|
| |
|
Главная Журналы Рассмотрим вопрос применения фильтра с точки зрения эксплуатационных факторов электромобиля. Среднестатистические графики движения электромобилей нормируются различными стандартами, например saej 227а, где циклы а, в, с, д отличаются относительным временем импульсного регулирования, т. е. временем работы преобразователя в импульсном режиме относительно всего времени движения машины: = tjt. Здесь t - время работы преобразователя при 1 > Y > 0; Гц - время движения электромобиля между остановками. Наиболее эс})фективно применение фильтрации тока батареи для жестких графиков движения, когда относительное время импульсного регулирования достаточно велико. В этих условиях применение транзисторных преобразователей дает существенное увеличение энергетической эффективности прн оптимальном выборе рабочей частоты и параметров сглаживающего фильтра, например, в электромобилях, предназначенных для почтовых перевозок с частыми остановками, электрокарах, электропогрузчиках и др. Сравнение тепловых потерь, обусловленных статическими и динамическими процессами в тиристорных и транзисторных преобразователях, подтверждает рациональность применения последних, так как [юнытка увеличения рабочей частоты тиристорных преобразователей выше двух килогерц приводит к резкому увеличению тепловыделення и ненозможности обеспечения эс}х}зективного отвода теплоты. Фильтрация токовых пульсаций аккумуляторной батаре[1 на этих частотах (и ниже) ведет к значительному повышению массы сглаж11вающи.\ конденсаторов. Выполнение транзисторных преобразователей с применением МГСР и гибридной интегральной технологии позволяет осуществить разработку э(}х)ективиых совмещенных конструкций, когда роль теплоотвода выполняет какая-либо конструкционная деталь транспортного средства, например рама электротележки. Одним из положительных качеств, говорящих в пользу применения транзисторных преобразователей является снижение или отсутствие акустических шумов при высокочастотной коммутации. Это вызвано тем, что акустические шумы на частотах выше 6-8 кГц легко устраняются с помощью тонких перегородок - экранов. Практика показала, что при работе транзисторного преобразователя с частотой 10 кГц акустические шумы обусловлены работой механических редукторов машины и трением шин о дорожное покрытие. При проектировании необходимо учитывать такие особенности транзисторных ключей, как необходимость ограничения предельных значений dt/dtj жесткие требования к быстро-   действию токовой защиты и защиты по мгновенной мощности, обеспечение равномерных статических и динамических токо-распределений. 2. Силовой транзисторный ключ Наиболее важной частью, существенно влияющей на надежность и эффективную работу импульсного преобразователя, является силовой транзисторный ключ (СТК). Важное место при этом занимают потери в силовом ключе и надежность его работы. Известно, что потери в силовых транзисторах состоят из статических, не зависящих от частоты управления, и динамических, пропорциональных частоте переключения. Статические потери в транзисторах импульсных преобразователей состоят из потерь в режимах насыщения и отсечки ток базы и падение напряжения на переходе ток транзистора; выходное сопротивление транзистора; uo - оста- где /б.н и u6.u база - эмиттер в режиме насыщения; /тр 7? вых точное напряжение; /«.о - обратный ток коллектора. Для мощных высоковольтных высокочастотных транзисторов на современном уровне развития полупроводниковой технологии тепловые потери на одной кристаллической структуре могут составлять доли вольта [50 . Динамические потери у таких транзисторов при работе на активно-индуктивную нагрузку при линейной аппроксимации положительного и отрицательного фронтов коллекторного то-ка определяются выражением (/к.мин! + /к.максЛо)» (5.5) где /к.мин Н /к.какс - КОЛЛСКТОрНЫЙ ТОК В момснты включс- ния и выключения транзистора; /oi и - Д-нтельности переднего и заднего фронтов напряжения. Современные биполярные высокочастотные кремниевые транзисторы характеризуются относительно малыми фронтами переключения, составляющими единицы и-доли микросекунд. При этом, высокие скорости переключения могут вызвать вторичный пробой структуры, вероятность которого увеличивается для высоковольтных транзисторов. Вторичный пробой является специфической особенностью транзисторов, связанной с возможностью неустойчивости однородного распределения плотности тока и температуры при начальных возмущениях; случайных локальных приращениях температуры или плотности тока; наличия дефектов кристаллической решетки. Высокие значения плотностей тока при переходе из выключенного состояния в насыщенное и обратно могут привести к возникновению условий тепловой поперечной неустойчивости, в результате чего происходит скачкообразный переход из однородного в неоднородное распределение температуры и плотности тока. Возникшее, так называемое, «шнурование тока» при определенных условиях приводит к локальному тепловому пробою и выходу из строя кристаллической структуры. Возможность появления шнурования тока зависит от электрофизических параметров, геометрии, структуры, приложенного напряжения и температуры кристалла. Вторичным пробоем определяется область безопасной работы транзистора на интервалах нарастания и спада тока коллектора, т. е. траектория прохождения рабочей точки транзистора через активную область. Особенно вероятен вторичный пробой при работе транзисторного ключа на активно-индуктивную нагрузку, шунтированную диодом. Для пред-отвраи1.ения вторичного пробоя применяются различные схемотехнические решения, специальные демпфирующие цепи, также быстродействующая электронная защита по мгновенной мощности. Следует отметить, что на интервалах выключения вследствие выбросов напряжения коллектор-эмиттер возможен пробой транзистора из-за паразитной индуктивности монтажных HJHH, Этот вид пробоя предотвращается различными мероприятиями: ограннзацнонными - введением коэф1})ициента запаса гю напряжению; схемными - введением стабилитронов и демпфирующих цепей; конструктивными - вьпюлпе- нием монтажных шин минимально возможной длины, компенсацией индуктивности отдельных участков этих шин, рациональным рассюложением их в пространстве, размещением конденсаторов силовых фильтров (или их части) на возможно более близком расстоянии к транзисторному ключу. При параллельном соединении транзисторов необходимо обеспечить равномерное токораспределение. В работе [40 отмечается, что в случае параллельного включения транзисторов в СТК токораспределение при отпирании транзисторов осуществляется достаточно равномерно и обычно не вызывает опасных явлений, так как транзисторы находятся в активной зоне и токи распределяются пропорционально комплексной крутизне их характеристик. В работах [23, 82] показано, что разбивка транзисторов на группы по значению t/.s. - U, в граничном состоянии при заданном коллекторном токе позволяет достичь достаточно равномерного статического токо-распределения. В то же время уменьшение коллекторных то- ков при запирании транзисторов происходит неодновременно, что увеличивает вероятность выхода части параллельно включенных транзисторов из области безопасной работы и создает предпосылки для возникновения вторичного пробоя. На практике применяются схемы параллельного включения транзисторов с элементами, включаемыми в эмиттерную цепь каждого транзистора [40]. Рекомендуется также применение составных структур и отключение транзисторов с предварительным выводом их в начало активной области. Проблему динамического токораспределения при выключении, на наш взгляд, можно успешно решить, переводя ток нагрузки на этапе выключения СТК в цепь, включенную параллельно силовому ключу и состоящую из диода с накоплением заряда (ДНЗ), управляемого источника тока, шунтированного диодом, и вспомогательного источника, так называемая цепь формирования траектории рабочей точки переключения [71 . Указанная цепь наряду с формированием траектории рабочей точки переключения позволяет снизить мощность, рассеиваемую в «медленно» выключающихся транзисторах, входящих в состав сборки СТК- На практике для снижения скорости нарастания тока в коллекторной цепн СТК и уменьшения коммутационных токовых выбросов в цепн диод - транзистор в силовую цепь включают линейный дроссель [391. В низковольтном электротранспорте вопрос уменьшения потерь в таком дросселе становится весьма актуальным, так как необходимо коммутировать относительно большие токи (сотни ампер) нагрузки. Для более детального рассмотрения этого вопроса проанализируем процессы коммутации с учетом внутреннего сопротивления тяговой аккумуляторной батареи. Примем допущение о пеизмешюсти тока нагрузки за время коммутации. Такое допущение не внесет заметной погрешности, так как [ipn рабочих частотах выше 2,5 кГц и реальных параметрах тяговых двигателей низковольтного электротранспорта пульсации тока нагрузки существенно малы. Решение уравнения диффузии с граничными условиями. соответствующими диоду с толстой базой, получаем из равенства 83 нагр.мин erf/в de, (5.6) где Vj - скорость нарастания тока; тд - постоянная времени рассасывания диода; 8 и врас - относительные текущее и конкретное время рассасывания носителя в диоде, 6 = расд/ Тд. при этом воспользуемся одномерной моделью плоскостного диода с полубесконечной базой л-типа и с тормозящим встречным полем в базе [27, 551. Для упрощения анализа приняты следующие допущения: импульс тока накопления в ДНЗ имеет прямоугольную форму; длительность фронта ответвляющегося тока нагрузки равна нулю; накопление в ДНЗ осуществляется при низком уровне инжекции. Распределение концентрации неосновных носителей р {х) в базе такой модели описывается диффузионно-дрейфовым уравнением [55]:  др (х, Л др(х, t) р{х, i) расстояние от перехода; /-время; dp циент диффузии дырок; - заряд электрона; е , (5ЛЗ) - коэффи-величина встроенного поля; k - постоянная Больцмана; - температура; - время жизни неосновных носителей. Стационарное решение уравнения (5.13) получается при краевом условии, которое соответствует прохождению тока накопления плотностью (5.14) где [\р- подвижность Ренгенне уравнения вид Pin) i- Li - ехр неосновных носителей. (5.13) с краевым условием (5.14) имеет E„-Y Li 1 , (5.15) хп И е нормированные расстояние и поле; р диффуз]юнная длина). - },,lpl2kt\ Lp /D,T, (Lp . . Уравнение (5.15) показывает, что тормозящее поле приводит к уменьшению характеристической длины распределения дырок и увеличению концентрации их у р - п-перехода, что в свою очередь приводит к возрастанию времени, необходимого для рассасывания носителей током нагрузки до такого состояния, когда концентрация носителей у перехода становится равной нулю. Длительность времени рассасывания неосновных носителей находится из условия равенства нулю концентрации избыточных дырок у /? - п-перехода, так как это состояние соответствует окончанию этапа рассасывания. Определение концентрации избыточных носителей требует интегрирования выражения (5.13) при краевом условии ~ /рас = qelpe (*» О - QeLp (5.16) Начальным условием принимается распределение неосновных носителей, создаваемое импульсом накопления при его
окончании. Для этого проинтегрируем уравнение (5.13) при нулевом начальном условии - р (х, 0) = О и краевом (5.14). Тогда в нормированных координатах выражение (5.13) записывается в виде др {хп, Т) (5.17) где Г/j - нормированное время. Используем метод суперпозиции, для чего соотношение (5.17) представим как сумму двух решений, одно из них является распределением концентрации, создаваемой идеальным ступенчатым импульсом тока накопления /нак, а другое- распределением концентрации избыточных носителей, создаваемой идеальным ступенчатым током нагрузки плотностью (/нак + /рас)» запаздывающим к импульсу накопления на время /нак- Оба решения найдем при нулевом начальном условии/? (х, 0) = 0. Для первого решения должно выполняться краевое условие (5.14), для второго -- (5.16). В результате введения нормирующих величин сюлучаем выражение Ф {-.1. Т) X =0 2f ,Р (О, Т) ipdCp (5.18) Реше ие для распределения конце трации избыточных носителей в базе во время рассасывания накопленных носителей [71] имеет вид Р(т Т) (/рас ~1 У Hit к) Ф {пу нак 1 Тfl рас) Ч (-f!) нак)» (5.19)  1 + f.) Т„ X X ехр[л;„ {En~V 1 ~Li) П I X erf 2 Г 7 Vt,(\ - El) exp [X, (Я„ + Kl - El) Ln erf envtn exp l2EnXn ~ t] erf x 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 [ 26 ] 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |