Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 3’2008<br />
С<strong>в</strong>арочное оборудо<strong>в</strong>ание<br />
а<br />
Рис. 2. Выходная ВАХ (а) и динамическая характеристика (б) с<strong>в</strong>арочного аппарата <strong>в</strong> режиме MIG/MAG<br />
Рис. 3. Упрощенная схема сило<strong>в</strong>ой части с<strong>в</strong>арочного ин<strong>в</strong>ертора<br />
www.power-e.ru<br />
б<br />
Пер<strong>в</strong>ые разработанные нами с<strong>в</strong>арочные аппараты<br />
предназначались для ручной дуго<strong>в</strong>ой<br />
с<strong>в</strong>арки и были <strong>в</strong>ыполнены на биполярных<br />
и БСИТ сило<strong>в</strong>ых транзисторах (КТ847,<br />
КП955). Сило<strong>в</strong>ой преобразо<strong>в</strong>атель <strong>в</strong>ыполнен<br />
по мосто<strong>в</strong>ой схеме с дросселями <strong>в</strong> цепях как<br />
переменного, так и постоянного токо<strong>в</strong> (рис. 3).<br />
Для обеспечения безопасной работы биполярных<br />
транзисторо<strong>в</strong> и снижения динамических<br />
потерь переключение сило<strong>в</strong>ых ключей осущест<strong>в</strong>ляется<br />
при нуле<strong>в</strong>ом напряжении (режим ZVS).<br />
Амплитуда тока <strong>в</strong> диагонали такого преобразо<strong>в</strong>ателя<br />
при одной и той же мощности незначительно<br />
пре<strong>в</strong>осходит амплитуду тока мосто<strong>в</strong>ого<br />
преобразо<strong>в</strong>ателя с жестким переключением<br />
(hard-switch). При этом отпирание<br />
сило<strong>в</strong>ого ключа происходит при открытом<br />
<strong>в</strong>оз<strong>в</strong>ратном диоде, <strong>в</strong>ключенном параллельно<br />
ключу, что обеспечи<strong>в</strong>ает режим ZVS на этапе<br />
<strong>в</strong>ключения. При запирании ключа происходит<br />
пла<strong>в</strong>ное нарастание его напряжения за счет<br />
подключенного параллельно конденсатора (режим<br />
ZVS при <strong>в</strong>ыключении), что обеспечи<strong>в</strong>ает<br />
снижение динамических потерь <strong>в</strong>ыключения.<br />
Для обеспечения режима ZVS нужно обеспечить<br />
непреры<strong>в</strong>ность тока диагонали<br />
и достаточную его амплитуду, поэтому такой<br />
режим <strong>в</strong>озможен только с определенного значения<br />
тока нагрузки.<br />
Упра<strong>в</strong>ление <strong>в</strong>ыходными параметрами может<br />
осущест<strong>в</strong>ляться следующими способами:<br />
1. за счет изменения частоты работы преобразо<strong>в</strong>ателя;<br />
2. широтно-импульсной модуляцией при<br />
обеспечении закороченного состояния диагонали<br />
преобразо<strong>в</strong>ателя (разно<strong>в</strong>идностью<br />
такого упра<strong>в</strong>ления я<strong>в</strong>ляется фазоразностный<br />
способ).<br />
В аппаратах «Форсаж» используется частотный<br />
способ регулиро<strong>в</strong>ания [1]. При изменении<br />
частоты работы меняется реакти<strong>в</strong>ное сопроти<strong>в</strong>ление<br />
сило<strong>в</strong>ого дросселя, <strong>в</strong>ключенного<br />
<strong>в</strong> диагональ преобразо<strong>в</strong>ателя последо<strong>в</strong>ательно<br />
с сило<strong>в</strong>ым трансформатором, что поз<strong>в</strong>оляет<br />
регулиро<strong>в</strong>ать <strong>в</strong>ыходную мощность.<br />
В этом случае наименьшему значению <strong>в</strong>ыходной<br />
мощности соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ует наибольшая частота,<br />
а наибольшему значению — наименьшая<br />
частота. Коэффициент заполнения упра<strong>в</strong>ляющих<br />
импульсо<strong>в</strong> <strong>в</strong>се <strong>в</strong>ремя близок к<br />
единице, и ток диагонали носит непреры<strong>в</strong>ный<br />
характер. Осно<strong>в</strong>ным недостатком такого способа<br />
упра<strong>в</strong>ления я<strong>в</strong>ляется большая кратность<br />
изменения частоты для обеспечения широкого<br />
диапазона регулиро<strong>в</strong>ания токо<strong>в</strong> нагрузки.<br />
На данный момент на биполярных транзисторах<br />
произ<strong>в</strong>одится один с<strong>в</strong>арочный аппарат<br />
«Форсаж-125» с <strong>в</strong>ыходным током 140 А. В преобразо<strong>в</strong>ателе<br />
организо<strong>в</strong>ано пропорционально-токо<strong>в</strong>ое<br />
упра<strong>в</strong>ление транзисторами, обеспечи<strong>в</strong>ающее<br />
их надежное насыщение и минимизацию<br />
потерь упра<strong>в</strong>ления. Низкое<br />
напряжение насыщения и формиро<strong>в</strong>ание траектории<br />
переключения поз<strong>в</strong>оляет получить<br />
малые потери на сило<strong>в</strong>ых транзисторах.<br />
В последнее <strong>в</strong>ремя произошло резкое сокращение<br />
числа произ<strong>в</strong>одителей биполярных транзисторо<strong>в</strong><br />
при одно<strong>в</strong>ременном у<strong>в</strong>еличении номенклатуры<br />
IGBT- и МОП-транзисторо<strong>в</strong>. Все<br />
остальные модели с<strong>в</strong>арочных аппарато<strong>в</strong> <strong>в</strong>ыполнены<br />
на IGBT-транзисторах, но с сохранением<br />
частотного способа упра<strong>в</strong>ления. Предста<strong>в</strong>ляется<br />
целесообразным рассмотреть <strong>в</strong>озможность<br />
применения ESBT-транзисторо<strong>в</strong> (биполярных<br />
транзисторо<strong>в</strong> с коммутацией по эмиттеру), раз<strong>в</strong>и<strong>в</strong>аемых<br />
фирмой STMicroelectronics.<br />
При использо<strong>в</strong>ании <strong>в</strong>торого способа регулиро<strong>в</strong>ания<br />
частота работы преобразо<strong>в</strong>ателя<br />
остается постоянной. Регулиро<strong>в</strong>ание мощности<br />
осущест<strong>в</strong>ляется за счет широтно-импульсной<br />
модуляции, при этом <strong>в</strong> паузе импульсо<strong>в</strong><br />
упра<strong>в</strong>ления обеспечи<strong>в</strong>ается закорачи<strong>в</strong>ание диагонали<br />
преобразо<strong>в</strong>ателя. Разно<strong>в</strong>идностью построения<br />
мосто<strong>в</strong>ого преобразо<strong>в</strong>ателя с таким<br />
упра<strong>в</strong>лением я<strong>в</strong>ляется преобразо<strong>в</strong>атель с фазоразностным<br />
регулиро<strong>в</strong>анием (phase-shift<br />
PWM), работа которого подробно рассмотрена<br />
<strong>в</strong> [2]. Режим ZVS при <strong>в</strong>ыключении сило<strong>в</strong>ых<br />
ключей обеспечи<strong>в</strong>ается емкостями, подключенными<br />
параллельно ключам. В одной стойке<br />
преобразо<strong>в</strong>ателя перезаряд этих емкостей<br />
идет за счет энергии, накопленной и <strong>в</strong> дросселе<br />
переменного тока L1 (рис. 3), и <strong>в</strong> <strong>в</strong>ыходном<br />
дросселе преобразо<strong>в</strong>ателя L2. В другой стойке<br />
перезаряд идет практически только за счет<br />
энергии дросселя переменного тока L1. Энергия,<br />
накапли<strong>в</strong>аемая <strong>в</strong> дросселе переменного<br />
тока, значительно меньше энергии <strong>в</strong>ыходного<br />
дросселя. Поэтому при уменьшении тока<br />
нагрузки наступает момент, когда этой энергии<br />
недостаточно для полного перезаряда емкостей<br />
на этапе запирания сило<strong>в</strong>ого ключа.<br />
В этом случае последующее откры<strong>в</strong>ание <strong>в</strong>торого<br />
ключа этой стойки при<strong>в</strong>одит к дозарядке<br />
конденсаторо<strong>в</strong> через этот ключ, <strong>в</strong>ызы<strong>в</strong>ая<br />
динамические потери на <strong>в</strong>ключение. Это ограничи<strong>в</strong>ает<br />
минимальную мощность, при которой<br />
сущест<strong>в</strong>ует режим ZVS. В [3], [4] рассмотрены<br />
несколько разных <strong>в</strong>арианто<strong>в</strong>, поз<strong>в</strong>оляющих<br />
сущест<strong>в</strong>енно расширить диапазон<br />
<strong>в</strong>ыходных мощностей при сохранении режима<br />
ZVS.<br />
В настоящее <strong>в</strong>ремя закончены разработки<br />
транзисторных с<strong>в</strong>арочных ин<strong>в</strong>ерторо<strong>в</strong> на токи<br />
300 и 500 А (<strong>в</strong>ыходная мощность 10 и 20 кВт),<br />
построенных с упра<strong>в</strong>лением по принципу<br />
фазоразностной широтно-импульсной модуляции.<br />
В сило<strong>в</strong>ом преобразо<strong>в</strong>ателе применены оригинальные<br />
схемотехнические решения, поз<strong>в</strong>оли<strong>в</strong>шие<br />
сохранять режим ZVS <strong>в</strong>о <strong>в</strong>сем диапазоне<br />
нагрузок начиная с холостого хода.<br />
Сило<strong>в</strong>ой преобразо<strong>в</strong>атель 500А аппарата <strong>в</strong>ыполнен<br />
на IGBT-модулях. При макетиро<strong>в</strong>ании<br />
были испробо<strong>в</strong>аны как полномосто<strong>в</strong>ые, так<br />
и полумосто<strong>в</strong>ые модули различных произ<strong>в</strong>одителей<br />
(Eupec, Semikron, Microsemi (APT),<br />
Mitsubishi). Про<strong>в</strong>едены исследо<strong>в</strong>ания уменьшения<br />
потерь <strong>в</strong>ыключения для режима ZVS<br />
при использо<strong>в</strong>ании разных типо<strong>в</strong> IGBT-транзисторо<strong>в</strong><br />
для различных значений токо<strong>в</strong> и номинало<strong>в</strong><br />
емкостей, подключенных параллельно<br />
транзистору. Для упра<strong>в</strong>ления сило<strong>в</strong>ыми<br />
модулями применены гото<strong>в</strong>ые драй<strong>в</strong>еры<br />
упра<strong>в</strong>ления фирм Concept и Infineon. IGBT,<br />
<strong>в</strong>ыполненные по разным технологиям (PT,<br />
NPT, LPT и т. д.) и разными произ<strong>в</strong>одителями,<br />
имеют разную эффекти<strong>в</strong>ность при использо<strong>в</strong>ании<br />
режима ZVS при <strong>в</strong>ыключении транзистора<br />
[5]. Особенностью <strong>в</strong>ыключения IGBT<br />
я<strong>в</strong>ляется наличие «х<strong>в</strong>осто<strong>в</strong>ого» тока (“tail” current),<br />
на который может приходиться значительная<br />
доля потерь <strong>в</strong>ыключения (E off ). У некоторых<br />
IGBT наблюдается у<strong>в</strong>еличение <strong>в</strong>ремени<br />
протекания х<strong>в</strong>осто<strong>в</strong>ого тока при<br />
уменьшении скорости нарастания напряжения<br />
коллектор – эмиттер. Это при<strong>в</strong>одит практически<br />
к не<strong>в</strong>озможности точного аналитического<br />
расчета потерь <strong>в</strong>ыключения и требует<br />
прямых измерений мгно<strong>в</strong>енных значений<br />
напряжений и токо<strong>в</strong> транзистора. В [6] при<strong>в</strong>едены<br />
графики за<strong>в</strong>исимости энергии потерь<br />
<strong>в</strong>ыключения IGBT-модуля APTLGF75U120T<br />
для жесткого режима и режима ZVS при <strong>в</strong>ели-<br />
117
Change language