810-Энергет.электроника_УП

Томский межвузовский центр дистанционного образования

А.В. Кобзев, Б.И. Коновалов, В.Д. Семенов

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ

ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

ТОМСК

2010

Федеральное агентство по образованию

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра промышленной электроники

А.В. Кобзев, Б.И. Коновалов, В.Д. Семенов

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ

ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

Рекомендовано Сибирским региональным отделением учебно-методического объединения по образованию

в области энергетики и электротехники для межвузовского использования в качестве учебного пособия

2010

Рецензенты: профессор кафедры «Электропривод и электрооборудование» Томского политехнического университета, д-р техн. наук Аристов А.В.; начальник лаборатории ОАО «НПЦ ″Полюс″», г. Томск, д-р техн. наук Казанцев Ю.М.

Корректор: Осипова Е.А.

Кобзев А.В., Коновалов Б.И., Семенов В.Д.

Энергетическая электроника: Учебное пособие. — Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2010. —

164 с.

Учебное пособие соответствует рабочей программе дисциплины «Энергетическая электроника» для студентов направления 210100 «Электроника и микроэлектроника» и специальности 210106 «Промышленная электроника». Содержит разделы, в которых рассматриваются схемотехника и электромагнитные процессы в устройствах силовой электроники, принцип действия которых основан на использовании полностью управляемых полупроводниковых приборов — транзисторов, работающих в ключевом режиме. Наибольшее внимание уделено таким распространенным в технике устройствам, как непосредственные преобразователи постоянного напряжения и инверторы.

Изложение материала построено таким образом, что вначале подробно рассматривается принцип функционирования схем на идеализированных элементах, а уже затем учитывается влияние реальных параметров основных компонентов.

Предназначено для студентов всех форм обучения с использованием дистанционных образовательных технологий.

♥ Кобзев А.В., Коновалов Б.И., Семенов В.Д., 2010

♥ Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2010

5

1 ВВЕДЕНИЕ

Исторически сложилось так, что все основные достижения микроэлектроники в первую очередь в наибольшей степени способствовали миниатюризации основных функциональных блоков вычислительных и радиотехнических устройств и систем. Однако все эти устройства и системы требуют питания электрической энергией. Кроме того, в любой законченной технической системе процессы передачи сигналов и обработки информации должны завершаться совершением работы. В большинстве случаев работу совершает электрический двигатель, управление которым производится путем изменения параметров подводимой электроэнергии.

Для питания электронных блоков и управления электродвигателями служат устройства преобразовательной техники, или просто преобразователи. Принципы построения этих преобразователей формировались на протяжении многих десятков лет на основании свойств, возможностей и особенностей устройств, пригодных для выполнения соответствующих функций. Основной отличительной чертой таких преобразователей является наличие трансформатора, работающего на стандартной низкой частоте питающей сети переменного тока.

К середине 80-х годов прошлого века сложилось такое положение, что на фоне достижений микроэлектроники преобразователи, построенные на основе общеизвестных, ставших традиционными, принципов с использованием низкочастотных трансформаторов, перестали удовлетворять непрерывно возрастающим требованиям по массе, объему, потерям энергии, металлоемкости, ресурсу, надежности. Объясняется это тем, что традиционные устройства преобразовательной техники достигли потолка, натолкнулись на физические ограничения (например, для уменьшения массы трансформатора при неизменных мощности нагрузки и частоте следовало бы увеличить рабочую индукцию, а она и так уже доведена до индукции насыщения).

Приближение к пределу возможностей преобразователей в их традиционном исполнении можно считать совершенно естественным явлением, свойственным всем направлениям развития техники. В истории техники было много аналогичных примеров: паровая машина в наземном и водном транспорте; поршневой

6

двигатель в авиации; электронная лампа в радиотехнике и автоматике; механические вычислительные устройства и т.д.

Во всех этих случаях на смену устройству, исчерпавшему свои возможности, приходило новое. Такую ситуацию обычно называют сменой поколения технических систем.

Понятие поколения в технике используют для характеристики технико-экономического уровня определенного класса устройств. Как очень характерный можно привести пример с ЭВМ, для которых наиболее важной характеристикой является быстродействие: первое поколение — на электронных лампах — десятки тысяч операций в секунду; второе — на транзисторах — сотни тысяч операций в секунду; третье — на интегральных схемах — миллионы операций в секунду; четвертое — на больших интегральных схемах — десятки и сотни миллионов операций в секунду.

Возможности коренного улучшения характеристик преобразователей электрической энергии связаны с появлением мощных транзисторов, предназначенных для работы в режиме переключения. Однако транзистор и устройства на его основе должны были не приспосабливаться к условиям и догмам, сложившимся за десятилетия, а нужно было искать пути создания устройств и систем, наилучшим образом и наиболее полно использующие свойства транзистора.

Отрасль знаний, связанных с разработкой, изготовлением и практическим применением преобразователей электрической энергии на основе мощных транзисторов, работающих в режиме переключения, получила название энергетической электроники.

С учетом параметров силовых транзисторов энергетическая электроника охватывает диапазон мощностей от десятков ватт до десятков и сотен киловатт.

Миниатюризация устройств и систем энергетической электроники требует совместного решения, по крайней мере, пяти взаимосвязанных проблем: энергетических, структурных, конст- руктивно-технологических, системных и организационных [4].

Энергетические проблемы миниатюризации заключаются в необходимости получения в преобразователе энергии достаточно высокого КПД, чтобы рассеиваемая мощность не требовала поверхности охлаждения, превышающей ту, которая соответствует

7

объему, необходимому для плотного размещения деталей. Но решение здесь может быть найдено в результате определения некоторого оптимума. Проиллюстрируем это на простейшем примере.

Пусть имеется некоторый транзисторный блок, с целью миниатюризации выполненный на бескорпусных транзисторах (они имеют размер в единицы процентов от обычных корпусных транзисторов). Нагрузим транзисторы. В силу малого объема блок начнет перегреваться. Если добавим радиатор, пропадет эффект изъятия корпусов. Таким образом, миниатюризации не получается. Очевидно, нужно повысить КПД блока. Известно, что этого можно достигнуть, разгружая транзисторы, так как у них при этом повышается коэффициент усиления, уменьшается падение напряжения, уменьшаются динамические потери. Для этого надо соединять транзисторы параллельно. До определенных пределов увеличение включенных параллельно транзисторов будет приводить к уменьшению поверхности, но с определенного момента кристаллы бескорпусных транзисторов некуда будет размещать, появится избыточная поверхность. Наличие оптимума КПД и его поиск раскрывают существо энергетических проблем.

Структурные проблемы миниатюризации заключаются в необходимости исключения или уменьшения количества и установленной мощности реактивных элементов, т.е. трансформаторов, дросселей и конденсаторов большой емкости.

Конструтивно-технологические проблемы миниатюризации устройств заключаются в необходимости получения такого минимального суммарного объема элементов, чтобы соответствующая этому объему поверхность корпуса не превышала необходимой для охлаждения при заданных условиях теплообмена.

Эти проблемы решаются применением бескорпусных полупроводниковых приборов, специализированных микросхем управления, микросхем «интеллектуальных» ключей (микросхем транзисторных ключей с встроенными схемами управления, защиты и т.д.), а также использованием специальных методов конструирования, обеспечивающих плотную пространственную «упаковку» элементов, минимальное количество соединительных проводников, многофункциональное использование конструктивных элементов.

8

Системные проблемы миниатюризации имеют два уровня. Первый уровень — это увязка взаимосвязанных и противоречивых трех указанных групп проблем. Второй уровень — это проектирование источника электропитания и потребителя электроэнергии одновременно с учетом взаимного влияния этих объектов друг на друга.

Организационные проблемы миниатюризации заключаются в необходимости определенной перестройки производственных связей для наиболее полного использования возможностей современной электронной техники. Эта перестройка должна обеспечивать два процесса:

•переход от недостаточно эффективного бессистемного применения новых устройств в старых условиях к построению систем, состоящих из комплекса новых устройств с целью максимального уменьшения массы, объема, потерь электроэнергии;

•обеспечение интеграции разработок полупроводниковых приборов и изделий из этих приборов, так как невозможно создать эффективные изделия энергетической электроники на полупроводниковых приборах общего применения.

Решение комплекса энергетических и структурных проблем миниатюризации устройств энергетической электроники состоит во введении промежуточного звена повышенной частоты и создании на этой основе многозвенных структур преобразователей. Принципиальная основа такого пути заключается в том, что электромагнитные элементы улучшают свои удельно-экономические показатели с ростом частоты: масса и объем уменьшаются, КПД растет, индуктивности рассеяния уменьшаются. Физически это основано на следующем.

Пусть трансформатор работает на прямоугольном напряжении. Запишем для этого случая формулу закона электромагнитной индукции:

где W , S — количество витков обмотки и сечение магнитопровода;

U — мгновенное (а одновременно и амплитудное, среднее и эффективное) значение напряжения.

9

Проинтегрируем в указанных пределах выражение (1.2):

Из (1.3) следует, что при неизменных напряжении и амплитуде индукции с увеличением частоты можно уменьшать произведение WS , т.е. уменьшать число витков (массу меди обмоток) и сечение магнитопровода (размера, а следовательно, и массу магнитопровода).

На рис. 1.2 приведены качественные зависимости экономического показателя Э (удельная масса, объем или стоимость), индукции В и КПД (η) от частоты.