15.4: Програми IGBT

Last updated
Save as PDF

Page ID: 30849

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

IGBT піддаються різноманітним програмам комутації високої потужності. У цьому розділі ми розглянемо чотири з них. Майте на увазі, що силові BJT та силові EMOSFETs також можуть використовуватися для цих додатків, залежно від специфіки дизайну. Загалом, силові електронні МОП-транзистори будуть кращими при використанні високих частот комутації при середніх та низьких потужностях та напругах, тоді як IGBT віддають перевагу при більш високих напругах, струмах та потужностях.

15.4.1: Індукційний нагрів

Хоча теплопровідність - це перший метод, про який зазвичай думають, коли мова йде про нагрівання чогось, може також використовуватися магнітна індукція. Магнітна індукція створює тепло завдяки ефекту Джоуля і може використовуватися для великих промислових процесів, таких як створення металевих сплавів за допомогою індукційної печі, для набагато менших масштабів споживчих застосувань, таких як індуктивна варильна поверхня. Індукційний нагрів ефективний, оскільки сама посудина нагрівається безпосередньо і менше тепла втрачається найближчому оточенню. Також управління нагріванням може бути дуже точним. Основна ідея полягає в створенні швидко мінливого магнітного поля, розміщеного поруч з ємністю, що нагрівається. Якщо ця посудина феромагнітна, в посудині будуть індукуватися вихрові струми, створюючи тепло. Таким чином, якби ми розмістили чавунний горщик у полі, сам горщик нагрівався б, оскільки всередині нього індукуються вихрові струми, нагріваючи тим самим вміст горщика. Тут немає відкритого полум'я або поверхневих нагрівальних елементів. Єдиним мінусом цього процесу є те, що посудина повинна бути виготовлена з феромагнітного матеріалу. Для варильної панелі це означає, що каструлі та сковорідки повинні бути виготовлені із заліза або певних сталевих сплавів. Алюмінієва сотейник або керамічна ємність з цією системою не підійдуть.

Як приклад розглянемо індуктивну варильну панель. Складний дизайн може відрізнятися повним або напівмостовим розташуванням IGBT, але для ілюстративних цілей ми зосередимося на простій односторонній системі, що використовує лише один IGBT.

Система має чотири основні компоненти: випрямляч/EMI фільтр, ланцюг управління/приводу, перемикач IGBT та\(LC\) резонансний підконтур резервуара, який генерує поле. Це проілюстровано на рис\(\PageIndex{1}\).

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Простий індуктивний нагрівач.

Випрямляч виробляє повнохвильовий пульсуючий постійний струм\(C_2\), а пов'язаний конденсатор використовується для мінімізації EMI (електромагнітних перешкод), а також забезпечити зворотний шлях для резервуара. Схема управління виробляє імпульсний ланцюг змінного робочого циклу для приводу затвора IGBT. Чим більше робочий цикл, тим довше включений стан IGBT, і, в кінцевому рахунку, тим більше нагрівання. Між IGBT і випрямленим силовим сигналом знаходиться паралельний резонансний танковий контур, що складається з\(C_1\) і\(L_1\). Індуктор складається з серії петель великокаліберної проводки або мідних труб, вбудованих в варильну поверхню, як правило, під скляним або керамічним верхом. Резонансна частота бака налаштована на частоту керуючого ланцюга імпульсів. Це дозволить максимізувати струм бака і таким чином виробляти більш потужне магнітне поле. Частота перемикання зазвичай розміщується трохи вище діапазону слуху людини, щоб уникнути чутної мікрофоніки. ¹ Значення в діапазоні від 20 кГц до 30 кГц є типовими, і базова частота може змінюватися в міру зміни попиту на тепло. Наприклад, щоб мінімізувати втрати при перемиканні, контрольна частота може починатися з 30 кГц для скромного нагрівання і зменшитися до 20 кГц для максимального нагріву.

З точки зору кухаря немає змін між використанням індуктивної варильної панелі та звичайною електричною варильною панеллю з використанням резистивних нагрівальних елементів: Кухар розміщує каструлю або каструлю на поверхню, під якою лежить котушка. Для них передбачена ручка регулювання рівня тепла для регулювання інтенсивності тепла. На їхню користь, коли вони знімають каструлю або каструлю, сама варильна поверхня буде не такою гарячою, як звичайна варильна панель.

З точки зору дизайнера, ручка регулювання тепла просто змінює робочий цикл керуючого імпульсного ланцюга (а необов'язково - його частоту, як згадувалося раніше). Інші уточнення можуть включати визначення того, чи знаходиться посудина на варильній панелі, і дроселювання зворотного контролю, якщо нічого не виявлено. Нарешті, ще простіша система може вмикати та вимикати IGBT набагато повільнішими темпами (подумайте за секунди), щоб значно зменшити втрати при перемиканні, але це загрожує циклічним нагріванням, якщо використовувані каструлі та сковорідки мають дуже легку конструкцію калібру (тобто їхня постійна теплового часу буде швидшою).

15.4.2: Інверсія від постійного струму до змінного струму

Є багато випадків, коли ми хочемо отримати змінну напругу з існуючої напруги постійного струму. Приклади включають джерело безперебійного живлення (ДБЖ), який би тягнув струм від акумулятора і подавав стандартне живлення змінного струму при порушенні роботи електромережі, а також необхідність експлуатації електронних пристроїв, призначених для будинку у віддаленому місці. Цей процес відомий як інверсія постійного струму до змінного струму.

Найпростіший метод створення змінного струму від постійного струму - просто «подрібнити» постійний струм на потрібній частоті лінії, а потім масштабувати його, тобто подавати постійний струм у простий перемикач IGBT, який буде виробляти квадратну хвилю, а потім подавати квадратну хвилю в трансформатор, щоб прийти до потрібної напруги. Очевидна проблема цієї техніки полягає в тому, що сигнал змінного струму буде не приємною, гладкою синусоїдою, а скоріше, спотвореною квадратною хвилею. На жаль, для багатьох електронних компонентів це стане проблемою для їх ланцюгів живлення. Можливе уточнення передбачає поступове наближення синусоїди, але це все ще не ідеально.

Більш точна схема передбачає синтез синусоїди за допомогою ШІМ. Ми ще рубаємо постійний струм, але тепер дія виконується на більш високій частоті і зі змінним робочим циклом таким чином, що при усередненні виходу ми приходимо до синусоїди. Блок-схема цієї схеми показана на малюнку\(\PageIndex{2}\).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): DC-to-AC інвертор (антипаралельні діоди не показані).

Контролер генерує набір ШІМ-сигналів для керування чотирма IGBT, налаштованими як повний міст. Потім вихід моста подається на збалансований LC-фільтр, який видаляє високочастотні компоненти ШІМ, залишаючи згладжену синусоїду. Цей сигнал можна використовувати як є, або подавати в підвищуючий трансформатор, якщо бажана напруга змінного струму більше, ніж пускова напруга постійного струму. Прикладом цього може бути необхідність харчування пристрою, призначеного для роботи на 120 В змінного струму від номінальної системи 12 В постійного струму, знайденої в автомобілі.

Тут є побічний пункт, гідний згадки. Деякі пристрої виводять сигнали синхронізації з частоти лінії (класичний приклад - електронний будильник/радіо). Це можливо тому, що утиліта виробництва електроенергії контролює цю частоту з великою точністю. Якщо контролер, показаний\(\PageIndex{2}\) на малюнку, не виробляє точну базову частоту, то цей годинник/радіо не вкаже час точно.

15.4.3: Управління двигуном

IGBT можна використовувати для контролю швидкості електродвигунів. Конфігурація схеми управління буде залежати від виду двигуна, яким керується. Простіше кажучи, швидкість двигуна постійного струму регулюється подається на нього напругою: чим вище напруга, тим вище швидкість. На відміну від цього, швидкість двигуна змінного струму залежить від частоти подається джерела (вони пропорційні).

Управління двигуном постійного струму - це проста ситуація. Якщо все, що нам потрібно зробити, це запустити і зупинити двигун, IGBT можна вставити послідовно з двигуном і використовувати як перемикач для розмикання та замикання ланцюга. Будучи твердотільним, IGBT має численні переваги перед механічним вимикачем або реле, включаючи довгострокову надійність і простоту схеми управління. Щоб змінити швидкість, IGBT можна керувати за допомогою ШІМ. Це проілюстровано на рис\(\PageIndex{3}\).

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Управління двигуном постійного струму через IGBT.

\(D_1\)і\(D_2\) є зворотними або тупильними діодами, що використовуються для захисту від індуктивних стрибків струму, викликаних вмиканням та вимиканням струму двигуна. Як зазначалося раніше, деякі IGBT спільно упаковані з антипаралельним діодом (\(D_1\)).

Для зміни швидкості двигуна контролер видає сигнал приводу ШІМ. Чим менше робочий цикл цієї ланцюга імпульсів, тим нижче середнє прикладене напруга до двигуна, а значить, тим повільніше його швидкість. Базова частота ШІМ-сигналу не повинна бути особливо високою в цьому сценарії; кілька сотень герц можуть виявитися достатніми. Це допоможе мінімізувати втрати при перемиканні.

Для двигуна змінного струму ситуація трохи складніше. Один з підходів полягає у використанні методики ШІМ, поясненої в розділі перетворювача постійного струму в змінний струм. Різниця в тому, що джерелом живлення буде не постійний струм, а скоріше, змінний. Отже, нам потрібно було б перетворити джерело живлення змінного струму в більш корисний сигнал, а потім застосувати схему, зображену на малюнку,\(\PageIndex{2}\) для живлення двигуна. Сам контролер потрібно буде бути значно більш досконалим. На малюнку\(\PageIndex{2}\) робочий цикл безперервно змінюється таким чином, що «площа під кривою» наближається до синусоїди. Зрештою, візерунок повториться для наступних циклів синусоїди. Іншими словами, швидкість повторення картини - це період синусоїди. У застосуванні інвертора постійного струму до змінного струму ця швидкість ніколи не змінюється, оскільки нам потрібна постійна вихідна частота (наприклад, 60 Гц). У застосуванні керування двигуном змінного струму такого немає. Цю частоту повторення потрібно регулювати, оскільки саме це контролює швидкість двигуна. Один із способів зробити це - просто збільшити базову частоту ланцюга імпульсів ШІМ. Цей метод простий і прямий, але має недолік у створенні більш перехідних країв за одиницю часу і, отже, має тенденцію до збільшення втрат комутації. Альтернативний підхід полягає в тому, щоб підтримувати постійну базову частоту і замість цього змінювати схему робочого циклу. Це допомагає мінімізувати проблеми з втратами комутації, але має недолік, що вимагає більш складної схеми управління і, можливо, створення більш низької якості синусоїди на більш високих вихідних частотах.

15.4.4: Перетворення постійного струму в постійний струм

Наше остаточне застосування - перетворення постійного струму в постійний струм, тобто отримання нової напруги постійного струму, яка вище, ніж оригінальне джерело, а також здатна до високого вихідного струму (подвійники напруги та триплери можуть бути виготовлені з діодних/конденсаторних решіток, але вони не призначені для доставки високих безперервних струмів). Програми, що вимагають перетворення, включають фотоелектричні системи (тобто об'єднання виходів декількох сонячних панелей та прив'язування їх до енергосистеми) та високопродуктивні автомобільні аудіосистеми. Зокрема, номінальна 12-вольтова автомобільна система живлення недостатня для живлення підсилювача, призначеного для доставки сотень або навіть тисяч ват на сабвуфер. Джерело 12 вольт потрібно буде збільшити, можливо, в десять разів, щоб досягти бажаних вихідних рівнів. ²

Як ми вже бачили, як DC можна перевести в змінний струм через інвертор, можна просто випрямити і відфільтрувати новий змінний струм, виробляючи більш високий рівень постійного струму. Ця схема проілюстрована на рис\(\PageIndex{4}\).

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Перетворення постійного струму в постійний через трансформатор (антипаралельні діоди не показані).

Трансформатор, зображений тут, повинен бути підвищеним різноманіттям, щоб досягти бажаного рівня вихідної напруги. Зверніть увагу, що сторона генерації змінного струму не повинна виробляти особливо приємну синусоїду, а також не повинна бути на звичайній частоті лінії. Насправді збільшення частоти, швидше за все, призведе до зменшення розмірів конденсаторів трансформатора та фільтра.

Зовсім інший підхід полягає у використанні комутаційного регулятора. Комутаційні регулятори використовують систему управління зворотним зв'язком для генерації дуже стабільного вихідної напруги шляхом порівняння його з опорною напругою. Вони можуть бути налаштовані в понижуючих, поступових або інверсійних формах полярності. ³ У цьому випадку ми можемо використовувати форму step-up або boost. Приклад наведено на рис\(\PageIndex{5}\).

Малюнок\(\PageIndex{5a}\): Підвищуючий регулятор перемикання, увімкнений.

Як і в інших представлених до цього часу додатках, IGBT використовується як перемикач. Малюнок\(\PageIndex{5a}\) ілюструє стан IGBT. Під час цієї фази через індуктор проводиться струм\(L\), накопичуючи енергію в пов'язаному магнітному полі. Зворотно зміщений діод Шотткі\(D\), ізолює цю ділянку від вихідної секції, куди\(C\) подається напруга навантаження і струм.

Малюнок\(\PageIndex{5b}\): Підвищуючий регулятор перемикання, вимкнений стан.

Вихідний стан зображено на малюнку\(\PageIndex{5b}\). Під час цієї порції індуктор розряджається і з'являється як джерело. Оскільки це послідовно з вхідною напругою, напруга на виході дорівнюватиме напрузі індуктора плюс вхідна напруга. Також під час цієї фази відбувається перезарядка конденсатора, готового до наступного включеного стану IGBT. Зверніть увагу, що діод Шотткі використовується тут, оскільки він демонструє швидкий час перемикання та низьке падіння напруги вперед. Частоти перемикання для цих ланцюгів, як правило, високі (100 кГц і вище є загальними), оскільки це мінімізує розміри індуктора та конденсатора.

Посилання

¹ Звичайно, він все ще може потрапляти в діапазон слуху вашої собаки, тому не дивуйтеся, якщо ваш бордер-коллі віддає перевагу газовій варильній панелі, щоб зробити бальзамічне зменшення.

² У процесі поточний попит також буде значно збільшений, можливо, за межами можливостей генератора змінного струму автомобіля (який також вимагатиме модернізації), але це ціни, які потрібно заплатити, якщо хочеться дуже високих рівнів звукового тиску в тому, що, можливо, найгірший акустичний середовище, в якій можна слухати музику. Звичайно, слід також визнати, що акт критичного прослуховування та насолоди музикою може бути не сенсом такої вправи.

³ Докладніше про регулятори комутації див. Fiore, J, операційні підсилювачі та лінійні інтегральні схеми: теорія та застосування, інший вільний текст OER.