Новая технология управления моментом переключения твердотельных реле

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2014

Michael Kugelman

Power Electronics

Две новые запатентованные схемы управляют резистивной и реактивной нагрузкой в цепи переменного тока с минимальными электромагнитными помехами. Схемы применимы к одно- и многофазному переменному току различной частоты.

Переключение переменного тока было проблемой еще во времена Эдисона, более 125 лет назад. Теперь в твердотельных реле (SSR – Solid State Relay) используется минимизирующая электромагнитные помехи (ЭМП) запатентованная технология коммутации при прохождении переменного напряжения через ноль.

Чтобы увидеть, как работает эта технология, мы должны внимательно рассмотреть методы переключения переменного тока. Полупроводниковые приборы все больше вытесняют электромеханические реле. Полупроводники, используемые в SSR, обычно бывают двух типов: несимметричные и симметричные тиристоры (симисторы), и транзисторы (биполярные, MOSFET, IGBT и т. д.). Тиристоры открываются и остаются открытыми, пока их не выключит нулевой ток, в то время как транзисторы включаются и выключаются в любой момент сигналами управления.

Используемые в SSR тиристоры могут переключать переменный ток, но для этого потребуются два тиристора, соединенных встречно-параллельно для управления токами обоих направлений. Это усложняет задачу выключения тиристора в середине цикла, так как он защелкивает себя во включенном состоянии и должен выключаться принудительно. Кроме того, параллельному объединению тиристоров, необходимому для разделения тока и уменьшения рассеивания тепла, препятствует их свойство увеличения тока с ростом температуры. И, наконец, тиристоры чувствительны к скорости нарастания напряжения сети (dv/dt), и необходимо заботиться о том, чтобы они не включались случайно.

Применение в SSR симисторов сокращает количество элементов, поскольку симистор – это, фактически, два тиристора, включенных встречно-параллельно. Однако симисторы могут быть выключены только в очень узком интервале времени при переходе через ноль, из-за чего в более высокочастотных решениях они используются нечасто. Для предотвращения этого часто используются снабберные цепи, снижающие dv/dt. Симисторы также труднее соединять параллельно, по тем же причинам, что и тиристоры.

В приложениях переменного тока все чаще используются MOSFET, поскольку их легко объединять в параллельные группы, и, таким образом, уменьшать падение напряжение и снижать тепловыделение по сравнению с тиристорами или симисторами. Вдобавок, транзисторы можно включать и выключать в любой момент, и, кроме того, у них нет таких проблем с dv/dt, как у тиристоров и симисторов.

Электромагнитные помехи

Переключение реле в цепях переменного тока генерирует нежелательные ЭМП. Электромеханическое реле может порождать большое количество шума из-за дребезга контактов, поэтому при ограничениях по допустимому уровню помех часто выбирают SSR. Однако при фазовом управлении и SSR могут быть источниками ЭМП.

Каждый раз, когда тиристор переключается в чисто резистивной цепи, ток нагрузки меняется от нуля до значения, ограниченного нагрузкой, менее чем за несколько микросекунд. Это создает бесконечный спектр энергии с амплитудой, обратно пропорциональной частоте. В цепи 60 Гц с двухполупериодным фазовым управлением импульсы этого шума будут повторяться с периодичностью 120 раз в секунду. В случаях, когда фазовое управление используется в домашней технике, это может вызывать раздражение при попадании спектра помех в частотный диапазон вещания AM радио.

ЭМП желательно устранять или, хотя бы, уменьшать. Общепринята технология переключения при нулевом напряжении (ПНН), которая, в идеале, обеспечивает замыкание цепи нагрузки в тот момент, когда напряжение на ней равно нулю, а размыкание – когда ток через нагрузку равен нулю. (Для резистивных нагрузок эти точки совпадают). Такой подход позволяет получать наименьшие из возможных значения di/dt, и гарантирует, что уровень высокочастотных помех будет минимальным. Большинство производимых в настоящее время схем SSR не обнаруживает истинную точку прохождения через ноль, а срабатывает, когда напряжение лежит между 5 В и 12 В. Если требуется низкий уровень ЭМП, особенно при высоком токе нагрузки, диапазон порогов 5 … 12 В может оказаться слишком грубым.

Встречно включенные MOSFET также могут использоваться для управления переменным током. Обычно мощные MOSFET переключают ток одного направления, однако при встречном включении они способны управлять обеими полуволнами переменного напряжения.

Быстро открыть MOSFET в точке ПНН силовой сети для минимизации ЭМП не очень просто. Включение MOSFET обычно происходит не в нуле, отставая от команды управления вследствие присущей MOSFET задержки.

Технология TATTOO

Решить проблему позволяет новая технология управления последовательно соединенными транзисторами с параллельными диодами, использующая преимущества естественной коммутации диодов для получения почти идеальной точки переключения. Этот метод коммутации транзисторов при ПНН называют TATTOO (Technique of Alternate Transistor Turn On and Off – Технология попеременного включения и выключения транзистора). Метод сравнительно нечувствителен к частоте источника питания и может быть адаптирован к многофазным электрическим цепям.

Когда цепь получает команду начать работу, основная схема включает один MOSFET, в то время как другой остается выключенным (в режиме блокировки). Это позволяет току протекать лишь в одном направлении, и не сразу, а только после того, как первая волна напряжения пересечет ноль. Другой MOSFET откроется, когда первая волна сменит полярность, и ток получит возможность течь в противоположном направлении. Подключенные параллельно диоды позволяют току течь до тех пор, пока второй MOSFET не включится полностью, и начнет пропускать ток нагрузки. Это снимает требования строгой привязки момента включения MOSFET к точке пересечения нуля, так как диод, включаясь естественным образом, пропускает через себя ток, пока транзистор не открылся полностью. При отключении тока нагрузки схема работает противоположным образом, также обеспечивая коммутацию во время пересечения нуля.

Рисунок 1.	Состояние ключей K1 и K2 при выключенном SSR.	Рисунок 2.	Когда K2 замкнут, SSR включено. Фаза А положительна, D1 заперт и ток не течет.

Рисунок 1 показывает состояние цепи при выключенных полевых транзисторах (K1 и K2). Диоды заперты в обоих направлениях, поэтому ток в нагрузке (RL) отсутствует. Когда K2 замкнут, (Рисунок 2), SSR включено. Фаза А положительна, D1 заперт и ток не течет. К2 можно включать медленно (за несколько сотен микросекунд). Поскольку запертый диод (D1) не позволит течь току, скорость или точность момента включения К2 здесь некритичны.

Рисунок 3.	Когда фаза A становится отрицательной, ток появляется сразу, начиная с точки ПНН, и течет через К2 и D1.	Рисунок 4.	После того, как K1 закроется окончательно, ток течет преимущественно через K1 и K2 в обоих направлениях в фазе с напряжением питания.

Когда фаза A становится отрицательной (Рисунок 3), ток появляется сразу, начиная с точки ПНН, и течет через К2 и D1. В течение этого первого цикла работы K1 можно включать медленно. На Рисунке 4 показано состояние схемы после того, как K1 закроется окончательно. Ток теперь течет преимущественно через K1 и K2 в обоих направлениях в фазе с напряжением питания. На Рисунке 5 показано состояние элементов схемы при выключенном SSR. Когда фаза А становится положительной, К2 может открываться медленно, а пропускать ток будет D2. Это не прерывает ток до следующего этапа.

Рисунок 5.	Когда SSR выключено, и фаза А становится положительной, К2 может открываться медленно, а пропускать ток будет D2.	Рисунок 6.	Когда фаза A становится отрицательной, K2 открывается, а D2 теперь заперт. Соответственно, ток в нагрузке прекращается, и K1 может быть выключен медленно.

Когда фаза A вновь становится отрицательной (Рисунок 6), K2 открывается, а D2 теперь заперт. Соответственно, ток в нагрузке прекращается, и K1 может быть выключен медленно (например, за несколько сотен микросекунд).

Конечным результатом будет то, что ток в нагрузке появляется и прекращается без каких-либо заметных «ступенек» на участках пересечения с нулем. Еще одним ценным свойством TATTOO является «целочисленное управление», означающее, что в нагрузку подаются только полные периоды напряжения. Это исключительно полезно при работе с нагрузками, чувствительными к магнитному насыщению.

Сравнение резистивной и реактивной нагрузки

В резистивной цепи ток и напряжение находятся в фазе, и никакой проблемы с включением и выключением в точках нулевого напряжения нет, поскольку напряжение и ток равны нулю одновременно. Однако в реактивной цепи ток сдвинут относительно напряжения, поэтому коммутатор должен включаться в точке нулевого напряжения, а выключаться в точке нулевого тока.

Рисунок 7.	Реальная схема TATTOO.

На Рисунке 7 приведена практическая схема, а ее временная диаграмма показана на Рисунке 8. Плавающее питание (V_CC на Рисунке 7) привязано к истокам двух MOSFET, так что любые командные сигналы будут иметь правильные уровни относительно затворов. Диод D1 выпрямляет полуволну переменного тока, протекающего через R1, D2 и внутренний диод FET1. C1 поддерживает уровень V_CC во время противоположной полуволны переменного тока. Номиналы этих компонентов будет варьироваться в зависимости от напряжения переменного тока, частоты и допустимых пульсаций V_CC.

Рисунок 8.	Временная диаграмма схемы TATTOO.

Оптрон IC1 вырабатывает импульсы («POS» и «NEG»), когда фаза A, соответственно, положительна или отрицательна по отношению к фазе В. Эти импульсы появляются на анодах D3 и D4 (на активной нагрузке транзисторов) и подаются на входы синхронизации двух триггеров IC3. Один импульс появляется каждые пол периода переменного напряжения, поэтому триггеры тактируются поочередно, каждый своей полуволной. Пока оптрон IC2 не включен, R2 подтягивает линию данных верхнего триггера к V_SS, и каждый тактовый импульс записывает «0» на выход Q1, сохраняя FET2 закрытым. Поскольку Q1 соединен с входом данных нижнего триггера, FET1 также будет выключен.

Рисунок 9.	Осциллограммы показывают временные соотношения между командой включения ON, напряжением сети и током нагрузки.

Так будет продолжаться до тех пор, пока тумблер S1 выключен. При включении S1 оптрон IC2 открывается, и на входе D верхнего триггера устанавливается сигнал высокого уровня («ON»). Далее появляется импульс «POS», который защелкивает «ON» в триггере, устанавливая Q1 в «1» и открывая FET2. Фаза A в это время положительна, поэтому FET1 закрыт, и ток через нагрузку не потечет. Однако, на выходе Q1 теперь высокий уровень, который подается на вход данных нижнего триггера. На следующей полуволне сетевого напряжения («NEG») «ON» будет защелкнут в нижний триггер, и установит Q2 в «1», открывая FET1. МОП транзистор включится с задержкой, но зато сразу откроется параллельный диод, и то, что FET1 откроется окончательно лишь спустя некоторое время в этом же полупериоде, принципиального значения не имеет. Теперь схема находится в полностью включенном состоянии, а выключение будет происходить в обратном порядке, когда будет выключен основной тумблер. Осциллограммы на Рисунке 9 показывают временные соотношения между командой «ON», напряжением силовой цепи и моментами включения и отключения тока нагрузки. Заметьте, что ток нагрузки включается и выключается в точке ПНН точно по завершении очередного полного периода напряжения переменного тока, прошедшего после команды ON. Также обратите внимание на то, что скачок на линии «ON» не оказывает никакого влияния на ток нагрузки. Эта схема предназначена для работы в однофазной сети, но может быть повторена трижды для трехфазного SSR.

Схема TATTOO с реактивной нагрузкой

Схема на Рисунке 10 похожа на схему TATTOO для резистивной нагрузки. В исходную схему добавлены только IC2 (четыре логических элемента «2И-НЕ»), IC3 (счетверенный ОУ), шунты R7 и R8, делитель напряжения R2, R3 и схема сброса по включению питания R5, C2. Логические сигналы I_NEG и I_POS (и их инверсные значения) вырабатываются сразу, как только начинает течь ток.

Рисунок 10.	Для управления реактивной нагрузкой необходимо добавить четыре логических элемента «2И-НЕ» (IC2), счетверенный операционный усилитель (IC3), делители напряжения R7-R8, R2-R3, R5-C2 и цепь сброса по включению питания.

В начале импульса «ON» схема работает так же, как TATTOO для резистивной нагрузки. Это объясняется тем, что I_POS и I_NEG равны нулю, разрешая прохождение сигналов V_POS и V_NEG через логические элементы «2И-НЕ» на входы синхронизации триггеров, как это было в резистивной схеме TATTOO. Как только через шунты начинает течь ток, операционные усилители вырабатывают логические сигналы I_NEG и I_POS и их инверсии. Эти сигналы запрещают прохождение V_POS и V_NEG, и лишь пропускают сигналы стробирования тока на входы триггеров. Поэтому теперь схема отключит ток в точке его перехода через ноль, а точку ПНН проигнорирует.

Поскольку сигналы токовых шунтов зависят от величины нагрузки, предполагается, что для каждого диапазона тока шунты будут подбираться индивидуально. Безусловно, вместо шунтов при желании можно использовать и другие токоизмерительные устройства, например, датчики Холла. Если ток слишком мал для того, чтобы на шунтах выделилось достаточное напряжение, схема по умолчанию будет работать в обычном режиме (режиме напряжения).

Как отмечалось выше, окно напряжений переключения в точке ПНН у некоторых современных коммерческих SSR чрезмерно широко, чтобы быть приемлемым для более высоких токов нагрузки или более высоких частот. Рисунок 11 иллюстрирует работу обычного коммерческого SSR с ПНН в сравнении с TATTOO. На первой растянутой осциллограмме представлен ток (60 Гц, 115 В), приложенный к нагрузке с использованием схемы TATTOO. Вторая осциллограмма демонстрирует подключение той же нагрузки, но с использованием коммерческого SSR с ПНН.

Рисунок 11.	Такой точности, как от TATTOO, невозможно добиться от других схем ПНН.

На временной диаграмме коммерческого SSR с ПНН виден положительный скачок тока нагрузки, предшествующий приходу первой отрицательной полуволны напряжения. Хотя это отклонение от нулевой точки пересечения и невелико (чуть больше 2.5 В), сигнал в схеме TATTOO, показанный на соседнем графике, в момент включения оказывается гораздо ближе к нулю. Согласно опубликованным техническим характеристикам, максимальная ширина окна ПНН для коммерческих SSR составляет 15 В. При включении схемы TATTOO отсутствует положительный выброс тока, а его изменение происходит плавно. Это может быть важно с точки зрения электромагнитных помех, особенно при высокой частоте коммутируемого переменного тока и высоких токах нагрузки.

На Рисунке 12 показаны формы тока нагрузки для случая, когда частота повышена до 2000 Гц. Два графика позволяют сравнить качество работы TATTOO-SSR с коммерческой SSR с ПНН.

Рисунок 12.	Форма тока нагрузки с частотой 2000 Гц при использовании схемы TATTOO имеет более гладкий характер.

Схема TATTOO может быть легко модифицирована для работы в широком диапазоне частот и напряжений. Многофазная схема TATTOO также является простой модификацией, объединяющей несколько схем (по одной для каждой фазы). В случае коммутации нескольких нагрузок, подключенных к одной фазе, повторять компоненты общие для цепи этой фазы нет необходимости. Таким образом, цепи сигналов «POS», «NEG» и схемы плавающего питания будут общими, что позволит сэкономить компоненты.

Ссылки

1. SCR Manual, Sixth Edition, General Electric.
2. Patent 7,196,435 B2 Handles Just Purely Resistive Loads by Turning the Load On at Zero-Voltage Crossing and Turns It off Also at Zero-Voltage Crossing.
3. Patent 7,196,436 B2 Handles Reactive Loads in General by Turning the Load On at Zero-Voltage Crossing but Turns the Load Off at Zero-Current Crossing.