CC BY
29
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Айзинов М.М. Анализ и синтез линейных радиотехнических цепей в переходном режиме. М.; Л.: Энергия, 1964. 283 с.
2. Теория автоматического регулирования / Под ред. В.В. Солодовникова. Т. 1,2. М.: Машиностроение, 1985.
3. Сороцкий В.А., Урлапова О.М., Уткин М.А. О выборе количества ступеней в выходном напряжении ключевых генераторов сверхмощных РпДУ
СЫЧ диапазона // Практическая силовая электроника: Науч.-техн. сб. 2004. Вып. 16. С. 36-38.
4. Велихов Е.П., Жачалетдююв Л-А, Собчаков Л А и др. Опыт частотного электромагнитного зондирования земной коры с применением мошной антенны СНЧ-диапазона //Докл. АН. 1994. Т. 338, № 1. С. 106-109.
5. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник / Замятин В.Я., Кондратьев Б.В., Петухов В.М. М.: Радио и связь, 1988. 576 с.
УДК 621.37
В.А. Сороцкий, М.А. Уткин
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОЯЧЕЙКОВЫХ ТИРИСТОРНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ
Проведенный в известных работах [1—3 и др.] анализ многоячейковых тиристорных генераторов (ТГ), применяемыхдля генерирования колебаний повышенной частоты, в основном базируется на представлении тиристора идеальным ключом. Это обусловлено достаточно высокой сложностью аналитических методов расчета ТГ, вследствие чего, в частности, методы расчета, основанные только на допущении об идеальности тиристорных ключей, принято относить к числу точных [4]. Вместестем при работе ТГ на повышенных частотах его характеристики существенным образом зависят от проявления нелинейных и инерционных свойств тиристоров, которые не удается учесть при аналитическом исследовании генератора. Кроме того, для улучшения характеристик генератора в схему ТГ могут вводиться дополнительные нелинейные элементы: насыщающиеся дроссели — для ограничения скорости нарастания тока через тиристор и рекуперационные диоды [2] — для стабилизации режима работы генератора при изменении нагрузки и рабочей частоты. Учёт влияния этих элементов с помощью аналитических методов исследования вкупе с упоминавшимися выше их ограниченными возможностями также сопряжен с серьезными трудностями.
Указанные проблемы в значительной степени могут быть устранены при исследовании рассматриваемых генераторов на цифровых моде-
лях. Подобные модели могут быть разработаны, в частности, на базе универсальных пакетов программ схемотехнического моделирования, таких, как Micro-Cap, DesignLab, MATLAB Simulink и др.
Цель настоящей статьи — рассмотреть особенности построения цифровых моделей многоячейковых ТГ при использовании универсальных пакетов программ, а также исследовать влияние нелинейных свойств тиристоров и перечисленных выше дополнительных нелинейных элементов на основные характеристики генераторов. Разработка моделей ТГ и расчеты их характеристик выполнены вереде Micro-Cap. Рассмотренные подходы к построению цифровой модели ТГ могут быть ис-пользованы и в других универсальных пакетах программ схемотехнического моделирования.
Модель тиристорного ключа
Модель однооперационного тиристора в пакете Micro-Cap представлена макромоделью со следующим списком параметров: VALUE = SCR(IH, IGT, TON, VTMIN, VDRM, DVDT, TQ, Kl, K2). Здесь VALUE- имя модели; ///—токудержания; IGT— ток включения; TON— время включения; VTMIN— минимальное напряжение во включённом состоянии; VDRM — максимааьное повторяющееся импульсное напряжение в закрытом
состоянии; DVDT - максимально допустимая (критическая) скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии; TQ— время выключения; К1 и К2— поправочные коэффициенты соответственно для DVDTw TQ.
Данная макромодель вполне адекватно описывает поведение тиристора при частоте переключения /<10 кГц. Однако на более высоких частотах ее использование может привести к заметной погрешности определения потерь в тиристоре и, как следствие, к погрешности вычисления энергетических характеристик ТГ в целом, поскольку она не учитывает ряд важных свойств реальных приборов. В частности, в приведенном выше описании макромодели не отражен в явном виде один из важнейших параметров, характеризующих работу тиристоров на повышенных частотах — время обратного восстановления tRR. Более того, как показали расчеты с использованием библиотечной макромодели тиристора, значение /yyj, оцениваемое по току, протекающему через прибор, определяется параметром TON.
К числу недостатков библиотечной макромодели тиристора следует отнести и то, что напряжение на включенном тиристоре, задаваемое с помощью параметра VTMIN, полагается неизменным. Другими словами, библиотечная макромодель не позволяет учесть инерционность распространения включенного состояния по площади структуры тиристора [5], которая оказывает существенное влияние на величину остаточного напряжения на приборе. Например, для отечественного тиристора серии ТБЧ153-1 ООО-14, как показывают экспериментальные измерения, процесс распространения включенного состояния по площади прибора занимает до 10 мке, в течение которых напряжение на аноде включенного тиристора изменяется по закону, близкому к экспоненциальному, прежде чем достигнет зна-чения VTMIN. Поэтому, как нетрудно определить, для тиристоров указанного типа при частоте генерируемых колебаний / > 25 кГц длительность интервала распространения включенного состояния, характеризуемого шести — десятикратным превышением эффективного падения напряжения на проводящем приборе по сравнению с VTMIN, составляет не менее половины интервала протекания тока через открытый тиристор, в связи с чем пренебрежение данным эффектом неизбежно приводит к заметной погрешности при расчете КПД генератора.
Таким образом, для того чтобы моделирование многоячейковых ТГ с помощью универсальных пакетов программ приводило к адекватным результатам, библиотечная макромодель тиристора нуждается в определенной корректировке, предполагающей, во-первых, установление связи между параметрами tRR и TON, и, во-вторых, учёт непостоянства напряжения на включённом тиристоре вследствие эффекта распространения проводящего состояния прибора.
Связь параметра ГОУУбиблиотечной макромодели с временем включения и временем обратного восстановления тиристора tRR может бьггь установлена путем имитационного моделирования на компьютерной модели испытательного стенда. При этом определение параметров tg, и tRR следует производить в соответствии с ГОСТ 19138.5-85 и 24461-80 в режиме, заданном в технических условиях (ТУ) на прибор. В качестве примера в таблице представлены результаты вычисления времени включения и времени обратного восстановления tRR, полученные при варьировании параметра TON в макромодели тиристора серии ТБЧ153-1000-14. Измерение времени обратного восстановления проводилось при прямоугольной форме тока анода с амплитудой 1Т- 500 А и параметрах, заданных в ТУ на тиристоры указанного типа: максимальном обратном токе IRRM ~ 80 А, обратном напряжении ¿7ллл/=» —100 В, длительности импульса управления t(; — 5 мкс, длительности импульса тока анода lj = 20 мкс.
Результаты вычисления времени
TON, мкс t„„ мкс IRR, МКС
0,25 0,28 1,0
0,5 0,50 2,0
1,0 0,99 5,0
1,5 1,46 7,6
2,0 1,92 9,9
Из таблицы видно, что отличие по величине времени включения тиристора (быстрая фаза спада напряжения) и параметра TON составляет не более 10 %, а длительность интервала обратного восстановления связана с параметром ТО N соотношением rRR = (4-5)- TON. Соответственно, для того чтобы библиотечная макромодель тиристора обеспечивала время обратного восстановления tRR = 2 мкс, приведенное в ТУ на тиристор серии ТБЧ 153-1000-14, необходимо
задать значение параметра ТО/Ч = 0,5 мкс. При этом если параметр ГО./Ууже использован, остается открытым вопрос, как задать в макромодели требуемое время включения тиристора, ответ на который будет дан ниже.
Учёт процесса распространения включенного состояния по площади прибора в рассмотренной макромодели тиристора можно осуществить включением последовательно с тиристором источника напряжения экспоненциальной формы с заданным значением постоянной времени [2]. Доработанная с учётом указанного эффекта макромодель тиристора представлена на рис. 1.
В этой макромодели медленный экспоненциальный спад напряжения на тиристоре отражается включением источника напряжения управляемого напряжением, которое формируется дифференцирующей цепью С|Л3. Параметры экспоненты выбирают исходя из экспериментальных данных для конкретного типа тиристора. Приведенные на рис. 2 параметры источника дополнительного напряжения получены по осциллограмме процесса установления напряжения при включении тиристора серии ТБЧ153-1000-14.
Дальнейшее усовершенствование макромодели может быть связано с уточнением поведения тиристора при его включении. Необходимый закон изменения напряжения [7], регистрируемого прибором на этапе быстрого спада напряжения в процессе включения, и требуемое значение 1р можно реализовать, например, путём введения второго источника экспоненциального напряжения с требуемой постоянной времени. При синусоидальной форме тока, протека-
Вход запуска источника экспоненциального напряжения
Управляющий вход
Рис. 1. Эквивалентная схема макромодели тиристорного ключа
0.0) 0.06 0.09 0.12 0.1S 0.11 0.21 0.24
•кяТ
Рис. 2. Зависимости потребляемой мощности от tuJT
ющего через прибор, точность определения рассеиваемой в нем на этапе включения мощности будет определяться тем, насколько точно в модели отражен именно закон изменения напряжения. Поэтому предложенный подход следует считать вполне оправданным.
Модель насыщающегося дросселя
Насыщающийся дроссель, нередко называемый еще магнитным ключом (МК), применяют для ограничения скорости нарастания тока че-резтиристор из-за сравнительно медленного распространения включенного состояния по площади прибора [5]. На практике его выполняют в виде проводника, на котором надето требуемое для получения заданного сечения магнитного сердечника число ферритовых колец. Модель насыщающегося дросселя в пакете программ Micro-Cap состоит из двух частей: модели магнитного сердечника и модели катушки индуктивности, намотанной на этом сердечнике.
Минимальный набор параметров, который необходимо задать для описания катушки индуктивности, включает компоненты PART и VALUE, первая из которых обозначает имя элемента, а вторая, в отличие от случая моделирования линейных катушек, обозначает не величину индуктивности, а число витков, содержащихся в обмотке. Для указанной выше конструкции МК VALUE— 1.
В качестве модели магнитного сердечника в программе Micro-Cap используется одна из разновидностей модели Джилса—Атертона, в которой безгистсрезисная кривая намагниченности ферромагнетика изменяется по закону гиперболического котангенса в зависимости от напряженности
магнитного поля Н\6]. В общем случае в модели магнитного сердечника используется восемь параметров, три из которых определяют геометрические размеры магнитопровода, а оставшиеся пять - учитывают магнитные свойства материала. Основным признаком правильности выбора параметров макромодели МК может служить достижение требуемой задержки переключения МК, обмотка которого состоит из одного витка, при известном напряжении на тиристоре в момент его включения и0:
(О
где Д Вм— полное изменение индукции при пере-магничивании магнитопровода; — площадь его сечения.
Цифровая модель генератора
Рассмотренные выше макромодели тирис-торных и магнитных ключей были использованы при разработке цифровой модели (ЦМ) трехъячейковогоТГ [1,2]. Параметры разрядных цепей и сопротивления нагрузки, использованные при моделировании, рассчитаны по методике [ 1 ] исходя из условия получения мощности в нагрузке 100 кВт и реализации на рабочей частоте "гладкого" режима, определяемого из условия равенства нулю производной тока тиристора в момент окончания импульса прямого тока. Выбор "гладкого" режима обусловлен тем, что потери во включаемых параллельно тиристорам демпфирующих КС-цепочках достигают в этом режиме минимального значения.
Полученная ЦМ, по существу, универсальна, поскольку позволяет исследовать влияние на основные характеристики ТГ целого набора эффектов, которые, как уже отмечалось выше, не могут быть учтены при использовании аналитических методов расчета. При этом не требуется видоизменять схему ТГ, достаточно лишь скорректировать значение параметров соответствующих элементов схемы. Так, например, чтобы исключить влияние задержки, вносимой МК, с учетом (1) в его макромодели достаточно положить площадь поперечного сечения магнитопровода равной нулю. Аналогично, если требуется исключить учет инерционности распространения включенного состояния по площади прибора втиристорах и перейти к использованию библиотечной макромодели тиристорного ключа, достаточно устремить к нулю постоянную вре-
мени управляемого источника напряжения Е\ (см. рис. 1) или его коэффициент передачи.
С помощью ЦМ было проведено исследование влияния на основные характеристики ТГ инерционности тиристора, определяемой длительностью интервала времени обратного восстановления. В число исследуемых характеристик ТГ вошли: потребляемая мощность Р0, мощность в нагрузке Рн, электронный КПД генератора г| (потери мощности в разрядных цепях не учитывались), мощности потерь соответственно в ти-ристорном ключе Рт, вдемпфирующей ЛС-цепи Рт и магнитном ключе Т5^, а также максимальный ток тиристора /тах и максимальное напряжение на нём £/тах. Результаты расчетов, выполненных в диапазоне частот 15—90 кГц, представлены на рис. 2—4. Здесь использованы следующие обозначения: кривые, относящиеся к случаю использования библиотечной макромодели тиристорного ключа, обозначены ромбоидальным маркером; кривые, рассчитанные с помощью модифицированной макромодели тиристора, т. е. учитывающие в том числе и медленный экспоненциальный спад напряжения на включенном тиристоре, выделены с помощью маркеров квадратной формы. Наконец, кривые, соответствующие случаю использования модифицированной модели тиристора и магнитных ключей, выделены с помощьютреугольного маркера. Кроме того, для удобства анализа все полученные результаты нормированы к соответствующим значениям, полученным при аналитическом расчете по методике [ 1 ].
Проанализируем полученные результаты. В области сравнительно низких частот (/ЛД/7"< 0,1), где инерционные свойства тиристоров проявля-
Рис. 3. Зависимости мошности потерь в тиристоре и магнитном ключе от 1КК/Т
Рис. 4. Зависимости КПД генератора от 1КК/Т
ются не столь заметно, расчет потребляемой мощности с помощью библиотечной и модифицированной макромоделей дает одинаковые результаты (см. рис. 2). На более высоких частотах (0,1 < 1/щ/Т< 0,3) увеличение остаточного напряжения натиристорных ключах, учитываемое в модифицированной модели, приводит к небольшому, в пределах 3 %, ожидаемому снижению потребляемой мощности. Гораздо важнее здесь обратить внимание на заметный спад потребляемой мощности, наблюдаемый при (м/Т> 0,15 и достигающий 17 %. Причина его появления связана с уменьшением по абсолютной величине начального напряжения на коммутирующей емкости в каждом цикле работы ячеек ТГ вследствие ее разряда током обратного восстановления тиристора [8]. Введение МК в схему ТГ не только увеличивает амплитуду тока тиристоров и, соответственно, потребляемую генератором мощность, но и замедляет ее спад по мере роста отношения гЯЛ/Т(см. рис. 2). Данное обстоятельство также можно объяснить с точки зрения влияния токов обратного восстановления тиристора: М К существенно ограничивает их величину.
Приведенные на рис. 3 зависимости мощности потерь втиристорном ключе, нормированной к номинальной расчетной мощности ТГ, подтверждают актуальность разработки модифицированной макромодели тиристора: пренебрежение эффектом распространения проводящего состояния по структуре тиристора может привести к существенной погрешности. В частности, в случае использования тиристоров серии ТБЧ153-1000-14 мощность потерь в приборе при ¡НК/Т> 0,18 возрастает приблизительно в пять раз по сравнению с тем случаем, когда этим эффектом пренебрегают. Заслуживает внимания и то, что добавление в схему ТГ на-
сыщающихся дросселей не приводит к заметному снижению рассеиваемой в тиристорах мощности (см. рис. 3). Это можно объяснить тем, что МК ограничивает ток на начальном этапе включения тиристора на протяжении всего нескольких микросекунд (как правило, 1—4 мкс). Поэтому основной эффект, создаваемый МК, заключается в ограничении скорости нарастания тока и, как следствие этого, в ограничении мгновенной рассеиваемой мощности в тиристоре на указанном временном интервале. При усреднении рассеиваемой в тиристоре мощности за период вклад МК в уменьшение этого показателя оказывается не столь заметен. Интересно другое обстоятельство, связанное с МК. Как следует из рис. 3 (кривая с маркерами круглой формы), мощность, рассеиваемая в самом МК, включая и шунтирующее его сопротивление, растет достаточно быстро и при /ЛЛ/ 0,24 начинает превалировать над мощностью, рассеиваемой в самом тиристоре. Таким образом, оказывается, что повышение надежности работы тиристоров за счет ограничения скорости нарастания тока в них с помощью МК на повышенных частотах может сопровождаться ухудшением КПД генератора, что и подтверждается зависимостями, приведенными на рис. 4. С помощью этих зависимостей нетрудно оценить, что при повышении параметра 1КЯ/Тв пределах с 0,2 до 0,3 снижение КПД, обусловленное ростом потерь в МК, увеличивается с 3 до 7 %.
Подводя итоги, можно формулировать следующие выводы. Макромодели тиристоров, входящие в состав встроенных библиотек универсальных пакетов программ схемотехнического моделирования, обеспечивают приемлемую точность только в диапазоне сравнительно низких частот, характеризуемых условием гкк/Т< 0,1. Для того чтобы макромодели адекватно отражали свойства реальных приборов в области более высоких частот, их необходимо модифицировать в части более точного учета изменения остаточного напряжения на включенном тиристоре, а также тока обратного восстановления. Несоблюдение первого из условий может привести к заметной ошибке при определении мощности потерь в тиристорных ключах, обусловив заниженные значения. Так, для тиристоров серии ТБЧ 153-1000-14 указанное различие при расчете мощности потерь, как показшти расчеты, может достигать пятикратной величины.
Влияние времени обратного восстановления тиристоров на основные характеристики ТГ начинает заметно проявляться при > 0,15 и связано с ухудшением условий перезаряда емкости коммутирующего контура в каждой ячейке ТГ Применение магнитных ключей с целью ограничения скорости
нарастания тока через тиристор в целом достаточно слабо влияет на общий уровень средней за период мощности потерь в приборах. Однако следует и меть в виду, что при ¡нн/Т > 0,24 потери в магнитных ключах начинают превышать потери в тиристорах и вносить основной вклад в снижение КПД.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Артым А.Д. Ключевые генераторы гармонических колебаний. Л.: Энергия, 1972. 170 с.
2. Бальян Р.Х., Сивере М.А. Тиристорные генераторы и инверторы. Л.: Энергоиздат, 1982. 223 с.
3. Дмитриков В.Ф., Тонкаль В.Е., Островский М.Я. Теория ключевых формирователей гармонических колебаний. Киев: Наукова думка, 1993. 312 с.
4. Мерабишвили П.Ф., Ярошенко Е.М. Нестационарные электромагнитные процессы в системах с вентилями. Кишинев: Штиница, 1980.
208 с.
5. Герлах В. Тиристоры: Пер. с нем. М.: Энер-гоатомиздат, 1985. 328 с.
6. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0. М.: Солон-Р, 2000. 698 с.
7. Дерменжи П.Г., Кузьмин В.А., Крюкова H.H. и др. Расчет силовых полупроводниковых приборов / Под ред. В.А. Кузьмина. М.: Энергия, 1980. 184 с.
8. Сороцкий В.А. Влияние инерционности ти-ристорных ключей на энергетические характеристики многоячейкового генератора // Радиотехника. 2003. № 4. С. 68-70.
Г
