Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2009 №12

Силовые преобразовательные устройства. Базовые схемы и классификация

Шрайбер, Деян (Schreiber, Dejan)


В самом общем смысле силовой конвертор — это устройство, осуществляющее управляемую передачу энергии от источника питания к нагрузке. В некоторых случаях нагрузка обладает способностью запасать энергию и возвращать ее в сеть. При таком энергетическом обмене очень важную роль играет эффективность преобразования, которая должна быть как можно выше.

Введение

В недалеком прошлом преобразование энергии производилось с помощью электромеханических устройств. Электромотор преобразовывал электрическую энергию питающей сети в механическую, а она в свою очередь передавалась обратно с помощью генератора. Современные силовые конверторы состоят из полупроводниковых ключей и не имеют вращающихся частей, именно поэтому их называют «статические преобразователи».

Рынок подобных устройств, образовавшийся более 40 лет назад, вызвал появление нового раздела промышленности — силовой электроники. Целью данной работы является классификация силовых преобразовательных устройств по базовым принципам работы. Рассмотрены схемы как известных, традиционных устройств, так и перспективных, созданных на основе новых принципов работы. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки, их знание необходимо техническим специалистам, работающим в этой области. Предполагается, что такой анализ будет полезен не только начинающим, но и опытным разработчикам, находящимся на этапе выбора варианта схемы преобразователя.

Типы источников и нагрузок, основные положения

При использовании одного или нескольких источников энергии для питания нагрузки и обеспечения возможности двунаправленной передачи энергии необходимо учитывать следующие положения:

  1. Существует 2 основных типа источников электрической энергии: напряжения и тока. Таким же образом можно классифицировать и потребителей: нагрузка по напряжению и токовая. Необходимо отметить, что чисто омическая нагрузка может быть отнесена к первому типу в случае, если параллельно ей установлена достаточно большая емкость.
  2. Прямое подключение источника к потребителю возможно только в случае, если они относятся к разным типам.
  3. Соединение источника и нагрузки одного типа возможно только с помощью интерфейсного/согласующего устройства. Положение 1 предполагает, что для каждой схемы, в которой использован источник и потребитель 1 типа, всегда существует эквивалентная токовая схема. Смысл положения 3 состоит в том, что для согласования источника/нагрузки одного вида необходимо использовать некий элемент, изменяющий тип одного из них на противоположный. Это реализуется, например, с помощью индуктивности, включенной последовательно с источником напряжения или нагрузкой. Для преобразования источника тока/токовой нагрузки может быть использован параллельный конденсатор. Таким образом, 3-й постулат определяет необходимость применения «интерфейсного» пассивного элемента, вид которого противоположен виду источника/ потребителя. При этом энергия может передаваться непосредственно от источника к согласующему элементу, а от него — к нагрузке.

Положения 2 и 3 можно пояснить на простейшем примере. Допустим, что обмен энергией должен производиться между двумя разными источниками DC-напря-жения, например батареями 100 и 10 В. Очевидно, соединить их напрямую нельзя, так как при этом возникнет практически неограниченный уравнивающий ток. Скорость его нарастания di/dt также не ограничена, если пренебречь импедансом и индуктивностью цепи. Следовательно, между этими батареями должна быть установлена индуктивность L, которая лимитирует значение di/dt на уровне (U1-U2)/L. Максимальный ток в данной схеме будет определяться временем его протекания dt, а среднее значение напряжения на индуктивности за один цикл коммутации должно быть равно нулю:

Если это равенство не соблюдается, ток IL будет постоянно расти, насыщая индуктор. Аналогичная ситуация произойдет, если мы рассмотрим соединение двух источников тока. Интерфейсным элементом в этом случае является конденсатор С, «поглощающий» разницу между I1 и I2. При этом среднее значение тока конденсатора также должно быть равно 0 за 1 цикл коммутации:

В противном случае емкость будет заряжаться постоянно, а напряжение на конденсаторе расти до бесконечности.

Базовые элементы силовых конверторов

Силовой преобразователь — это устройство, позволяющее соединять n-фазный источник с т-фазной нагрузкой и способное работать при различных частотах и амплитудах сигнала. При этом функции источника и нагрузки могут произвольно меняться. Необходимые элементы для реализации системы на базе источника и нагрузки первого типа показаны на рис. 1. На схеме показаны:

  • n-фазный источник напряжения и m-фазная нагрузка, причем Е'm≠Е''m и ω1≠ ω2;
  • блоки коммутации SM' и SM" (инверторы), подключенные к соответствующим многофазным системам источника и потребителя;
  • индукторы L1-Lm(n)) с одинаковой индуктивностью L.

Рис. 1. Общая схема соединения л-фазного источника и m-фазной нагрузки 1-го типа

Соответствующие элементы для схемы токового типа приведены на рис. 2:

  • n-фазный источник тока и т-фазная токовая нагрузка, причем I'm≠I''m и ω1≠ ω2
  • блоки коммутации SM' и SM" (инверторы), подключенные к соответствующим многофазным системам источника и потребителя;
  • конденсаторы C1-Cm(n) с одинаковой емкостью С.

Рис. 2. Общая схема соединения л-фазного источника и m-фазной нагрузки 2-го типа

Если частота переключения намного больше основной частоты системы, то гармониками высоких порядков, образующимися при коммутации силовых ключей, можно пренебречь.

Основные типы силовых конверторов

Комбинируя базовые элементы и подчиняясь изложенным в статье принципам соединения источников различного вида, мы можем создать несколько базовых типов конверторов, отличающихся схемными решениями и особенностями работы:

  • Положение 1. Наличие дуализма между источниками тока и напряжения предполагает, что всегда существует 2 варианта построения конвертора: один для источника/ нагрузки первого типа (левая часть рис. 3) и другой для блоков второго типа (правая часть рис. 3).
  • Положение 2. Возможность непосредственного соединения источников/нагрузок только разного типа делает необходимым изменение вида источников или нагрузок на противоположный (в случае если они относятся к одному виду). Образованные таким образом конверторы мы определим как устройства, работающие по принципу "а". Очевидно, что существует возможность преобразования как т-фазных систем в правой части рисунка, так и n-фазных — в левой части. Следовательно, принцип "а" может быть в свою очередь подразделен на варианты "а1" и "а2" для схем, работающих с напряжением/током.
  • Положение 3. Использование интерфейсных элементов подразумевает наличие двух дополнительных схем, первой из которых является "b" (рис. 3) с применением индукторов Ln(m)), включенных последовательно с блоками SM. Эти индуктивности служат нагрузкой для источников напряжения и источниками тока для потребителя.

Рис. 3. Варианты соединения источников/нагрузок различного вида

Принцип "b" реализуется при подключении емкости С параллельно инверторам SM' и SM". Конденсатор является нагрузкой по напряжению для токового источника и, в то же время, источником напряжения для токовой нагрузки.

Величины L/n(L/m) и nC(mC), определяющие, соответственно, индуктивность или емкость интерфейсного звена, определяются параметрами L1-Ln(m) или С1п(тт) базовых элементов. Следовательно, среднее значение тока индуктивностей L/n(L/т) будет в n(т) раз выше, чем у «индивидуальных» элементов L^Ln^). Другими словами, L/n(L/m) и nC(тС) могут рассматриваться как параллельное соединение соответствующего количества индукторов/емкостей.

Принцип "с" выполняется при включении индуктора L параллельно инверторам SM' и SM". Сказанное поясняется схемой на рис. 3 для варианта источника/нагрузки по напряжению. Очевидно, что в этом случае одновременная работа мостов SM' и SM" недопустима, поскольку это приведет к прямой связи входной и выходной ЭДС.

Независимая работа инверторов обеспечивается следующим образом: в начальный момент времени t1 мост, подключенный к источнику, передает энергию в индуктор, а второй мост при этом выключен. На следующем интервале (t2) инвертор SM' закрыт, а энергия, запасенная в индукторе, передается в нагрузку через мост SM", таким образом, общая длительность цикла коммутации T = t1+t2.

При токовом источнике принцип "с" реализуется при подключении конденсатора С последовательно с мостами SM' и SM", и в этом случае также необходимо раздельное управление инверторами. На интервале времени t1 включается инвертор SM' таким образом, чтобы емкость С заряжалась через один из его ключей. Остальные источники тока при этом закорочены. В течение этого времени все ключи, соединенные с нагрузкой, должны находиться в проводящем состоянии.

Энергия, запасенная в конденсаторе за время t1, передается в нагрузку в течение второго интервала — t2. Все ключи инвертора SM' проводят ток, при этом транзисторы второго моста позволяют току поступать в одну из нагрузок, оставляя остальных потребителей тока в закороченном состоянии.

Базовые характеристики основных типов конверторов

Описанный выше принцип "а" подразделяется на 2 подвида: "а1" и "а2". Среднее напряжение источника, включенного последовательно с индуктором, всегда будет меньше, чем при его отсутствии, это справедливо как для источников, так и для нагрузок. Ключи инвертора, соединенного с источником и индуктором, могут закорачивать Е на последовательную индуктивность. Это приводит к возрастанию тока L и напряжения Е.

В отношении нагрузки ключи моста играют роль «свободных диодов», поскольку они обеспечивают протекание тока индуктивности даже в те моменты, когда индукторы отключены от схемы. Основное различие в работе схем первого и второго рода с последовательным индуктором и без него состоит в скорости обмена энергией. Источник ЭДС без последовательной индуктивности может изменить направление энергетического потока в течение одного цикла коммутации, а при наличии L столь быстрое изменение направления невозможно.

За время цикла коммутации ток индуктивности должен сначала упасть до нуля, а затем вырасти до нового заданного значения. Попытка изменения направления потока источника, соединенного с индуктором, в первую очередь приводит к изменению уровня запасенной энергии и только после этого — к изменению ее направления.

Большинство силовых преобразователей разработано с использованием положений, относящихся к случаю, когда источник и потребитель работают с напряжением. Принцип "b" обеспечивает непрерывную передачу энергии от источника к нагрузке, причем в каждый момент времени, например, в течение цикла коммутации, они могут меняться местами. Для работы такой системы нужны два независимых контроллера, первый из которых регулирует ток, поступающий от источника в индуктор, а второй управляет выходным инвертором, обеспечивая заданное значение выходного сигнала. Оба контроллера являются регуляторами первого порядка, их задача — стабильное функционирование и быстрый отклик системы.

Принцип "с" — новый, до настоящего времени он практически не использовался в сложных конверторах. Для его реализации необходим независимый контроль альтернативным каналом передачи и приема энергии через интерфейсный модуль. Единственным известным примером применения этого принципа является понижающе-повыша-ющий DC/DC-преобразователь и его токовый эквивалент, например, Cuk-конвертор, названный так в честь его изобретателя Слободана Чука. Основные преимущества данной схемы — это возможность использования трансформатора для регулировки уровня напряжения и гальваническая изоляция на частоте коммутации. Напомним, что Cuk-конвертор является вариантом DC/ DC-преобразователя, выходное напряжение которого может быть больше или меньше входного, а полярность всегда противоположна. В отличие от других подобных устройств, в Cuk-конверторе используется емкостной накопитель энергии.

Возможные реализации силовых преобразователей на основе классификации базовых принципов

Наиболее общая классификация силовых преобразовательных устройств делается на основе их входных и выходных характеристик. На практике DC/DC-конверторы обычно называются чопперами, AC/DC — выпрямителями, DC/AC — инверторами и АС/АС — прямыми преобразователями, или циклоконверторами. Как правило, устройства вида АС/АС строятся с помощью последовательного соединения 2 конверторов (AC/DC+DC/AC).

Все приведенные схемы и некоторые другие могут быть спроектированы с использованием 4 базовых принципов, представленных выше. Как правило, при разработке возможно их применение в упрощенном виде. В следующей главе дается обзор данных устройств, из которого будет видно, что классификация так называемых «базовых» типов конверторов основана на доступных типах полупроводниковых модулей. Ключи, изображенные на структурной схеме в виде контактов с симметричной проводимостью, необходимо заменить реальными полупроводниковыми элементами, проводящими ток только в одном направлении, и их комбинациями:

  1. Диод.
  2. Управляемый однонаправленный ключ (например, транзистор).
  3. Транзистор с антипараллельным диодом.
  4. Управляемый двунаправленный ключ (например, 2 встречно-параллельных транзистора).

Наиболее адекватной, но и самой сложной заменой «структурного ключа» является 4-й вариант, однако применение вариантов 1-3 позволяет существенно упростить схему.

DC/DC-конвертор — чоппер

При разработке простейших типов преобразователей (например, один источник и одна нагрузка DC-типа) можно пользоваться упрощенными базовыми моделями. При замене идеальных ключей полупроводниковыми модулями необходимо обеспечить возможность протекания тока в обоих направлениях. Схема, предназначенная для передачи энергии только в одном направлении, может быть реализована на униполярных ключах. Если же источник и нагрузка в процессе работы меняются местами, то в большинстве случаев для ее создания используются ключи типа С, при этом транзистор проводит ток в одном направлении, а диод — в противоположном.

На рис. 4 показаны базовые принципы реализации одноквадрантного DC/DC-конвер-тора, в котором напряжение и ток источника всегда имеют положительный знак.

Рис. 4. Базовые схемы одноквадрантного DC/DC-конвертора на основе концепций "а" и "b"

Базовые топологии 2-квадрантного DC/DC-конвертора приведены на рис. 5. На первый взгляд представленные схемы кажутся достаточно сложными, однако они отличаются очень хорошими динамическими характеристиками. В устройствах, построенных с применением принципов "а1" или "а2", источник напряжения, не соединенный с последовательной индуктивностью, может изменить направление потока энергии практически мгновенно, в течение 1 рабочего цикла. Как правило, вариант "а1" используется для управления скоростными DC-мото-рами (например, в металлообрабатывающих станках).

Рис. 5. Базовые схемы 2-квадрантного DC/DC-конвертора

Принципы "b" и "с" позволяют обеспечить быстрый обмен функциями между источником и нагрузкой, однако для их реализации требуется более сложная схема с большим количеством компонентов. Гораздо более простой 2-квадрантный преобразователь показан на рис. 6. В отличие от конвертора на рис. 4, он представляет собой «наложение» двух схем, в которых источник и нагрузка расположены, соответственно, слева и справа и наоборот. Ключи здесь не соединены в мост, и ток индуктора (напряжение на конденсаторе) может менять направление, обеспечивая реверс энергетического потока. Это означает, что энергия в интерфейсном блоке сначала должна уменьшиться до нулевого значения, то есть она забирается нагрузкой, которая уже накопила ее в избытке. И только когда процесс закончен, нагрузка может вернуть часть запасенной энергии через интерфейс с помощью обратного тока (напряжения). В конце концов, энергия поступает в источник, который таким образом меняется местами с нагрузкой. Однако очевидно, что динамические характеристики подобных простых устройств не могут обеспечить высокие требования по скорости регулирования.

Рис. 6. Упрощенные схемы 2-квадрантного DC/DC-конвертора

DC/DC-конверторы с гальванической изоляцией

В большинстве DC/DC-преобразовате-лей регулировка выходного напряжения и гальваническая изоляция осуществляются с помощью трансформатора, работающего на частоте коммутации. Архитектура подобных устройств также может быть описана с помощью приведенных выше базовых принципов. Например, в схеме так называемого прямоходового конвертора, являющегося упрощенным вариантом несимметричного Н-моста, применяется принцип "а" для источника напряжения. Обратноходовой конвертор может быть получен при использовании принципа "с" для источника напряжения, а инвертирующий повышающе-понижающий Cuk-конвертор — источника тока. Очевидно, что преобразователь может быть разработан на основе любого из базовых принципов, что будет показано в главе, посвященной схемам DC/AC, по отношению к которым DC/DC-преобразование является упрощенным случаем.

DC/AC-инверторы, AC/DC-выпрямители

Инверторы DC/AC преобразуют напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, подобные схемы очень распространены, например, в приводных применениях. Нагрузка, подключенная к АС-выходу, может быть активной и реактивной, ее характер определяется импедансом ZL. При этом возникает разность фаз между выходным током и напряжением, равная фазному углу импеданса Z = Zejj = |Ζ|*φ. В каждый момент времени выходная мощность конвертора примерно равна входной, если коммутация происходит на частоте намного выше частоты выходного/входного сигнала. Мгновенное значение мощности нагрузки в каждый момент времени определяется произведением мгновенных значений тока и напряжения. Когда это произведение имеет положительное значение, нагрузка рассеивает энергию, когда знак меняется на отрицательный, нагрузка возвращает энергию обратно в источник.

Инвертор DC/AC должен, во-первых, работать с любым типом нагрузки и, во-вторых, быть способен изменять направление потока мощности. При «реверсе» он превращается в выпрямитель (AC/DC), поскольку энергия АС-источника поступает (через обратные диоды) в звено постоянного тока. Таким образом, в данном случае одно и то же устройство работает как инвертор и выпрямитель для различных направлений потока мощности. В принципе любой инвертор может работать как выпрямитель, в то время как неуправляемый AC/DC-конвертор такой обратимостью не обладает.

Поскольку в режиме AC/DC схема не может возвращать энергию в сеть переменного тока, существует возможность использовать упрощенную структурную схему. На рис. 7 показаны возможные реализации однофазного инвертора-выпрямителя/4-квадрант-ного преобразователя, созданные с применением базовых принципов. В левой части рисунка показаны схемы, работающие по напряжению, а в правой — эквивалентные токовые инверторы.

Рис. 7. Базовые схемы однофазного инвертора-выпрямителя/4-квадрантного преобразователя

Принцип "а1" применительно к источнику напряжения дает в данном случае наиболее широко распространенную схему ШИМ-ин-вертора, на основе принципа "а2" строится так называемый инвертор тока.

При использовании положений "b" в этом случае мы получим инвертор, для реализации которого нужно на 50% больше ключей, но который отличается рядом важных преимуществ. Для управления схемой требуется два независимых контроллера, первый из которых управляет транзисторами входного каскада таким образом, чтобы поддерживать ток индуктора на постоянном уровне. Когда оба транзистора открыты, ток возрастает, когда закрыты — уменьшается (энергия индуктора возвращается в источник). Если проводит только один ключ, то величина тока индуктивности остается неизменной (отсутствует обмен энергией).

Второй контроллер, управляющий выходным инвертором, отвечает за форму и амплитуду выходного сигнала. Эта часть системы может работать в следующих режимах:

  1. Выходное напряжение меньше заданного уровня: открываются диагональные ключи, что приводит к его увеличению.
  2. Выходное напряжение выше заданного уровня: открываются диагональные ключи, обеспечивающие уменьшение сигнала, при этом энергия нагрузки трансформируется в энергию индуктора.
  3. Выходное напряжение в заданных пределах: транзисторы одного из полумостов открываются, закорачивая ток индуктора и поддерживая на постоянном уровне энергию в нагрузке.

Преимущества системы:

  • Очень хорошие динамические характеристики управления.
  • Используются регуляторы первого порядка.
  • Источник защищен от перегрузки по току и КЗ.
  • Простое параллельное соединение инверторов с различными мощностными характеристиками, не требуется выравнивание.
  • Безопасная работа транзисторов, нет опасности длительных перегрузок. Недостатки:
  • Сложная аппаратная реализация (на 50% больше транзисторов).
  • Опасность перенапряжения при закрывании выходных транзисторов.
  • Потери при отсутствии нагрузки равны потерям в номинальном режиме (эту проблему можно устранить, только снижая ток в индукторе и ухудшая динамику системы).

Используя принцип "с", можно реализовать интересную схему, работу которой поясняет пример с источником/нагрузкой по напряжению. Период коммутации разбивается на два временных интервала, в течение первого из которых работает входной инвертор, поддерживая ток индуктора и запасенную в ней энергию на постоянном уровне. Как и в предыдущем случае, здесь возможны 3 состояния, когда ток в индуктивности растет, уменьшается или остается неизменным. В течение этого интервала времени все транзисторы выходного инвертора отключены.

Во второй части цикла коммутации выключается входной инвертор, а ключи выходного обеспечивают следующие состояния:

  1. Выходное напряжение меньше заданного уровня: открываются диагональные ключи, что приводит к его увеличению (энергия индуктивности трансформируется в нагрузку).
  2. Выходное напряжение выше заданного уровня: открываются диагональные ключи, обеспечивающие уменьшение сигнала, при этом энергия нагрузки трансформируется в энергию индуктора.
  3. Выходное напряжение в заданных пределах: открываются транзисторы одного из полумостов выходного инвертора или один из транзисторов на DC-входе, при этом ток индуктора не меняется.

Преимущества системы:

  • Изолирующий трансформатор работает на частоте коммутации.
  • По сравнению с предыдущим случаем количество транзисторов уменьшается на 50%.
  • Простые алгоритмы управления при использовании двух независимых регуляторов первого порядка.
  • Высокая стойкость к перегрузке по току и КЗ.
  • Простое параллельное соединение инверторов с различными мощностными характеристиками, не требуется выравнивание.
  • Безопасная работа транзисторов, нет опасности длительных перегрузок. Недостатки:
  • Мощность трансформатора и индуктора в √2 раз выше номинального значения (входная и выходная обмотки проводят ток только половину рабочего цикла).
  • Сердечник трансформатора работает только на половине В-Н характеристики.

Новые схемы на базе принципа "с"

Используя принцип "с", можно получить целую серию специфических схем, многие из которых до настоящего времени на практике не применялись.

Пример: маломощный инвертор

На рис. 8 показаны схемы, которые могут быть использованы для разработки однофазного инвертора (выпрямителя) мощностью до 5 кВА при входном напряжении до 48 В DC. Преимуществом приведенной топологии является низкий уровень потерь за счет применения только одного входного ключа. Во вторичном каскаде возможно использование 2 или 4 транзисторов. При этом частота коммутации обмоток трансформатора может достигать 10 кГц, при условии, что за каждый цикл коммутации время включения входного транзистора превышает время выключения.

Рис. 8. Однофазный маломощный инвертор на базе принципа "с"

Конденсатор С, подключенный параллельно выходу, способствует снижению реактивной составляющей нагрузки. Кроме того, он работает как выходной фильтр, подавляя гармоники высоких порядков в выходном напряжении. Величина С зависит от частоты коммутации, номинальной мощности инвертора и требований по коэффициенту нелинейных искажений (THD).

Пример: инвертор средней мощности

Однофазный инвертор (выпрямитель) мощностью 5-20 кВА при напряжении питания 600 В DC может быть построен по схеме, показанной на рис. 9. На рис. 10 приведена топология несколько более мощного преобразователя (10-40 кВА) с таким же напряжением на шине питания. В схеме используется параллельное соединение двух конверторов, получающих энергию от одного источника в течение двух разных полупериодов рабочего цикла. В результате этого создается непрерывный поток энергии от источника к преобразователю и от него к нагрузке.

Рис. 9. Однофазный инвертор средней мощности на базе принципа "с"

Рис. 10. Однофазный инвертор средней мощности на базе принципа "с"

Пример: инвертор сварочного аппарата

Сварочные аппараты могут работать на постоянном токе, на «смеси» постоянного и импульсного тока, а также на переменном токе, образованном прямоугольными импульсами частотой 20-200 Гц с регулируемым коэффициентом заполнения (диапазон регулирования 10-90%). Устройство, способное обеспечить все указанные режимы работы и использующее высокочастотный трансформатор, может быть спроектировано по схеме, приведенной на рис. 11а.

Рис. 11. Инвертор сварочного аппарата на базе принципа "с"

Конденсатор С,, установленный на входе, как правило, достаточно мал, так как он используется для фильтрации размагничивающих токов и поэтому может быть подключен непосредственно на DC-шину без индуктивности Ld. Диапазон мощностей показанного конвертора может быть увеличен примерно на 50% с помощью схемы на рис. 11б. Если к вторичной обмотке трансформатора добавить некоторое количество витков и установить два дополнительных тиристора — Th1A, Th2A, включающихся, если ток падает до определенного значения, то в этом случае можно использовать весь диапазон коэффициента заполнения для регулировки выходного напряжения.

Заключение

Предлагаемая классификация базовых принципов построения силовых преобразовательных устройств является отражением стремления компании SEMIKRON предлагать своим клиентам не только гамму силовых модулей, но и оказывать максимально возможную помощь при разработке. Все новые схемы, предложенные в данной статье и не используемые ранее в промышленности, защищены патентами.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке