет шага численного интегрирования.Спомощьюполученнойматематическоймоделидвухтактноготвердотельного модулятора за счет учета особенностей отдельных элементоввозможно получение оценок напряжений и токов в цепях модулятора с высокойточностью. Это позволяет прогнозировать характеристики твердотельногомодулятора в реальных условиях. Разработанная математическая модельмодулятора легко адаптируется для применений в однотактном варианте и дляиспользованиясоставногоключавкачествезащитного.99Глава4.ФизическиепроцессывтвердотельныхмодуляторахИспользуя полученную в предыдущей главе математическую модельдвухтактного твердотельного модулятора, построенного по последовательнойсхеме, проведем машинные эксперименты и определим влияние параметровсхемы на параметры формируемых импульсов.4.1 Стадии работы модулятораВ исходном состоянии напряжения между выводами всех элементов схемыравны нулю, токи во всех цепях отсутствуют.
При включении модулятора науправляющие цепи зарядного ключа подается запирающий сигнал, а науправляющие цепи разрядного ключа - открывающий сигнал. Затем подаетсяпитающее напряжение, происходит плавный заряд накопительного конденсаторачерез внутреннее сопротивление источника напряжения. Модулятор переходит взакрытое состояние. Рассмотрим один полный период работы модулятора.
В немможно выделить четыре стадии: а) закрытое состояние; б) формирование фронтаимпульса; в) плоская часть импульса; г) формирование спада импульса.Безпотериобщностипринимаемдлядальнейшихмашинныхэкспериментов, что модулятор построен на основе МОП полевых транзисторовмарки SPW17N80 (Infineon, USA), имеющих достаточно близкие параметры и ктранзисторам других марок, зарядный и разрядные ключи состоят из десятитранзисторов каждый.
Если не указано иное, то ячейки ключей считаютсяабсолютно одинаковыми, управляющие сигналы синхронны, сопротивлениенагрузки10кОм,паразитнаяемкостьнагрузки50пФ,коэффициентиспользования по напряжению транзисторов составляет 0,75, напряжениеисточника питания равно 6 кВ, емкость транзисторов на корпус модуляторасоставляет 1 пФ, в закрытом состоянии к входным электродам транзисторовприкладывается напряжение -10 В, в открытом - 10 В, эквивалентное100сопротивление цепи управления транзисторами составляет 20 Ом. Численнополученные графики соответствуют этим параметрам модулятора.4.1.1 Закрытое состояниеВ закрытом состоянии зарядный ключ разомкнут. К нему прикладываетсянапряжение источника питания.
Падение напряжения на каждом отдельномтранзисторе зарядного ключа близко к максимально допустимому для него. Черезтранзисторы этого ключа протекают токи утечки - Iут. тр., через защитные диодыпротекает ток Iут. зд, а через выравнивающие резисторы IутRv.Суммарный токчерез ячейку Iут. ячеки = Iут. тр + Iут. зд + Iут Rv будет одинаковым для всех ячеек, таккаконисоединеныпоследовательно.Вэтомрежимеработыудобнохарактеризовать ячейки эквивалентным сопротивлением R ячеки экв = UDS / Iут. ячеки,где UDS - напряжение, прикладываемое к выходным электродам ячейки. В случае,если эквивалентные сопротивления ячеек в закрытом состоянии не одинаковы,например, из-за неравномерного их нагрева [39], то появляется некоторый разброснапряжений, прикладываемых к ячейкам. Величина этого разброса полностьюопределяется этими сопротивлениями.Рис.
4.1. Эквивалентная схема модулятора для закрытого состояния.Взакрытомсостоянииразрядныйключзамкнут,еговнутреннеесопротивление мало, составляющие его транзисторы открыты. Напряжение,прикладываемое к разрядному ключу, близко к нулю, и ток, протекающий черезнего, практически равен нулю. Мощность, рассеиваемая в разрядном ключе,101пренебрежимо мала. Эквивалентная схема модулятора в этом режиме приведенана рис 4.1.В этом состоянии в зарядном ключе рассеивается мощность:Pзакр.
зар.=(Iут. тр.+ Iут. зд.+. Iут Rv)·UPS,(4.1)где UPS – напряжение источника питания ЭВП. Как правило, эта мощность непревышает одного Ватта на транзистор.На рисунке 4.2 приведены эпюры напряжений, прикладываемых к ячейкамзарядного ключа относительно корпуса, напряжения на входных электродахзарядного и разрядного ключей.а)б)Рис. 4.2. Напряжения, прикладываемые: а) к входным электродам транзисторовмодулятора; б) к стокам транзисторов зарядного ключа относительно корпусамодулятора.Непосредственно перед формированием фронта импульса на входные цепитранзисторов разрядного ключа подается запирающее напряжение.4.1.2 Формирование фронта импульсаПри формировании фронта импульса происходит замыкание зарядногоключа.
Управляющее напряжение поступает от подмодулятора на входныеклеммы схем управления отдельными транзисторами этого ключа. Еговнутреннеесопротивлениеуменьшается.Нагрузка,какправило,имеетрезистивно-емкостный характер, поэтому при открытии зарядного ключа102начинают протекать токи перезаряда емкостей нагрузки СLOAD и разрядного ключаСРК. Величина этого тока ограничивается сопротивлениями R11, R12, R2 (см.рисунок 3.2) и паразитными индуктивностями, но может в несколько разпревышать активный ток нагрузки.
Собственная емкость зарядного ключа СЗКразряжается через внутренние сопротивления открывающихся транзисторов.На рис. 4.3...4.6 в относительных величинах приведены численнополученные эпюры напряжений, прикладываемых к выводам стоков транзисторовмодулятора и нагрузке относительно корпуса модулятора, напряжения междувходными и выходными электродами транзисторов для этой стадии работы.Рис. 4.3. Напряжения на входных электродах транзисторов модулятора.Рис.
4.4. Напряжения на стоках транзисторов зарядного ключа и на нагрузке.103Рис. 4.5. Напряжения на стоках транзисторов разрядного ключа и на нагрузкеРис. 4.6. Напряжения между выходными электродами транзисторов зарядного иразрядного ключей.Формирование фронта можно разделить на три этапа: задержка началапереключения транзисторов; переключение транзисторов зарядного ключа - спаднапряжения, прикладываемого к ним, и нарастание тока через них; полноеоткрытие транзисторов и уменьшение их внутреннего сопротивления доминимального значения.104На первом этапе происходит нарастание напряжений "затвор-исток"транзисторов зарядного ключа от величины запирающего напряжения допорогового значения открытия транзисторов. Время, за которое происходит этотпроцесс, определяет задержку начала формирования фронта импульса.
Какправило, эта задержка имеет значение 5...200 нс и для каждого транзистораопределяется несколькими параметрами: приведенными к входным клеммамтранзистора параметрами цепи управления транзистором (LGOUT , RGOUT, CGOUT см. рисунок 3.10); паразитными параметрами входной цепи транзистора (LG, LS,RG, RS, CGS, в меньшей степени проходной емкостью CDG - см.
рисунок 3.3); атакже начальным напряжением между затвором и истоком транзистора. Если этипараметры одинаковы для всех транзисторов, то изменение напряжения на ихвходных электродах на этом этапе происходит синхронно, и они достигаютпорогового значения открытия одновременно. По достижении этим напряжениемпорогового значения сопротивление канала транзистора начинает уменьшаться,транзисторы начинают открываться.На втором этапе происходит переключение зарядного ключа и формируетсяфронтимпульса.Посленачалаоткрытиятранзисторовнапряжения,прикладываемые между выходными электродами транзисторов, начинаютспадать, а токи выходных электродов увеличиваются. Транзисторы переходят вактивныйрежим.Ростнапряжений"затвор-исток"прекращается.Этообусловлено наличием проходной емкости "сток-затвор" (эффект Миллера) ииндуктивности вывода истока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
