Управление силовыми транзисторами
Для управления MOSFET или IGBT лучше всего использовать готовые драйверы. Сегодня производители предлагают широкий выбор специализированных микросхем для DC/DC конверторов, которые можно с успехом применить и для преобразования переменного тока. При выборе драйвера, необходимо помнить, что он должен управлять как минимум двумя транзисторами и поэтому иметь необходимую мощность. Но более серьезной проблемой является организация питания драйверов.
При построении преобразователей по схемам Рисунка 3 потенциалы эмиттеров/истоков транзисторов каждого силового ключа постоянно изменяются, достигая величин нескольких сотен вольт как относительно общего провода, так и друг относительно друга. Поскольку драйвер напрямую подключен к затворам транзисторов, его цепи управления и питания должны быть гальванически развязаны от других цепей.
В качестве драйверов для ключей АС/АС конверторов удобнее всего использовать специализированные оптодрайверы, например, HCPL-3120 компании Agilent с выходным током 2.5 А (Рисунок 4). Это решение требует меньшего количества элементов по сравнению с использованием стандартных драйверов нижнего плеча и высокоскоростных оптопар. Питание HCPL-3120 осуществляется напряжением от 15 В до 18 В, средняя потребляемая мощность одной микросхемы не превышает 0.3 Вт. Питать драйвер напряжением меньше 15 В не рекомендуется, поскольку встроенный монитор питания может блокировать работу прибора.
 |
||
| Рисунок 4. | Схема силового ключа на основе оптодрайвера HCPL-3120. | |
Таким образом, для питания каждого драйвера необходим отдельный изолированный источник. При построении преобразователей, работающих от промышленной сети, питание всего устройства вместе со схемой управления можно обеспечить с помощью многоканального выпрямителя, который обычно строится по схеме Fly-buck. Однако анализ номенклатуры дросселей для подобных источников, например, компании Premier Magnetics, показывает, что количество приборов с числом вторичных обмоток больше двух у них ограничено. К тому же, качество изоляции гарантируется только между первичной и любой вторичной обмоткой, а данные об электрической прочности изоляции между вторичными обмотками, как правило, отсутствуют.
Дополнительным недостатком многоканального источника питания является необходимость обеспечения высокой электрической прочности изоляции на всем пути от блока питания до драйвера. С увеличением числа силовых ключей это негативно сказывается как на сложности устройства, так и на уровне электромагнитных помех.
Наилучшим решением в этом случае является распределенное питание драйверов. При таком подходе схема управления питается от одного источника напряжением от 5 В до 12 В, в качестве которого можно использовать аккумулятор, а непосредственно возле драйвера устанавливается DC/DC конвертор, обеспечивающий каждый драйвер изолированным питанием необходимого напряжения.
 |
||
| Рисунок 5. | Схема модуля питания для двух драйверов. | |
Для распределенного питания драйверов можно использовать промышленные изолированные DC/DC конверторы или изготавливать подобный узел самостоятельно. Один из вариантов DC/DC конвертора с использованием доступных компонентов показан на Рисунках 5 и 6. Такой преобразователь вполне может обеспечить питанием два драйвера, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга.
 |
||
 |
||
| Рисунок 6. | Внешний вид модуля питания для двух драйверов. | |
Трансформатор TV1 намотан на сердечнике P4-EF12.6 с каркасом BH-EF12.6-1-10Q (PHL). Полуобмотки 1–3, 3–5 мотаются одновременно, каждая секция содержит 24 витка провода ПЭТ-155 диаметром 0.1 мм. Обмотки 6–7 и 9–10 содержат по 40 витков того же провода. При изготовлении трансформатора особое внимание необходимо уделить изоляции между обмотками 1–5, 6–7, 9–10, которую можно выполнить с помощью ленты TEA-5K5 шириной 7 мм.
Данный преобразователь не критичен к элементной базе, не требует наладки и адаптации устойчив к аварийным режимам работы, например, к короткому замыканию во вторичных цепях. При необходимости, трансформатор TV1 можно изготовить на основе сердечников от трансформаторов, старых компьютерных блоков питания АТХ. Поскольку площадь сечения этих трансформаторов больше, количество витков можно оставить таким же или пересчитать по методикам расчета трансформатора для преобразователей с выводом средней точки трансформатора.
Контроллер
Спецификой AC/AC конверторов является функционирование с постоянно изменяющимися уровнями входного и выходного напряжения. Для преобразователей промышленной сети условия работы дополнительно усложняются всеми возможными формами помех и нестабильности входного напряжения. Поэтому использование классического метода формирования ШИМ на основе сигнала отрицательной обратной связи постоянного напряжения приведет к тому, что точность и стабильность выходного напряжения будут невелики.
Если высокая точность стабилизации не требуется, например, при создании импульсного ЛАТРа, то схемы управления преобразователями переменного напряжения можно построить на основе ШИМ-контроллеров синхронных DC/DC конверторов, подавая в цепь обратной связи выпрямленное и гальванически развязанное выходное напряжение.
Для точной и быстрой стабилизации, а также обеспечения быстродействующей защиты при аварии, необходимо использовать цифровые контуры управления, способные анализировать каждый цикл преобразования. Такие схемы управления можно построить на основе современных микроконтроллеров, например, STM32 c ядром Cortex M3. При их использовании напряжения на входе и выходе, ток нагрузки, температура транзисторов и другие необходимые параметры оцифровываются с помощью интегрированных АЦП микроконтроллера, и далее программным способом рассчитывается необходимое время включения ключей силовой части.
Практическая проверка
Экспериментальная проверка в лабораторных условиях схем Рисунка 3 показала стопроцентную работоспособность идеи импульсного преобразования переменного тока. В развитие этой технологии был разработан импульсный стабилизатор напряжения промышленной сети с выходным током 41 А (среднеквадратическое значение), который при выходном напряжении 220 В обеспечивает питание нагрузки мощностью до 9 кВА. Стабилизатор имеет массу 13 кг при габаритах 255 × 380 × 170 мм.
 |
||
| Рисунок 7. | Схема импульсного стабилизатора напряжения мощностью 9 кВА. | |
Схема силовой части и внешний вид прототипа устройства показаны на Рисунках 7 и 8. Стабилизатор имеет два силовых канала мощностью 4.5 кВА, работающих в многофазном режиме. При входном напряжении 150 В, выходном – 220 В и токе нагрузки 41 А КПД преобразователя составляет 92%. Устройство может работать с любым видом нагрузки (минимальный коэффициент мощности равен 0), обеспечивает необходимый уровень защиты и, благодаря цифровому контуру управления, имеет время реакции 5 мс, недостижимое в традиционных сервоприводных, релейных или симисторных стабилизаторах.
 |
||
 |
||
| Рисунок 8. | Конструкция импульсного стабилизатора напряжения мощностью 9 кВА. | |
Заключение
АС/АС конверторы на порядок сложнее аналогичных преобразователей постоянного тока. Специфика работы с переменным током, высокие напряжения, особенности нагрузки, аварийные режимы – все это требует от разработчика высокого уровня профессионализма, а порой и интуиции. Поэтому большинство АС/АС конверторов так и остаются на уровне компьютерных моделей или экспериментальных макетов. За пределами данной статьи осталось много вопросов, в числе которых защита силовых транзисторов, особенности работы в многофазном режиме, работа на реактивную нагрузку, электромагнитная совместимость. Только по цифровому контуру управления можно написать книгу среднего размера.
В любом случае начало положено, а все возрастающая потребность в преобразователях для солнечных и ветряных электростанций в прямом смысле слова заставит разработчиков досконально разобраться во всех тонкостях импульсного преобразования электрической энергии.
Список источников
- Кобзев А.В., Лебедев Ю.М., Михайличенко Г.Я., Семенов В.Д., Сидонский И.Б., Тараскин А.В. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием. – Москва: Энергоатомиздат. – 1986 г. – 152 с.
- Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ энергетических процессов в импульсных преобразователях электрической энергии переменного тока // Технология и конструирование в электронной аппаратуре (ТКЭА) – 2015. – №1. – С.22 – 32.
- Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ принципов построения и режимов работы импульсных преобразователей электрической энергии // Практическая силовая электроника. – 2016. – №2 (62). – С.10 – 24.
- Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ электрических и магнитных процессов в дросселях импульсных преобразователей электрической энергии // Технология и конструирование в электронной аппаратуре (ТКЭА) – 2016. – №6. – С.17 – 29.
- Климов В., Климова С. Двунаправленные ключи в матричных структурах преобразователей переменного тока // Силовая электроника. – 2008. – № 4. – С.58–61.
