3 Badanie procesów przejściowych w łączniku tranzystorowym DC

1.    Cel ćwiczenia

Celem niniejszego ćwiczenia jest zapoznanie się z procesami przejściowymi występującymi po wyłączeniu prądu w łącznikach półprzewodnikowych oraz sposoby symulacji takich zjawisk.

2.    Wstęp teoretyczny

Złącza półprzewodnikowe charakteryzują się istotnymi zaletami w stosunku do łączników stykowych. Proces przełączania realizowany jest w nich poprzez zmianę przewodności złączy półprzewodnikowych, a nie, jak to ma miejsce w łącznikach stykowych, poprzez mechaniczne łączenie lub rozdzielanie styków. Podczas wyłączania nie ma problemu z wygaszeniem łuku, a następnie odbudową wytrzymałości elektrycznej kanału połukowego. Po włączeniu nie ma problemu ze zgrzewaniem lub topieniem styków. Niezawodność elementów elektronicznych jest znacznie łatwiejsza do osiągnięcia niż w przypadku skomplikowanych urządzeń mechanicznych, takich jak łączniki stykowe. Charakteryzują się również znacznie większą, praktycznie nieograniczoną, trwałością i szybkością połączenia. Struktura elektroniczna łączników półprzewodnikowych jest silną motywacją do zastępowania ich łącznikami stykowymi wszędzie tam, gdzie jest to możliwe, tj. tam, gdzie maksymalne wartości przepięć i przetężeń nie przekraczają dopuszczalnych wartości dla złącz półprzewodnikowych.

Istotną wadą łączników półprzewodnikowych, która uniemożliwia taką procedurę, jest ich wysoka rezystancja międzyzaciskowa, która przekracza wielkość rezystancji międzyzaciskowej łączników stykowych i prowadzi do zwiększonego uwalniania energii cieplnej podczas przepływu prądu przewodzącego. przełącznik. Ta energia powinna się nie tylko rozproszyć, ale przede wszystkim użtkownik musi za nią zapłacić. Dodatkowo łączniki półprzewodnikowe nie znajdują się w stanie otwartej przerwy galwanicznej w obwodzie i wymagają skomplikowanych środków, aby zabezpieczyć je przed konsekwencjami procesów łączeniowych, na które są bardzo wrażliwe. Łączniki półprzewodnikowe są obecnie instalowane tylko w takich przypadkach, w których zalety ich konstrukcji elektronicznej przeważają nad stratami wynikającymi z ich dużej rezystancji zaciskowej oraz kosztami niezbędnych obwodów i urządzeń dodatkowych.

Przykładem systemu, w którym stosowane są łączniki półprzewodnikowe, jest sieć prądu stałego 3 kV (w Polsce jest to sieć trakcyjna PKP), sieć HVDC (200 – 1100 kV), wzbudzenie generatorów (10 – 30 kV), lub alternatywne źródła energii (od kilku do kilku tysięcy woltów). W tej sieci prąd stały stwarza trudne warunki przełączania dla łączników stykowych ze względu na brak naturalnego przejścia prądu przez wartość zerową. Powoduje to konieczność wymuszenia przejścia prądu przez zero, co przy wysokim napięciu jest niezwykle niewdzięcznym zadaniem. W takich warunkach łączniki stykowe są z powodzeniem zastępowane łącznikami półprzewodnikowymi.

3.    Tranzystory IGBT

Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (IGBT) jest urządzeniem o wysokiej impedancji wejściowej i dużej bipolarnej zdolności przenoszenia prądu. Wielu projektantów postrzega IGBT jako urządzenie z charakterystyką wejściową MOS i bipolarną charakterystyką wyjściową, która jest urządzeniem bipolarnym sterowanym napięciem. Aby wykorzystać zalety zarówno Power MOSFET, jak i BJT, wprowadzono IGBT. Jest to funkcjonalna integracja urządzeń Power MOSFET i BJT w monolitycznej formie. Łączy w sobie najlepsze cechy obu, aby uzyskać optymalną charakterystykę urządzenia.

IGBT nadaje się do wielu zastosowań w energoelektronice, szczególnie w serwonapędach z modulacją szerokości impulsu (PWM) i napędach trójfazowych wymagających wysokiej dynamicznej kontroli zakresu i niskiego poziomu szumów. Może być również używany w zasilaczach bezprzerwowych (UPS), zasilaczach impulsowych (SMPS) i innych obwodach mocy wymagających dużej częstotliwości powtarzania przełączników. IGBT poprawia dynamikę i wydajność oraz zmniejsza poziom słyszalnego hałasu. Równie dobrze nadaje się do obwodów przetworników w trybie rezonansowym. Zoptymalizowany IGBT jest dostępny zarówno dla niskich strat przewodzenia, jak i niskich strat przełączania. Główne zalety IGBT w porównaniu z Power MOSFET i BJT to:

• Charakteryzuje się bardzo niskim spadkiem napięcia w stanie włączenia spowodowanym modulacją przewodności i ma doskonałą gęstość prądu w stanie włączenia. Dzięki temu możliwy jest mniejszy rozmiar wiórów i można obniżyć koszt.
• Niska moc sterująca i prosty obwód napędowy dzięki wejściowej strukturze bramki MOS. Można nim łatwo sterować w porównaniu z urządzeniami sterowanymi prądowo (tyrystor, BJT) w zastosowaniach wysokonapięciowych i wysokoprądowych.
• Ma lepszą zdolność przewodzenia prądu w porównaniu z tranzystorem bipolarnym.

Główną wadą IGBT jest niższa szybkość przełączania niż w przypadku Power MOSFET i wyższa niż w przypadku BJT.

4.    Ćwiczenie laboratoryjne

Schemat ćwiczenia laboratoryjnego pokazano na Rys. 1.

Rys. 1. Schemat ćwiczenia laboratoryjnego

5.    Model symulacyjny

Model Matlab Simulink procesu przełączania z wykorzystaniem IGBT przedstawiono na Rys. 2.

Rys. 2. Model Simulink procesu przełączania z wykorzystaniem IGBT

Model został zbudowany z bloków:

1) ‘Repeating sequence’ – Simulink/Sources

2) DC Voltage Source

3) Kondensator – Series RLC branch

4) Dioda

5) IGBT

6) Obciążenie RL – Series RLC branch

7) Sink block parameters – To workspace

Podczas ćwiczenia na oscyloskopie obserwowane jest zarówno napięcie jak i prąd. Na Rys. 3 pokazano napięcie i prąd w funkcji czasu. Na Rys. 4 za pomocą znaczników pokazano napięcie i prąd w funkcji czasu.

Rys. 3. Przebieg prądu i napięcia w próbie laboratoryjnej

Rys. 4. Przebieg prądu i napięcia w próbie laboratoryjnej ze znacznikami

Na rys. 4 przedstawiono cztery procesy przełączania, które można opisać:

1) Proces Z – załączanie obciążenia

Rys. 5. Równoważny obwód i przepływ prądu podczas włączania

Równanie prądowe dla zerowych warunków początkowych (1).

(1)

Transformata prądowa (2).

(2)

2) Proces A – wyłączenie tranzystora: od odcięcia prądu w tranzystorze do momentu zerowego napięcia przy załączaniu pojemności

Rys. 6. Obwód zastępczy i przepływ prądu podczas wyłączania tranzystora

Równania prądowe i napięciowe (3).

(3)

Dla warunków początkowych i(0) równoważnych dla chwili t_Ae (4).

(4)

Transformata napięciowa (5).

(5)

3) Proces B – rozpraszanie energii magnetycznej: od momentu zerowego napięcia przy włączaniu pojemności (dioda D zaczyna przewodzić) do momentu zakończenia przewodzenia przez diodę D

Rys. 7. Obwód zastępczy i przepływ prądu podczas rozpraszania energii magnetycznej

Równanie prądowe (6).

(6)

I_AE – prąd w indukcyjności na końcu procesu A.

Równanie są ważne do chwili t_Be (7).

(7)

Transformata prądowa (8).

(8)

4) Proces C – rekonstrukcja napięcia źródła na zaciskach złącza: od momentu zakończenia przewodzenia przez diodę D do zaniku składowej na napięciu powrotnym

Rys. 8. Obwód zastępczy i przepływ prądu podczas odtwarzania napięcia źródła na zaciskach złącza

Równanie prądowe dla zerowych warunków początkowych (9).

(9)

Transformata napięciowa (10).

(10)

6.    Program badań

Zespoły laboratoryjne powinny przygotować raport techniczny zawierający:

1. Wprowadzenie teoretyczne – co najmniej 5 artykułów z ostatnich 10 lat na ten temat
2. Odczytanie danych z pomiarów z pliku „01AD.txt” (01AD) i znalezienie przebiegów napięcia i prądu (patrz Załącznik 1). Dostosowanie przebiegów zgodnie z rzeczywistymi wartościami mierzonych wielkości.
3. Przygotowanie modelu Simulink przetestowanego zgodnie z rozdziałem 4 niniejszej instrukcji. Znajdź wartości R, C i L, aby uzyskać takie same przebiegi, jak dla pomiaru.
4. Badanie przebiegów prądu i napięcia dla różnych R, C i L
5. Symulacja obecności lub braku diody – dlaczego jest używana w konfiguracji?
6. Dodatkowe symulacje – w zależności od zespołu
7. Opisanie całego proces przełączania i znalezienie znaczników procesu: Z, A, B, C – zgodnie z rozdziałem 4
8. Podsumowanie i sensowne wnioski

7.    Pytania kontrolne

1) Omówić metody wyłączania prądu stałego.

2) Opisać proces wyłączania prądu stałego przez łącznik półprzewodnikowy.

3) Jaki wpływ na wyłącznie prądu stałego ma indukcyjność?

4) Narysować i opisać przebieg prądu stałego od załączenia do wyłączenia.

5) Czym różni się wyłącznie prądu stałego przez łącznik półprzewodnikowy a stykowy?

ZAŁĄCZNIK 1

% DANE UKŁADU

Un=12; % Źródło napięcia – 12 V DC

Rb=0.17; % Rezystancja bocznika 0.17 Ohm

% DANE POMIAROWE

A=load(’01AD.txt’);

czas=A(:,1);

Ch1=-10*A(:,2); % Prąd

Ch2=A(:,3); % Napięcie