Диссертация (1137078), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Также из (4.24) можно определитьминимальную скважность Qмин=Pстат/Pдоп при частоте повторения импульсов,стремящейся к нулю, то есть при формировании длинных импульсов с короткими146паузами между ними. В случае, если выражение для минимальной скважностипринимает значения, меньшие единицы (что не имеет физического смысла),следует принимать Qмин=1. Это означает, что при заданных параметрах нагрузкиключ может работать в непрерывном режиме и формировать импульсыбесконечной длительности.При фиксированном режиме работы (UPS=const, RLOAD=const) в выражении(4.24) величины Pдоп и Pстат линейно зависят от числа транзисторов N. Какотмечалось в разделе 4.2, при отсутствии выравнивающих емкостей и больших N(>Nграничн..) собственная емкость ключа практически не зависит от N, в этом случаеможно считать, что Wдин не зависит от числа транзисторов в ключе и увеличениечисла транзисторов, составляющих ключ, приводит к увеличению Pдоп и, какследствие, увеличению максимально допустимой частоты повторения импульсовfмакс.доп..
При этом значение Qмин остается неизменным.При использовании дополнительных выравнивающих емкостей собственнаяемкость ключа при N=Nграничн. принимает минимальное значение (см. раздел 4.2).Таким образом, если расчет числа ячеек, исходя из требований к рабочемунапряжению, приводит к значениям N<Nграничн., то следует искусственноувеличить число ячеек ключа до оптимального с точки зрения минимумасобственной емкости значения. В этом случае возможно получить выигрыш попараметру fмакс.доп.. При дальнейшем увеличении числа ячеек собственная емкостьключа увеличивается по закону, близкому к линейному.
В этом случае, какпоказывает анализ уравнения (4.24), предельные значения fмакс.доп. и Qмин независят от числа ячеек ключа.Независимо от использования выравнивающих емкостей при расчетепредельных режимов твердотельных ключей следует учитывать неравномерностьраспределения мощностей потерь между отдельными ячейками (см. рисунки 4.17и 4.21 ) и снижать мощность, рассеиваемую в них.Кривая, приведенная на рисунке 4.30, определяет область допустимыхрежимовработытвердотельногоключа(отмеченоштриховкой)прификсированном режиме работы модулятора и заданных условиях отведения147теплоты.
Рабочие точки (Q, f) должны лежать ниже кривой, определяемойсоотношением (4.24). В этом случае мощность, рассеиваемая ключом, непревысит максимально допустимого значения.Рис. 4.30. Зависимость максимальной частоты повторения импульсов отскважности.4.4 ВыводыВ главе на основе разработанной математической модели проведеноисследование процессов в модуляторах.
Рассмотрены особенности работыэлементов схемы модулятора на различных стадиях его работы. В процессеисследования выявлена зависимость напряжения, прикладываемого к выходнымэлектродамтранзисторовсоставныхключейвзакрытомсостояниивдинамическом режиме, от величины паразитных емкостей СGND и CВЫХ, а такжеместа расположения транзистора в модуляторе. Показаны существенные различияв напряжениях, прикладываемых к транзисторам в разных местах схемымодулятора. Обоснована необходимость применения специальных методовограничениянапряжений,прикладываемыхктранзисторам.Рассчитанасобственная емкость составного ключа.Исходя из критерия одинаковости напряжений, прикладываемых ко всемтранзисторам ключей, был предложен способ выравнивания этих напряжений спомощью дополнительных емкостей, подключаемых параллельно выходным148электродам транзисторов.
Получена формула, позволяющая выбрать величиныэтих емкостей.Проведен анализ паразитных параметров ячеек модулятора. Показанавозможность выравнивания напряжений, прикладываемых к транзисторам, путемизменения задержки начала переключения между ячейками, например, за счетизменениясопротивлениязаряда-разрядавходнойемкоститранзисторов.Учитывая сложность расчета величин элементов схемы для этого способавыравнивания напряжений, сделан вывод о трудности его практическогоиспользования.Исходяизвыбранногокритериянедопустимостипоявленияперенапряжений на выходных электродах транзисторов, проведен расчетпредельно допустимой задержки переключения соседних ячеек ключа прилинейном изменении этой задержки от номера ячейки.
В ходе расчетов выведеныформулы, связывающие предельные задержки переключения между соседними икрайними транзисторами ключа с коэффициентом использования транзисторов понапряжению, длительностью переключения транзисторов и их числом в ключе.Рассчитанные значения задержек позволяют задать требования к синхронностиуправления отдельными транзисторами.ПроанализированоРассчитанокоторомминимальноемодулирующеевлияниепаразитныхзначениепараметровограничительногонапряжениевовремяцепинагрузки.сопротивления,фронтаприизменяетсяпоапериодическому закону.
Для этого значения сопротивления рассчитанадлительность фронта модулирующего импульса.Приведена методика расчета предельных режимов работы твердотельныхключей по частоте и скважности. Показано, что динамические потери в системахимпульсного электрического питания существенно ограничивают диапазоныизменения параметров импульсных последовательностей, формируемых РПДС.149Глава 5. Экспериментальная оценка результатовмоделированияГлава посвящена экспериментальной проверке достоверности результатовисследований, полученных в предыдущей главе.
Для этого была поставленазадача создать экспериментальный макет модулятора, который позволяетпроводить измерения с погрешностью менее 5% напряжений, прикладываемых котдельным транзисторам модулятора и к его нагрузке, а так же токов в различныхцепяхмодулятора.Сформулируемтребования,предъявляемыекмакетумодулятора:1) необходимообеспечитьвозможностьизмерениянапряжений,прикладываемых к различным точкам модулятора, и токов в его цепях;2) точность измерений не хуже 5 %;3) необходимо обеспечить возможность регулировки длительности и частотыповторения формируемых модулятором импульсов;4) для проверки устойчивости решений при изменении параметров нагрузкинеобходимо иметь возможность изменять сопротивление нагрузки ивеличину емкости нагрузки на корпус модулятора;5) требуетсяиметьвозможностьрегулировкинапряженияпитаниямодулятора для проверки его работы при разных коэффициентах запаса понапряжению транзисторов.5.1 Экспериментальный макет двухтактного модулятораИсходяизпоставленныхзадачитребований,предъявляемыхкэкспериментальному макету модулятора, была разработана его принципиальнаясхема рисунок 5.1.
Так как при проектировании макета не ставилась задачасоздавать модулятор, способный формировать импульсы напряжения большойамплитуды и для качественного анализа достаточно сравнительно небольшогочисла транзисторов, то зарядный и разрядный ключи модулятора состоят из 10ячеек каждый.Рис. 5.1.
Схема экспериментального макета модулятора.150151В основе каждой ячейки модулятора находится МОП полевой транзистормарки SPW17N80 (Infineon, США). Эти транзисторы обладают типовыми дляданного класса приборов параметрами и часто применяются на практике.Максимальное напряжение, которое можно прикладывать между выходнымиэлектродами транзистора данной марки, составляет 800 В (при температурекристалла 25 °С).
На схеме VT1...VT10 - транзисторы зарядного ключа,VT11...VT20 - транзисторы разрядного ключа. Ограничители напряжения VD1VD40 (защитные диоды) должны обеспечивать надежную защиту транзисторов отвозможных перенапряжений. Поэтому ограничитель состоит из двух диодов1.5KE440А и 1.5KE300А, соединенных последовательно. Таким образомнапряжение ограничения составляет порядка 740 В, а максимальное рабочеенапряжение модулятора составляет Umax≈7,4 кВ.
Эксперименты проводились принапряжениях питания модулятора: 6 кВ ~ (0,81·Umax), 4 кВ ~ (0,54·Umax) и 2 кВ ~(0,27·Umax).Припроведенииэкспериментовдлительностьимпульсовбылафиксированной и составляла 500 нс. Этой длительности достаточно длязавершения всех переходных процессов в модуляторе после формированияфронта импульса.Так как число ячеек в модуляторе сравнительно мало, а рассчитанные изконструктивных параметров макета величины паразитных емкостей транзисторовна корпус составляют СGND=0,4 пФ, то величина изменения напряжений,прикладываемых к отдельным транзисторам из-за влияния этой емкости, не будетпревышать 10% от среднего значения.
Такую величину изменения напряженийдостаточно сложно анализировать, и на этот параметр будет оказыватьсущественноевлияниепогрешностьрасчетапаразитныхконструктивныхемкостей. Для увеличения влияния паразитных емкостей корпусов транзисторовна корпус модулятора в схему были введены сосредоточенные емкости C(S-GND)i =C(D-GND)i , которые подключаются между выводом стока транзисторов и корпусоммодулятора.
Величина этих емкостей составляет 4,7±10% пФ, что на порядокбольше расчетного значения распределенной паразитной емкости корпусов152транзисторов. Таким образом, влияние этих емкостей на характер изменениянапряжений, прикладываемых к транзисторам в динамическом режиме, будетболее выраженным. Так же емкости C(S GND) совместно с емкостями CDIV образуютемкостные делители, которые используются для измерения переменногонапряжения, приложенного между выводами стока транзисторов и корпусоммодулятора.
Величина емкостей CDIV составляет 330±1% пФ, что более, чем напорядок превышает значение собственной емкости измерительного щупаосциллографа CINPUT=15 пФ, который подключается параллельно конденсаторуCDIV . Коэффициент деления емкостного делителя равен kDIV (CDIV 15 пФ) / C( S GND) .Погрешность определения этого коэффициента с учетом сложения допусков(погрешностей емкостей C(S GND) и CDIV составляет 11%.Столь высокая величина погрешности не удовлетворяет требованиям,предъявляемымкданномумакетумодулятора.Дляуменьшенияэтойпогрешности была проведена совместная калибровка всех емкостных делителей.Для этого все высокопотенциальные выводы конденсаторов C(S GND)былизамкнуты, и на них был подан импульс напряжения известной амплитуды.
Путемподключения параллельно конденсаторам CDIV дополнительных емкостей CDIV DOPдостигалась одинаковость напряжений на выходе всех делителей, измеряемых наосциллографе. Таким образом, емкость нижнего плеча емкостного делителявычисляетсякакCDIV + CDIV DOP ,акоэффициентделенияравенkDIV (CDIV 15 пФ CDIV DOP ) / C( S GND) . Погрешность его измерения равна погрешностиизмерения осциллографа 2%, с помощью которого осуществлялась совместнаякалибровка.
Итоговая величина коэффициента деления емкостных делителейсоставила kDIV 75,4 .Так как емкостной делитель не позволяет передавать постояннуюсоставляющую напряжения, то за время импульса возможен спад напряжения наемкости нижнего плеча делителя, за счет ее разряда через входное сопротивлениеосциллографа. Постоянная времени разряда емкости нижнего плеча определяется153ее величиной CDIV и входным сопротивлением осциллографа и составляетtDIV CDIV RВХ .ОСЦ .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
