Силовая электроника №3'2007

Специфические режимы работы силовых диодов и тиристоров в индуктивных цепях

Юрий Болотовский
Георгий Таназлы
Иван Таназлы

В статье рассматриваются специфические режимы работы силовых диодов и тиристоров в индуктивных цепях с прерывистым током и влияние этих режимов на работу некоторых силовых схем.

При эксплуатации тиристорных преобразователей частоты, разработанных во ФГУП НКТБ «Вихрь», на промышленных предприятиях в качестве источников питания систем индукционного нагрева было обнаружено следующее явление. В некоторых режимах работы источников питания, построенных на базе одноячейкового инвертора (рис. 1), непосредственно на выходе силового выпрямителя, выполненного по схеме Ларионова с проходным тиристором, возникали высокочастотные колебания. Они приводили в некоторых случаях к выходу из строя варистора, включенного между входной и выходной шинами силового выпрямителя и используемого в качестве порогового элемента устройства защиты от перенапряжений выпрямителя.

Упрощенный вариант схемы одноячейкового инвертора

В схеме не показаны защитные RC-цепочки, включенные последовательно диоды и тиристоры, варистор и некоторые другие вспомогательные элементы. В [1] рассмотрен анализ процессов, протекающих в данной схеме инвертора при питании от источника с односторонней проводимостью. При этом отмечено, что в режиме малой мощности постоянная составляющая входного тока инвертора сравнима с амплитудой переменной составляющей.

Рассмотрение описанного эффекта появления высокочастотных колебаний на выходе выпрямителя проводилось с помощью модели инвертора, схема которой приведена на рис. 2.

Схема модели одноячейкового тиристорного инвертора

Модель максимально приближена к реальной установке. Применены диоды выпрямителя и обратные диоды типа ДЧ143-800-20, тиристоры инвертора типа ТБ143-630-14 [2]. Система управления имитируется импульсными источниками типа VPULSE, трехфазная сеть — источниками напряжения типа VSIN. Параметры элементов схемы приведены на рис. 2.

На рис. 3 даны осциллограммы (снизу вверх) напряжения на входном выпрямителе, тока через дроссель L1 и тока диода D3 выпрямителя. Характерным для рассматриваемого режима является прерывистый характер тока через дроссель L1.

Осциллограммы (снизу вверх) напряжения на входном выпрямителе, тока через дроссель L1 и тока диода D3 выпрямителя

На рис. 4 приведены те же осциллограммы в диапазоне 1,87...2,03 миллисекунды. На осциллограммах четко видна высокочастотная составляющая на выходе выпрямителя, длительность которой соответствует длительности прерывания входного тока. На рис. 4 видно присутствие высокочастотных колебаний тока через дроссель L1 и диода D3.

Осциллограммы (снизу вверх) напряжения на входном выпрямителе, тока через дроссель L1 и тока диода D3 выпрямителя в диапазоне 1,87...2,03 миллисекунды

Предлагается следующее объяснение данного явления. При выключении диодов выпрямителя в течение времени выключения ток диода меняет знак, становится отрицательным, а потом достаточно резко прерывается за счет процессов в p-n-переходе. Это вызывает появление на индуктивности напряжения, величина которого равняется L(di/dt), приложенного таким образом, чтобы предотвратить прерывание тока диода, что обеспечивает появление периодических колебаний тока. Подтверждением данного объяснения может служить схема, приведенная на рис. 5.

Простейшая схема, демонстрирующая специфические режимы работы диода в индуктивной цепи

Схема состоит из последовательно включенных источника переменного напряжения V1 типа VSIN, диода D1, дросселя L1 и резистора R1. Параметры элементов схемы ясны из рис. 5. На рис. 6 приведены осциллограммы, иллюстрирующие работу схемы.

Осциллограммы напряжения на катоде диода (внизу) и тока через диод (вверху) для диода ДЧ143-800-20 в диапазоне 0...4 миллисекунды

Условия возникновения колебаний, полученных на схеме полной модели (рис. 2) и на схеме (рис. 5), совпадают, поскольку в том и другом случаях воссоздаются аналогичные условия работы диода (на стадии его выключения).

Подтверждением предлагаемого объяснения является работа рассматриваемой простейшей схемы с псевдоидеальным диодом [2], построенным на базе ключа SBreak, который, по сути дела, является кусочно-линейной аппроксимацией реального диода с RON = 1 Ом и ROFF = 1 МОм (по умолчанию). Для исключения проблем, связанных с численной неустойчивостью, переход из RON в ROFF и обратно осуществляется по формулам, приведенным в [3].

Осциллограммы напряжения на катоде диода (внизу) и тока через диод (вверху) для диода ДЧ143-800-20 в диапазоне 1,7...2,1 миллисекунды

На рис. 8 дана простейшая схема, демонстрирующая специфические режимы работы диода в индуктивной цепи, в которой используется псевдоидеальный диод.

Простейшая схема, демонстрирующая специфические режимы работы псевдоидеального диода в индуктивной цепи

Осциллограммы (рис. 9), приведенные для напряжения на катоде псевдоидеального диода (внизу) и тока через псевдоидеальный диод (вверху), показывают качественно другое поведение этого диода по отношению к модели реального диода, учитывающей процессы выключения. Некоторые количественные отличия на интервалах времени, когда не происходит выключения диода для схем, приведенных на рис. 5 и 8, объясняются существенными отличиями статических параметров RON и ROFF для псевдоидеального диода от аналогичных динамических параметров модели диода, применяемой в схеме на рис. 5.

Осциллограммы напряжения на катоде псевдоидеального диода (внизу) и тока через псевдоидеальный диод (вверху)

Применение в простейшей схеме, приведенной на рис. 5, моделей различных диодов показало, что амплитуда и частота высокочастотных колебаний на катоде диода зависит от применяемого типа диода. Это легко объяснимо, поскольку параметры, определяющие процесс выключения у разных типов диодов, существенно отличаются.

В ряде случаев (например, для схемы, приведенной на рис. 1) работа диодов в рассматриваемом режиме нежелательна. Очевидно, что общим приемом, позволяющим избежать такого режима работы, является изменение режимов работы основной схемы или применение дополнительных элементов, которые позволяют исключить уменьшение тока через диоды. Перечислим такие приемы для рассматриваемой схемы.

  1. Увеличение величины входного дросселя L1 c 2 до 6 миллигенри приводит к тому, что ток через дроссель и ток через диод не падают до нуля. Осциллограммы приведены на рис. 10.
  2. Осциллограммы (снизу вверх) напряжения на входном выпрямителе, тока через дроссель L1 и тока диода D3 выпрямителя при L1 = 6м

    Сравнение с осциллограммами, приведенными на рис. 3, показывает, что увеличение дросселя L1 с 2 до 6 миллигенри полностью исключает высокочастотную составляющую напряжения на выходе выпрямителя (нижний луч на осциллограммах рис. 3 и рис. 10).

  3. Замена диодов выпрямителя на диоды с меньшим временем выключения приводит к исчезновению (или уменьшению) высокочастотных колебаний и снижению амплитудного напряжения на выходе выпрямителя, однако выбросы напряжения по сравнению со случаем увеличения величины входного дросселя все равно имеют место. В качестве примера рассмотрим схему, приведенную на рис. 2, в которой диоды входного выпрямителя ДЧ143-800-20 заменены на диоды hfa140nh60r фирмы International Rectifier. Модель диода взята с официального сайта фирмы www.irf.com и имеет вид:
  4. Осциллограммы приведены на рис. 11.

    Осциллограммы (снизу вверх) напряжения на входном выпрямителе и тока через дроссель L1 при использовании диодов hfa140nh60r

    Из сравнения осциллограмм на рис. 3 и 11 видно, что амплитуда напряжения на выпрямителе упала с 2502 до 1518 В и характер высокочастотных колебаний напряжения изменился (частота этих колебаний увеличилась, а «размах» упал).

  5. Подключение емкости параллельно выпрямителю исключает режим прерывистого тока в дросселе L1, что приводит к исключению высокочастотных составляющих и снижению выбросов напряжения на выходе выпрямителя. Выбор емкости необходимо производить по реактивной мощности в кварах. Осциллограммы для величины емкости 10 микрофарад приведены на рис. 12.
  6. Осциллограммы (снизу вверх) напряжения на входном выпрямителе и тока через дроссель L1 при подключении емкости величиной 10 микрофарад параллельно входному выпрямителю
  7. Перевод инвертора в режим работы без протекания прерывистых токов через дроссель L1.

При моделировании выключения тиристоров обнаружены специфические режимы, аналогичные описанным выше для диодов. На рис. 13 приведена простейшая схема, демонстрирующая режимы работы тиристора в индуктивной цепи.

Простейшая схема, демонстрирующая режимы работы тиристора в индуктивной цепи

В данной схеме использовалась модель фирмы Motorola для тиристора ТБ143-630-14. Модель приведена далее.

Из осциллограмм, приведенных на рис. 14 и 15, следует, что специфические режимы, рассматриваемые в данной статье для диодов, характерны и при моделировании тиристоров. При этом характер высокочастотных колебаний изменился, но качественный характер осциллограмм повторяет осциллограммы, приведенные на рис. 6.

Осциллограммы напряжения на катоде тиристора относительно «земли» (внизу), тока через индуктивность (вверху, сплошная) и напряжения источника V1, уменьшенного в 10 раз (вверху, штриховая) в диапазоне 0...4 миллисекунды
Осциллограммы напряжения на катоде тиристора относительно «земли» (внизу), тока через индуктивность (вверху, сплошная) и напряжения источника V1, уменьшенного в 10 раз (вверху, штриховая) в диапазоне 760...900 микросекунд

Таким образом, в данной статье описаны специфические режимы работы диодов и тиристоров в цепях с индуктивной нагрузкой и предложены приемы, позволяющие исключить или ослабить влияние этих режимов на работу систем силовой электроники.

Литература

  1. Иванов А. В., Ройзман П. С., Уржумсков А. М., Узянбаев А. Х., Юнусов Р. Г. Анализ процессов в простом несимметричном инверторе с диодами обратного тока при питании от источника с односторонней проводимостью // Межвузовский научный сборник «Тиристорные преобразователи частоты для индукционного нагрева металлов». № 9. Уфа: УАИ. 1979.
  2. Болотовский Ю. И., Таназлы Г. И. OrCAD. Моделирование. «Поваренная» книга». М.: СОЛОН-Пресс. 2005.
  3. PSpice Reference Guide, Cadence Design System, Inc.
*  *  *

Другие статьи по этой теме



 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо