В представлении большинства людей, занимающихся радиоэлектроникой, два словосочетания «импульсный преобразователь» и «постоянного тока» обычно тесно связаны между собой. Действительно, дешевые, малогабаритные, высокоэффективные импульсные DC/DC конверторы очень популярны в технике, хотя импульсный способ преобразования электрической энергии также активно применяется и в других устройствах: инверторах, выпрямителях, драйверах двигателей и светодиодов, и даже в аудио-усилителях. Но когда необходимо преобразование переменного напряжения промышленной частоты 50 Гц, то из доступных решений вспоминаются или громоздкие низкочастотные трансформаторы, или сложные и малоэффективные устройства с промежуточным звеном постоянного тока.
Конечно, сфера применения АС/АС конверторов пока не так широка, как преобразователей постоянного тока – обычно это регуляторы мощности и стабилизаторы напряжения промышленной сети. Но сейчас бурно развивается альтернативная энергетика, для которой необходимы преобразователи, способные взаимодействовать с единой государственной энергосистемой в сложных и постоянно меняющихся режимах. Поэтому перед разработчиками силовой электроники постепенно встают задачи, требующие глубокого понимания процесса импульсного преобразования электрической энергии, на которые при создании DC/DC конверторов за ненадобностью не обращали внимания.
Основные принципы преобразования переменного тока были описаны еще в 1986 году [1]. Однако в то время элементная база не позволяла собрать преобразователи даже с удовлетворительными характеристиками. АС/АС конверторы того времени могли использоваться либо для лабораторных экспериментов, либо в случаях, когда цена, габариты и потери не имели значения. Сегодня производители электронных компонентов предоставляют широкий выбор MOSFET, IGBT, трансформаторов, дросселей, драйверов, контроллеров и других приборов, с помощью которых можно создать малогабаритный АС/АС конвертор с КПД не хуже 90%.
Первые эксперименты с преобразователями переменного тока показали, что основной проблемой является отсутствие четкого понимания принципов их работы. Известных знаний из области проектирования DC/DC конверторов оказалось недостаточно, поэтому началась работа над созданием обобщенной теории импульсного преобразования электрической энергии, некоторые моменты которой изложены в [2 – 4]. Сегодня уже очевидно, что импульсный способ преобразования еще не раскрыл весь свой потенциал и требует более глубокого изучения.
В этой статье рассмотрены основные особенности разработки импульсных АС/АС конверторов. Изучение этого материала позволит глубже понять сам механизм импульсного преобразования, поскольку он является общим для конверторов всех типов: DC/DC, AC/DC, DC/AC, AC/AC.
Как сделать АС/АС конвертор
АС/АС и DC/DC конверторы, имеют идентичные схемы. Только в АС/АС конверторах необходимо исключить полярные элементы и использовать силовые ключи, которые «…способны находиться или в замкнутом (проводящем), или в разомкнутом (непроводящем) состоянии и обеспечивать протекание или блокировку протекания тока в любом направлении» [4]. Если первое условие интуитивно понятно – нельзя использовать полярные элементы на переменном токе, то второе условие необходимо объяснить более подробно.
Сегодня в качестве силовых ключей из доступной элементной базы можно использовать механические контакты (например, контакты реле), полупроводниковые диоды, биполярные транзисторы, MOSFET и IGBT (Рисунок 1).
 |
||
| Рисунок 1. | Протекание тока в силовых элементах. | |
Диоды, биполярные транзисторы и IGBT пропускают ток только в одном направлении, причем диод – это неуправляемый элемент. Поэтому в качестве самостоятельных ключей АС/АС конверторов эти приборы использовать нельзя. Проводящий канал MOSFET пропускает ток в обоих направлениях, а его сопротивление определяется напряжением между затвором и истоком. Теоретически, MOSFET вполне подходит для преобразования переменного тока. Однако наличие в этих приборах паразитного диода приводит к тому, что для одного из направлений ток невозможно блокировать. Таким образом, единственными элементами, которые можно использовать для ключей АС/АС конвертора, остаются механические контакты. Они могут, как пропускать ток, так и блокировать его протекание в любом направлении. Но механические контакты физически не могут переключаться с высокой частотой, имеют низкую надежность, высокий уровень шума и много других недостатков, из-за которых в современных преобразователях они не применяются.
В результате, ни один из приборов, показанных на Рисунке 1, в качестве полноценного самостоятельного силового ключа АС/АС конвертора использовать нельзя, поэтому в преобразователях переменного напряжения силовые ключи представляет собой комбинацию из нескольких полупроводниковых приборов (Рисунок 2). Аналогичные схемы используются в матричных преобразователях и подробно описаны в [5].
 |
||
| Рисунок 2. | Силовые ключи АС/АС конверторов. | |
Сразу видно, что эти схемы имеют серьезный недостаток – ток протекает минимум через два силовых элемента: диод и транзистор, что негативно сказывается на КПД и стоимости преобразователя. Но, возможно, в будущем появятся более эффективные решения. Например, в [5] упомянуты RB-IGBT и BD-IGBT, но эти приборы по своим характеристикам, доступности и стоимости пока не достигли уровня, достаточного для широкого применения.
 |
||
| Рисунок 3. | Понижающий (а), повышающий (б) и инвертирующий (в) АС/АС конверторы. | |
Из приведенных решений наибольший интерес представляет схема Рисунка 2в, поскольку в ней один драйвер может управлять двумя транзисторами, в качестве которых из-за меньших потерь на управление лучше использовать MOSFET или IGBT. При использовании MOSFET, если падение напряжения на открытом канале меньше прямого напряжения на диоде, ток будет проходить только через каналы транзисторов, а диод в процессе преобразования принимать участия не будет. Для ключей на основе IGBT можно использовать приборы со встроенным антипараллельным диодом. Это позволяет уменьшить количество корпусов и упростить разводку платы, хотя при этом ухудшается охлаждение кристаллов. При выборе IGBT со встроенным диодом необходимо обращать внимание также на тепловое сопротивление переход-корпус диода – оно должно быть соизмеримо с аналогичным сопротивлением транзистора, потому что в некоторых приборах диод может иметь в несколько раз большее тепловое сопротивление, чем транзистор.
Для построения АС/АС конвертора можно взять любую схему DC/DC преобразователя, исключить полярные элементы, а в качестве традиционных транзисторов и диодов использовать управляемые двунаправленные силовые ключи, показанные на Рисунке 2. В качестве примера на Рисунке 3 приведены схемы классических (базовых) АС/АС конверторов понижающего, повышающего и инвертирующего типов. При преобразовании переменного тока они будут выполнять те же функции: понижать, повышать и инвертировать величину входного напряжения.
