А тепер ми поговоримо про елементи, за допомогою яких силові перетворювальні схеми захищаються від небезпечних паразитних індуктивних викидів напруги Ми ще не раз згадаємо про те, що будь-яка схема силового статичного перетворювача електричної енергії вимагає серйозної конструктивної опрацювання, повязаної з компактним розміщенням силових елементів, мінімізацією електричних звязків між ними Чому Давайте згадаємо, що силові транзистори схильні потенційному пробою, і якщо вхідна (коммутируемое) напруга, що подається на силову частину транзистора, легко розрахувати, то з перенапруженнями, виникаючими на паразитних індуктивностях схеми, справа йде набагато гірше Навіть перший (зазвичай – не надто вдалий) досвід проектування статичного перетворювача дозволяє розробнику переконатися в тому, що паразитні викиди напруги – далеко не невинне явище Щоб переконатися в цьому, проведемо невеликі теоретичні викладки Для цього нам буде потрібно обчислити власну індуктивність прямого провідника за формулою:

де I – довжина провідника, см

d – діаметр провідника, см

Ls – Індуктивність провідника, мкГн

Для провідника круглого перерізу діаметром 1 мм і довжиною 2 см власна індуктивність, обчислена за формулою (274), становить 10 .. 12 нГн Багато це чи мало Щоб оцінити вплив цієї індуктивності, розглянемо схему напівмоста з транзисторами IGBT в якості ключових елементів (рис 2714) У цій схемі є паразитні індуктивності шин харчування LJ2 (для простоти будемо вважати «нижню» і «верхню» паразитні індуктивності приблизно однаковими), які при комутації ключових елементів і проходженні комутаційного струму is накопичують енергію Розрахунок величини накопиченої енергії можна виконати за формулою

Сумарний рівень напруги між колектором і емітером силового транзистора визначається з виразу:

Якщо в силовій схемі присутня так звана снабберная ємність С, То накопичена енергія буде переходити з індуктивності в снабберную ємність, заряджаючи її

Рис 2714 До поясненням необхідності наявності снабберних елементів

З формули (276) видно, що за відсутності снабберной ємності сумарний рівень напруги навіть при мінімальному значенні паразитної індуктивності може мати небезпечний рівень У реальних схемах індуктивність Ls може мати достатньо велику величину, до того ж неправильне підключення снабберного конденсатора зведе до нульового очікуваний результат його використання (якщо конденсатор буде підключений довгими проводами або неправильно обраний його тип)

Типовий характер поведінки напруги «колектор-емітер» силових транзисторів при відключенні показаний на рис 2715 З малюнка добре видно, що в моменти комутації виникає значний індуктивний викид напруги, який легко може викликати потенційний пробій силового транзистора

Рис 2715 Характер поведінки напруги «колектор-емітер» за наявності паразитної індуктивності шин харчування

Ефективно захиститися від виникнення подобйих аварійних ситуацій, повязаних з наявністю індуктивних викидів, дозволяють пасивні способи захисту, а саме – установка снабберних ланцюжків безпосередньо на висновки силових елементів Варіанти традиційних снабберних ланцюжків показані на рис 2716 Точками «А», «В», «С» ці ланцюжки підключаються до точок схеми рис 2714

Рис 2716 Варіанти снабберних ланцюжків

Найбільш простим варіантом вважається снаббер на основі неполярного конденсатора з малою власною паразитної індуктивністю (рис 2716, а) Снаббер RC-типу може бути застосований у разі, коли виникають паразитні коливання за рахунок резонансу струмів з індуктивністю підвідних шинопроводів (активний опір вносить необхідне загасання в контур) Варіанти e і г – так звані RCD-ланцюга, які виявляються схемотехнически більш складними, але і більш ефективними, «працюючими» по-різному на різних напівхвилях коливальних процесів Втім, в переважній більшості випадків вдається обійтися саме простими снаббернимі конденсаторами, не ускладнюючи силову схемудругімі можливими рішеннями Як ми вже сказали раніше, снабберние конденсатори повинні встановлюватися в безпосередній близькості від силових висновків ключових модулів Бажана установка таких конденсаторів на кожен силовий модуль, як показано на рис 2717

Рис 2717 Установка снабберних конденсаторів на модулі

Яким чином можна скоротити до мінімальної довжину висновків снабберних конденсаторів На щастя, розробникам немає необхідності ламати голову над цим завданням, так як провідні світові фірми випускають широку номенклатуру таких конденсаторів, кріплення яких вже спроектовано з урахуванням їх кріплення на модулях (рис 2718)

Розглянемо особливості кріплення докладніше, а допоможе нам у цьому рис 2719 Власне, зовнішніх особливостей корпусу снабберний конденсатор не має Інтерес представляють його висновки, які виготовляються у вигляді широких пластин з отворами Міжцентрові відстані розраховані таким чином, щоб конденсатори мали можливість встановлюватися на стандартні модулі Природно, для різних типорозмірів модулів випускаються різні типорозміри снабберних конденсаторів

А тепер ми згадаємо деякі основні параметри типових снабберних конденсаторів: діапазон робочих напруг – 1000 .. 2000 В діапазон номінальних ємностей – 0,1 .. 3,0 мкФ середнє значення ESL – 12 .. 15 нГн стійкість до швидкості зміни напруги – до 900 В / мкс середнє значення ESR – 2,5 .. 5,0 мОм

Для прикладу, не раз вже зустрічалася на сторінках цієї книги фірма «Epcos» випускає снабберние конденсатори серії B32656S, фірма «Evox-Rifa» – конденсатори серій ERA480, фірма «CDE Cornell Dubilier» – конденсатори серії SCD, фірма «Camel technology» – конденсатори серії SND, і т д Типові снаббеерние конденсатори, випущені різними фірмами, в цілому відрізняються по

а

б

Рис 2718 Типове промислове кріплення снабберного конденсатора до

силовому модулю

своїми характеристиками незначно, тому ми їх не будемо розглядати детально

Значно рідше в номенклатурі випуску світових фірм зустрічаються елементи для побудови RCD-снабберов І, тим не менш, такі елементи можна придбати Прикладом таких комбінованих снабберов можуть служити елементи, що випускаються фірмою «CDE Cornell Dubilier» [50] в серії SCD Зовнішній вигляд модуля показаний на рис 2720, а внутрішня схема – на рис 2721 Модулі SCD випускаються двох типів – Р-типу та N-типу Підключення їх у конкретних схемах перетворювачів показано на рис 2722

Тепер поговоримо про струмових викидах в силових схемах статичних перетворювачів електроенергії, повязаних з кінцевим време-

Рис 2720 Зовнішній вигляд RCD-модуля серії SCD

Рис 2721 Внутрішня схема RCD-модуля N-типу і Р-типу

ньому відновлення силових елементів і способи захисту від перевантажень по струму Розглядаючи функціонування полумостовой схем, у навчальній літературі часто вважається, що діоди, шунтуючі силові транзистори, ідеальні за своїми характеристиками, тобто вони миттєво починають проводити електричний струм і миттєво відновлюють свої замикаючі властивості Цю ситуацію, поза всяким сумнівом, ідеалізувати неправильно, так як поведінка реальних діодів в подібному включенні далеко від ідеального випадку Іншими словами, диодам доводиться затрачати деякий час (а значить, і енергію) на включення і відключення Щоб побудувати реальну картину струмових перевантажень, що виникають в полумостовой схемах з так званим «важким перемиканням», для початку розглянемо роботу простою ключовою схеми, що працює на активне навантаження RH, Підключивши це навантаження безпосередньо до стоку транзистора VT, як показано на рис 2723

Рис 2723 До аналізу струмових викидів в силових схемах

Коли транзистор VT знаходиться в стані відсічення, струм в ланцюзі його затвора дорівнює нулю, і напруга «стік-витік» одно вхідному напрузі Utn Це стан схеми відповідає точці «1» на графіку рис 2724 Відкривання транзистора VT означає переміщення з точки «1» графіка в точку «5» по штрихпунктирной лінії, де напруга на відкритому транзисторі стає рівним нулю

Рис 2724 Графік, що відображає комутаційні процеси в схемі з реальним розрядним діодом

Зовсім по-іншому протікають комутаційні процеси в схемі напівмоста з реальними розрядними діодами І відбувається це тому, що всі р-п-переходи реальних діодів при проходженні через них прямого струму накопичують на кордоні областей провідності електричний заряд Тому діод не зможе «закритися» до тих пір, поки всі накопичені носії заряду не зникнуть, не розсмокчуться» На зникнення носіїв витрачається час, який в довідкових даних назвается часом зворотного відновлення (ми вже згадували цей параметр по ходу нашої книги) Таким чином, відкриваючись, транзистор VT повинен «Перехопити» струм навантаження, який до цього моменту проходив через розрядний діод Однак у силу того, що діод VD не може відразу відновити свої замикаючі властивості, струм діода стає рівним різниці струму навантаження і струму силового кола відкривається транзистора

У прямому напрямку падіння напруги на стандартному діоді становить 1 .. 2 В (виняток становлять діоди Шоттки, у яких пряме падіння становить близько 0,6 В), тому витік транзистора виявляється практично підключеним до «спільного» силової схеми Струм в індуктивному елементі не може різко збільшити своє значення, отже, струм силового ланцюга транзистора iD швидко виростає до значення ipk (Лінія «1» – «3» на рис 2724) Добре, якщо транзистор допускає короткочасне протікання значного пікового струму, який у разі використання діода з великим часом зворотного відновлення може в кілька разів перевищувати робочий струм А якщо – ні Тоді транзистор однозначно вийде з ладу Запамятаємо цю обставину

Що відбудеться далі Далі почнеться процес «розсмоктування» носіїв заряду в диодной структурі, струм різко впаде по кривій «3» – «4» – «5» до номінального тривалого значення, що визначається опором навантаження Процес включення діода набагато менш інерційний, тому ми цілком можемо розглядати включающийся діод як безінерційний елемент Включення розрядного діода однозначно відбувається по кривій «5»—«6»—«1»

Щоб знизити піковий струм відновлення діода /рк, А значить і струм в ланцюзі «стік-витік» транзистора, необхідно вибирати для силової схеми зворотні (розрядні) діоди з мінімальним часом зворотного відновлення (peak recovery time) Тоді процес зворотного відновлення буде проходити по лінії «2» – «4», минаючи точку «3» З попередніх розділів ми вже знаємо, що дуже часто розрядні діоди з відмінними динамічними властивостями вбудовуються в корпусу IGBT модулів, тому при виборі конкретного виконання модуля необхідно звертати увагу на динамічні параметри зворотних діодів

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил