Основные схемы однофазных непосредственных ШИМ-преобразователей переменного напряжения

Введение

Увеличение количества нелинейных нагрузок вызвало серьезную обеспокоенность по поводу качества электроэнергии и, следовательно, помех, действующих на чувствительные электронные приборы. Некоторые сетевые кондиционеры все еще строятся на тиристорах. Поглощаемые в таких кондиционерах гармоники имеют высокие амплитуды и низкие частоты. Из-за размещения этих гармоник вблизи основной в системе электропитания не рекомендуется использовать пассивные фильтры, к тому же размер, вес и цена пассивных элементов могут быть большими. А потому непосредственные преобразователи переменного напряжения с тиристорами не соответствуют новым стандартам по электромагнитной совместимости (ЭМС), которые ограничивают допустимые помехи в системе электропитания. К тому же реактивная мощность, поглощаемая этими преобразователями, и, как следствие, коэффициент мощности изменяется вместе с углом управления. Данные сетевые кондиционеры имеют низкое быстродействие и нуждаются в больших входных и выходных фильтрах для подавления низких гармоник.

Подключаемые к сети регуляторы переменного напряжения могут быть заменены ШИМ-преобразователями переменного напряжения, которые имеют в целом лучшие характеристики, и указанные выше проблемы удается решить, если эти регуляторы спроектировать для работы в импульсном режиме (chopping mode). В рассматриваемых в статье схемах используется ШИМ-регулирование, когда входное напряжение «нарезается» на сегменты, а действующее значение выходного напряжения определяется относительной длительностью его импульсов.

До 90-х годов XX века ШИМ-преобразователи переменного напряжения строились на четырех­квадрантных ключах, применение которых было приостановлено из-за коммутационных проблем. Для обеспечения безопасной коммутации без перенапряжений были разработаны принципы ШИМ-управления, однако надежность преобразователей зависела от точности управления, и сохранялся высокий риск возникновения перенапряжений и сверхтоков. После 1990 года были созданы различные топологии импульсных преобразователей переменного напряжения с сокращенным числом ключей или со стандартными двухквадрантными коммутационными ячейками. Для повышения надежности преобразователей использовались простые снабберы в виде конденсатора, подключенного параллельно ключам.

В статье описывается принцип работы двух основных схем непосредственных ШИМ-преобразователей переменного напряжения с простым снаббером — конденсатором без разрядных резисторов [3], подключенным непосредственно к силовым ключам для поглощения энергии, накопленной в паразитной индуктивности сети.

Принцип работы основных схем однофазных непосредственных ШИМ-преобразователей переменного напряжения

Принцип работы рассматриваемых ШИМ-преобразователей переменного напряжения аналогичен принципу действия импульсных преобразователей постоянного напряжения [6–9]. Они также могут и понижать, и повышать выходное напряжение относительно входного. Рассмотрим топологию (рис. 1) и схемотехнику (рис. 2) ШИМ-преобразователей переменного напряжения понижающего типа.

Рис. 1. Основные топологии однофазных ШИМ-преобразователей переменного напряжения:
а) дифференциальная;
б) недифференциальная

По режиму питания и способу подключения нагрузки ШИМ-преобразователи переменного напряжения делятся на дифференциальные (рис. 1а) и недифференциальные (рис. 1б). Оба варианта можно реализовать в виде схем, состоящих из двух ячеек коммутации на IGBT-транзисторах — двунаправленных по току и однонаправленных по напряжению. В работе [10] приведен пример использования в качестве ключей МДП-транзисторов.

В дифференциальной схеме (рис. 2а) ключи S₁ и S₂, источник напряжения и нагрузка подключаются последовательно. Помещая ключ S₂ между источником напряжения и ключом S₁, получают недифференциальную схему (рис. 2б). Вторая структура имеет преимущество, поскольку в ней входное и выходное напряжения имеют общий вывод.

Рис. 2. Основные схемы однофазных ШИМ-преобразователей переменного напряжения понижающего типа на IGBT-транзисторах:
а) дифференциальная;
б) недифференциальная

Оба преобразователя имеют одинаковый принцип управления в зависимости от знака сетевого напряжения u_с. Например, когда u_с > 0, ключи S₁ и S_1с управляются инверсными по отношению друг к другу ШИМ-сигналами с относительной длительностью импульсов γ и (1 – γ) соответственно, а ключи S₂ и S_2с все время открыты (рис. 3). Когда u_с< 0, схема переключения транзисторов изменяется на противоположную: ключи S₂ и S_2с становятся комплементарными и управляются ШИМ-сигналами, а ключи S₁ и S_1с постоянно открыты.

Рис. 3. Принцип управления ШИМ-преобразователем
(представлен случай относительной длительности импульсов γ = 0,5)

На выходе этих схем чаще всего стоит LC-фильтр для сглаживания тока и напряжения, поэтому выходной ток на схемах обозначен через i_L. Поскольку два ключа всегда включаются в течение полупериода источника напряжения, потери при переключении значительно уменьшаются.

В понижающих схемах (рис. 2) действующее значение выходного напряжения пропорционально относительной длительности импульсов:

U_вых = γU_с.

Режимы работы непосредственных ШИМ-преобразователей переменного напряжения

В течение одного периода переключения ШИМ-преобразователи переменного напряжения могут работать в одном из трех режимов: активный, свободного хода и обходной (транзитный).

Активный режим

В этом режиме ток дросселя i_L проходит через входные и выходные цепи и обеспечивает выход энергией. Ключи S₁ и S₂ открываются, а ток дросселя i_L проходит через ключ S₁ и диод ключа S₂ при i_L > 0 или через ключ S₂ и диод ключа S₁ при i_L< 0, как показано на рис. 4а.

Рис. 4. Пути протекания тока в различных режимах работы:
а) активный;
б) свободного хода;
в) обходной

Режим свободного хода (freewheeling mode)

Этот режим дополняет активный режим. Во время данного режима ключи S_1с и S_2с включаются и закорачивают выходную цепь, как показано на рис. 4б, и ток дросселя i_L течет в контуре, образованном этими двумя ключами и выходной цепью.

Обходной (транзитный) режим (Bypass mode)

Режим вызван нелинейностью работы силовых устройств. Чтобы избежать проблем с коммутацией во время паузы («мертвого времени»), для такого типа преобразования был предложен специальный принцип управления. В этом режиме для безопасной коммутации включены два дополнительных ключа. Когда входное напряжение u_с > 0, для безопасной коммутации включаются ключи S₂ и S_2с. Во время паузы ток дросселя i_L проходит в положительном направлении через нагрузку, ключ S_2с и диод ключа S_1с. Отрицательный ток дросселя i_L проходит через источник напряжения, ключи S₂ и диод ключа S₁. Таким образом, в обходном режиме всегда существует путь для протекания тока дросселя в любом направлении. Пути тока в этом режиме для u_с > 0 показаны на рис. 4в.

В таблице представлены значения выходного напряжения в зависимости от управления ключами. Основными ограничениями для этого способа управления являются точность и скорость обнаружения перехода через ноль сетевого напряжения.

Выводы

В статье представлены две основные схемы однофазных непосредственных ШИМ-преобразователей переменного напряжения на базе двухквадрантных коммутационных ячеек, а также самый простой принцип управления этими преобразователями, основанный на слежении за знаком сетевого напряжения. Более того, подобным преобразователям не нужны устройства для ограничения тока, которые уменьшают потери. Структуры, основанные на ячейках коммутации с двухквадрантами ключами, более надежны, чем построенные на базе четырехквадрантных ключей. На ключах преобразователя во время коммутаций не возникают импульсы напряжения за счет использования простых снабберов, подключенных непосредственно к каждой коммутационной ячейке. Недифференциальная схема преобразователя переменного тока имеет такую же прочность, что и дифференциальная, но обладает преимуществом связи входа и выхода через общий вывод.

В соответствии со стандартами по ЭМС, устройства с фазовым управлением должны быть заменены современными структурами, например такими, какие представлены в этой статье. ШИМ-преобразователи переменного напряжения обеспечивают квазисинусоидальное напряжение, поэтому они находят применение во многих приложениях. При равной полной мощности ШИМ-преобразователи переменного напряжения дороже, чем трансформаторы, но на их базе можно построить регуляторы действующего значения переменного напряжения с большим КПД и малыми массогабаритными показателями.