Закрыть

Падение напряжения на диодном мосту: Падение напряжения на диодах — Электроника

Содержание

Правильный выпрямитель — AudioKiller’s site

Блок питания – важнейшая часть усилителя. Усилитель работает так: он передает энергию из источника питания в нагрузку. Если источник питания работает плохо, то никакой усилитель не поможет получить в нагрузке то, что нужно. Для питания усилителей широко используется двуполярный источник, выдающий относительно «земли» два одинаковых напряжения разной полярности. Чтобы получить такой источник питания, нужен трансформатор с двумя вторичными обмотками (или с одной, имеющей вывод от середины), соответствующий выпрямитель и фильтр из двух конденсаторов.

Можно конденсаторов и больше, но два – это минимум. Но вот как быть с выпрямителем? На самом деле возможны две схемы выпрямителей. Одна содержит два диодных моста, вторая – только один (рис. 1).

Рис.1. Два варианта схем двуполярных выпрямителей.

Существует мнение, активно поддерживаемое на аудиофильских интернет-форумах, что левая схема, которая содержит два моста, гораздо лучше схемы с одним мостом.

Но вот почему? Те объяснения, которые приводятся, весьма скудны, невнятны и противоречивы. После длительных расспросов мне все же удалось выяснить причину. Она такова (в моем пересказе): в каждом усилителе живет Дух Аудио, и диодный мост – своего рода жертва, дань этому духу. Если моста два, то дань Духу Аудио в два раза больше. За это Дух отблагодарит вас, улучшив звучание. Если вам показалось, что я издеваюсь – таки да, но совсем немного. Просто все объяснения почему-то именно к этому и сводились. Попытки же научного объяснения были настолько жалкими, что я их так и не смог понять. Если кто-то может объяснить с точки зрения науки и техники, почему два моста лучше одного – я с удовольствием послушаю. И подискутирую. А пока я представлю вам свое вИдение этой проблемы. Научное и техническое.

Звучание устройства определяется тем, как работает это устройство и все его составляющие компоненты. Причем не только в общем и целом, но и в деталях. Поэтому если мы добъемся от источника питания наилучшей работы и в целом, и в мелочах, то значит сделаем все для обеспечения хорошего звука усилителя.

И все улучшения звука (конечно, если это вам не показалось, что стало звучать лучше, самовнушение – очень коварная штука) происходят от улучшения технических характеристик (то есть работы) узлов аппаратуры, а не по непонятному правилу типа “так надо для хорошего звука”.

Итак, в чем разница между схемами.

1. Два моста больше по габаритам, имеют двойной нагрев (это я докажу ниже), и вдвое дороже. То есть, по этому признаку два моста хуже одного.

2. Для одного моста можно использовать любой трансформатор – как с раздельными обмотками, так и с выводом от средней точки. А для двух мостов только трансформатор с двумя отдельными обмотками. То есть, для выпрямителя с двумя мостами подойдет не всякий трансформатор. Схема менее универсальна, запишем ей минус.

3. В схеме с двумя мостами каждая обмотка трансформатора работает на свой выпрямитель, который в свою очередь работает на свое плечо питания усилителя. Т.е. одно плечо усилителя питается от одной вторичной обмотки трансформатора, другое – от другой. В схеме с одним мостом каждое плечо усилителя питается от каждой из вторичных обмоток трансформатора по очереди. Это мы увидим наглядно. Тогда и решим, что лучше. А пока пусть это побудет загадкой.

4. Рассмотрим, как протекают токи через выпрямители. На рис. 2 показано протекание тока через выпрямитель с двумя мостами. На рис. 3 – протекание тока через выпрямитель с одним мостом.

Рис. 2 Протекание тока через выпрямитель с двумя мостами. Рис. 3. Протекание тока через выпрямитель с одним мостом.

Обратите внимание, что в выпрямителе с двумя мостами, ток каждого плеча всегда протекает последовательно через два диода. А в выпрямителе с одним мостом – только через один диод. Следовательно, падение напряжения на диодах выпрямителя в схеме с двумя мостами в два раза выше. И до усилителя доходит напряжения немного меньше. Вы можете сказать: «Подумаешь, какая мелочь!» Не так, чтобы и мелочь – именно из этого напряжения получается напряжение на выходе усилителя. Раз напряжение питания уменьшилось, то и на нагрузке максимально возможное напряжение тоже уменьшится.

Значит, уменьшится и максимальная выходная мощность. Насколько? А давайте рассмотрим насколько.

Для большей наглядности рассмотрим пример. Допустим, трансформатор выдает в каждой из обмоток под нагрузкой 30 вольт. Прямое падение напряжения на диоде 1,2 вольта. Почему такое большое? Потому, что падение напряжения на np-переходе при большом токе складывается с падением напряжения на внутреннем сопротивлении диода. Такое прямое напряжение падает практически на любом кремниевом диоде при прямом токе 3 ампера и больше. Это соответствует току усилителя, равному 1 ампер – ведь ток через усилитель непрерывен, а ток через диод протекает короткими импульсами большой амплитуды. Допустим, минимальное остаточное напряжение на выходных транзисторах составляет 4 вольта. Сопротивление нагрузки 4 ома.

Считаем для амплитудных значений напряжения.

Два моста.

Максимальное напряжение на нагрузке:

Максимальная выходная мощность:

Множитель 2 в знаменателе последней формулы учитывает, что мы пользуемся амплитудными значениями напряжения, а не действующими.

Один мост.

Максимальное напряжение на нагрузке:

Максимальная выходная мощность:

Разница в целых 7 Вт, или в 10%. И как раз этих семи ватт максимальной выходной мощности вам может не хватить, и начнется клиппинг!

Покупая и ставя в схему два моста, вы должны будете заплатить дороже за то, чтобы получить выходную мощность на 7 Вт ниже!

5. Говорят, что схема с двумя мостами менее подвержена подмагничиванию трансформатора постоянным током при воспроизведении усилителем сигнала частотой 25 Гц. Это не так. Подмагничивание происходит при потреблении от вторичной обмотки вообще тока с частотой 25 Гц. Т.е. две вторичные обмотки в этом случае работают как одна, независимо от схемы выпрямителя. Главное, что они транслируют свой ток в первичную обмотку, в которй все и происходит.

Так что у нас целых четыре причины, почему выпрямитель с одним мостом лучше, чем с двумя. И ни одной, показывающей преимущества выпрямителя с двумя мостами.

Ах да! Я же не доказал, что два моста греются вдвое больше, чем один. Посмотрите на рисунки 2 и 3. Ток усилителя проходит через два диода в каждом из мостов. А токи обоих плеч усилителя в среднем одинаковы (за довольно длительное время, определяющее нагрев – секунды и десятки секунд). В одном случае ток проходит через один мост, а в другом точно такой же ток проходит через два моста. Нагрев вызывается током. Два моста – в два раза больший нагрев, каждый мост греется одинаково, что в схеме с одним мостом, что в схеме с двумя. Поэтому два моста дают вдвое больше тепла, чем один.

Теперь вернемся к загадке в пункте 3. Есть ли разница в том, если каждое плечо усилителя от своей собственной обмотки трансформатора, или если каждая из вторичных обмоток работает на оба плеча усилителя поочередно. Тут такое дело… Вторичные обмотки трансформатора не всегда одинаковы. Даже если их числа витков равны. У броневого и тороидального трансформатора обмотки наматываются одна поверх другой. У той, что сверху средний диаметр витка больше, чем у той, что снизу.

Отсюда разные сопротивления и разные потери напряжения при протекании тока. И разные поля рассеяния (значит, их напряжения на холостом ходу могут отличаться). Вот у меня на столе лежит высококачественный тороидальный трансформатор 2х28 вольт 75 ВА. Сопротивления его вторичных обмоток 0,7 Ом и 0,75 Ом. На самом деле это мелочи, и реальная разность напряжений на обмотках очень небольшая. Но она бывает. В этом моем трансформаторе 28,6 вольт и 28,65 вольт под нагрузкой. Если напряжения вторичных обмоток не различаются – то все отлично. А если различие все же есть? А оно вполне возможно. Тогда напряжения питания, поступающие на каждое из плеч усилителя, будут выглядеть так, как на рисунке 4.

Рис. 4. Напряжения на выходе выпрямителя при разных значениях напряжений вторичных обмоток трансформатора.

Если выпрямительных моста два, то каждое плечо выпрямителя (и усилителя) питается от своей обмотки. Своим напряжением. И в одном плече напряжение получается больше, в другом меньше. Максимальная выходная мощность будет определяться наименьшим напряжением! Допустим, напряжение положительного плеча в нашем примере меньше, чем отрицательного на 0,2 вольт. Итак, напряжение, создаваемое одной из обмоток не 30 вольт, а 29,8 вольт. Считаем.

Максимальное напряжение на нагрузке:

Максимальная выходная мощность:

Потеряли целый ватт. Мелочь, конечно. Но ведь жалко! А если разница напряжений будет больше? Мало ли какой трансформатор вам удалось приобрести! А в самодельном трансформаторе все может быть еще хуже.

Для одного моста картина совершенно другая. Там на каждое плечо нагрузки работает каждая из обмоток поочередно. Максимальное напряжение в каждом плече получается равно наибольшему из напряжений обмоток. Это же здорово – получить все по максимуму! Явное преимущество перед схемой с двумя мостами. Расплатой за это будет наличие в выпрямленном напряжении пульсаций с частотой 50 Гц, тогда как двухмостовой выпрямитель дает пульсации только с частотой 100 Гц. Пульсации с частотой 50 Гц фильтруются хуже. Есть ли в этом недостаток? Нет! У нас целых две причины не бояться этих более низкочастотных пульсаций:

1. Амплитуда этих пульсаций очень мала и равна разности напряжений вторичных обмоток. В нашем примере это 0,2 вольта.

2. В фильтрах современных усилителей используются конденсаторы большой емкости, которые эффективно все сглаживают. 50-ти герцовые пульсации сглаживаются в 2 раза хуже, чем «стандартные» частотой 100 Гц. Но амплитуда стогерцовых пульсаций составляет десятки вольт (она равна напряжению питания). И все равно эффективно подавляется. А тут доли вольта.

Итак, по всем параметрам выпрямитель с одним мостом превосходит двухмостовую схему. И если не верить в Духа Аудио, то использовать надо именно его. Давайте я для большей наглядности сведу в таблицу результаты нашего примера.

Схема С одним мостом С двумя мостами С двумя мостами
Вариант: для всех случаев одинаковые напряжения вторичных обмоток разные напряжения вторичных обмоток
Максимальная выходная мощность, Вт 76,8 69,6 68,4

И сколько надо дополнительно потратить денег и места, чтобы вместо выходной мощности 76 Вт получить мощность 68 Вт?

Но это еще не все. Вот теперь давайте вспомним, что на свете существуют диоды Шоттки. О том, что их повышенное быстродействие при выпрямлении синусоиды частотой 50 Гц никак не проявляется, я уже писал. Но у них есть другое очень замечательное свойство: гораздо меньшее прямое падение напряжения. Я замерил его для диодов нескольких типов, оно оказалось практически одинаковым и равным 0,7 вольт. То есть по сравнению с диодами с np-переходом мы выигрываем целых полвольта. Много ли это? Я повторю все расчеты для нашего примера, используя в качестве диодов диоды Шоттки, и снова сведу все в таблицу.

Тип выпрямительных диодов «Обычные» диоды «Обычные» диоды «Обычные» диоды Диоды Шоттки Диоды Шоттки Диоды Шоттки
Схема С одним мостом С двумя мостами С двумя мостами С одним мостом С двумя мостами С двумя мостами
Вариант: для всех случаев одинаковые напряжения вторичных обмоток разные напряжения вторичных обмоток для всех случаев одинаковые напряжения вторичных обмоток разные напряжения вторичных обмоток
Максимальная выходная мощность, Вт 76,869,668,48075,674,4

Итак, при замене «обычных» диодов диодами Шоттки мы получили несколько дополнительных ватт к максимальной выходной мощности. Кто знает, может как раз этих ватт нам и не хватало для полного счастья? И нужно ли это счастье убивать собственными руками, ставя два моста туда, где отлично хватает и одного? Два моста даже с диодами Шоттки уступают одному мосту с “обычными” диодами.

И обратите внимание, что разница между самой большой максимальной выходной мощностью и самой маленькой, составляет 11,6 Вт. Представляете! Мы можем потерять целых 11 ватт, просто сделав выпрямитель по другой схеме. Вот вам и разница в схемах и в выпрямителях.

На самом деле, если быть честным, у двухмостовой схемы все же есть преимущество перед одномостовой. У двухмостовой схемы максимальное обратное напряжение на диоде в два раза меньше. Максимальное обратное напряжение на диоде для двухмостовой схемы должно превышать напряжение (действующее значение) на одной вторичной обмотке не менее чем в 1,5 раза. Гораздо лучше, если в 2 раза и более. А для одномостовой схемы максимальное обратное напряжение на диоде должно превышать напряжение на одной вторичной обмотке (если их две раздельные, или на половине, если это одна обмотка с отводом от середины) как минимум в 3 раза, а лучше в 4 и более раза. Поэтому если использовать диодный мост с максимальным обратным напряжением 200 вольт, то одномостовая схема даст максимум ± 60 вольт, а двухмостовая ± 120 вольт питания. Если мост выдерживает 1000 вольт обратного напряжения (а такие мосты легкодоступны и дешевы), то двухмостовая схема выдаст максимальное напряжения питания ± 600 вольт, а одномостовая всего лишь ± 300 вольт.  Вам достаточно? Поэтому я это свойство за достоинство и не считаю: ставьте мосты, рассчитанные на напряжение 1000 вольт и ни о чем не беспокойтесь. Хуже ситуация с диодами Шоттки – они гораздо более низковольтные. Я не встречал диодов Шоттки с максимальным обратным напряжением превышающим 150 вольт. Тогда в двухмостовой схеме мы получим напряжение питания максимум ±100 вольт, а в одномостовой – ±50 вольт. Обычно напряжения питания ±50 вольт хватает для большинства усилителей. Но вот если вам действительно нужно больше, то тут надо выбирать, чем пожертвовать. И опять же, смотрим в таблицу: один мост на обычных диодах немного эффективнее двух мостов на диодах Шоттки. Так что выбор за вами.

11.09.2016

Total Page Visits: 2141 — Today Page Visits: 7

Как проверить исправность диодного моста — пошаговая инструкция

Порядок действий для проверки диодного моста мультиметром. Из чего состоит диодный мост и где он расположен на плате.


Во многих устройствах, работающих от сети 220 В, установлен диодный мост. Это устройство, состоящее из четырех (для однофазной сети) или шести (для трехфазной) полупроводниковых кремниевых диодов. Оно нужно для преобразования переменного тока в постоянный. На его вход подается переменный ток, на выходе получается пульсирующее напряжение постоянное по знаку. Данные элементы схемы часто выходят из строя, утягивая за собой предохранитель. Давайте разберемся, как выполняется проверка диодного моста на исправность разными способами. Содержание:

Что нужно знать о диодных мостах

Для начала мы рассмотрим, какими бывают и что внутри диодного моста. Встречаются данные элементы схемы в двух исполнениях:

  1. Из дискретных (отдельных) диодов. Обычно распаяны на плате и соединены дорожками в правильную схему.
  2. Диодные сборки. Сборки могут представлять собой как однофазные мосты для выпрямления обоих полупериодов переменного напряжения, так и сборки из двух диодов, соединенные в цепь общим катодом или анодом и другие варианты включения.

В любом случае выпрямительный однофазный диодный мост состоит из четырех полупроводниковых диодов, соединенных между собой последовательно-параллельным образом. Переменное напряжение подается на две точки, в которых соединены анод с катодом (разноименные полюса диодов). Постоянное напряжение снимается с точек соединения одноименных полюсов: плюс с катодов, минус с анодов.

На схеме место подключения переменного напряжения обозначено символами AC или «~», а выходы с постоянным напряжением «+» и «-«. Зарисуйте себе эту схему, она нам пригодится при проверке.

Если представить реальный диодный мост и совместить его с этой схемой получится что-то вроде:


Расположение диодного моста на плате и меры предосторожности

Диодные мосты устанавливаются в блоках питания как импульсных так и трансформаторных. Стоит отметить, что в импульсных блоках, которые сейчас используются во всей бытовой технике, мост установлен на входе 220В. На его выходе напряжение достигает 310В — это амплитудное напряжение сети. В трансформаторных блоках питания устанавливаются они в цепи вторичной обмотки обычно с пониженным напряжением.

Если устройство не работает и вы обнаружили сгоревший предохранитель, не спешите включать прибор после его замены. Во-первых, при наличии проблем на плате предохранитель сгорит повторно. Такой блок питания нужно включать через лампочку.

Для этого возьмите патрон и вкрутите в него лампу накаливания на 40-100 Вт и подключите её в разрыв фазного провода для подключения к сети. Если вы собираетесь часто ремонтировать блоки питания, можно сделать удлинитель с патроном, установленным в разрыв питающего провода для подключения лампы, это поможет сохранить ваше время.

Если на плате есть короткое замыкание — при включении в сеть через неё потечет высокий ток, перегорит предохранитель или дорожка на плате, или провод, или выбьет автомат. Но если мы вставили в разрыв лампочку, сопротивление спирали которой ограничит ток, она загорится во весь накал, сохранив целостность всего вышеперечисленного.

Если короткого замыкания нет или блок исправен допустимо либо легкое свечение лампы, либо полное его отсутствие.

Простейшая и грубая проверка

Нам понадобится индикаторная отвертка. Она стоит копейки и должна быть в наборе инструментов в каждом доме. Нужно просто прикоснуться сначала ко входу 220В выпрямителя, если на фазном проводе загорится индикатор, значит напряжение присутствует, если нет, проблема явно не в диодном мосте и нужно проверить кабель. При наличии напряжения на входе проверяем напряжение на плюсовом выходе выпрямителя, оно в этой точке может доходить до 310 В, индикатор вам его покажет. Если индикатор не светится — диодный мост в обрыве.

К сожалению, больше ничего мы узнать с помощью индикаторной отверткой не сможем. О том, как пользоваться индикаторной отверткой, можете узнать из нашей статьи.

Прозвонка диодного моста мультиметром

Любую деталь на плате можно выпаять для проверки или прозвонить не выпаивая. Однако точность проверки в таком случае снижается, т.к. возможно, отсутствие контакта с дорожками платы, при видимой «нормальной» пайке, влияние других элементов схемы. К диодному мосту это тоже относится, можно его не выпаивать, но лучше и удобнее для проверки его выпаять. Мост, собранный из отдельных диодов, довольно удобно проверять и на плате.

Почти в каждом современном мультиметре есть режим проверки диодов, обычно он совмещен со звуковой прозвонкой цепи.

В этом режиме выводится падение напряжение в милливольтах между щупами. Если красный щуп подсоединен к аноду диода, а черный к катоду, такое подключение называется в прямом или проводящем направлении. В этом случае падение напряжения на PN-переходе кремниевого диода лежит в диапазоне 500-750 мВ, что вы можете наблюдать на картинке. Кстати на ней изображена проверка в режиме измерения сопротивлений, так тоже можно, но есть и специальный режим проверки диодов, результаты будут, в принципе, аналогичны.

Если поменять щупы местами – красный на катод, а черный на анод, на экране будет либо единица, либо значение более 1000 (порядка 1500). Такие измерения говорят о том, что диод исправен, если в одном из направлений измерения отличаются, значит, диод неисправен. Например, сработала прозвонка – диод пробит, в обоих направлениях высокие значения (как при обратном включении) – диод оборван.

Важно! Диоды Шоттки имеют меньшее падение напряжения, порядка 300 мВ.

Есть еще экспресс проверка диодного моста мультиметром. Порядок действий следующий:

  1. Ставим щупы на вход диодного моста (~ или AC), если сработала прозвонка – он пробит.
  2. Ставим красный щуп на «–», а красный на «+» — на экране высветилось значение около 1000, меняем щупы местами – на экране 1 или 0L, или другое высокое значение — диодный мост исправен. Логика такой проверки в том, что диоды соединены последовательно в две ветви, обратите внимание на схему, и они проводят ток. Если плюс питания подан на – (точка соединения анодов), а минус питания на «+» (точка соединения катодов), это и происходит при прозвонке. Если один из диодов в обрыве, ток может потечь по другой ветке и вы можете сделать ошибочные измерения. А вот если один из диодов пробит – на экране высветится падение напряжения на одном диоде.

На видео ниже наглядно показано, как проверить диодный мост мультиметром:

Полная проверка диодного моста

Также проверить диодный мост мультиметром можно по следующей инструкции:

  1. Устанавливаем красный щуп на «–», а черным по очереди касаемся выводов, к которым подключается переменное напряжение «~», в обоих случаях должно быть порядка 500 на экране прибора.
  2. Ставим черный щуп на «–», красным касаемся выводов «~ или AC», на экране мультиметра единица, значит, диоды не проводят в обратном направлении. Первая половина диодного моста исправна.
  3. Черный щуп на «+», а красным касаемся входов переменного напряжения, результаты должны быть как в 1 пункте.
  4. Меняем щупы местами, повторяем измерения, результаты должны быть как в пункте 2.

То же самое можно сделать «цэшкой» (универсальный измерительный прибор советского производства). Как проверить диодный мост стрелочным мультиметром, рассказывается на видео:

Кстати, проверку можно выполнить вообще без тестера – батарейкой и контрольной лампочкой (или светодиодом). При правильном включении диода ток потечет через лампочку и она засветится.

В заключение хотелось бы отметить, что диодные мосты устанавливаются повсюду: в зарядном устройстве, сварочном аппарате, на инверторе, в блоках питания и т.д. Благодаря описанной методике вы сможете проверить диоды на работоспособность в домашних условиях.

Будет полезно прочитать:

  • Как пользоваться мультиметром
  • Как проверить конденсатор в домашних условиях
  • Проверка работоспособности резистора
  • Как выпаивать радиодетали из платы

Проголосуйте, понравилась ли вам статья? Загрузка…

схема подключения, характеристики, принцип работы, для чего нужен

От энергоснабжающей организации до потребителей доставляется переменное напряжение. Это связано с особенностями транспортировки электроэнергии. Но большая часть бытовых (и, частично, производственных) электроприемников требует питания постоянным напряжением. Для его получения требуются преобразователи. Во многих случаях их строят по схеме «понижающий трансформатор – выпрямитель – сглаживающий фильтр» (за исключением импульсных блоков питания). В качестве выпрямителя используются диоды, включенные по мостовой схеме.

 Для чего нужен диодный мост и как он работает

 Диодный мост используется в качестве схемы выпрямления, преобразующей переменное напряжение в постоянное. Принцип его действия основан на односторонней проводимости — свойстве полупроводникового диода пропускать ток только в одном направлении. Простейшим выпрямителем может служить и одиночный диод.

При подобном включении нижняя (отрицательная) часть синусоиды «срезается». Такой способ имеет недостатки:

  • форма выходного напряжения далека от постоянной, требуется большой и громоздкий конденсатор в качестве сглаживающего фильтра;
  • мощность источника переменного тока используется максимум наполовину.

Ток через нагрузку повторяет форму выходного напряжения. Поэтому лучше использовать двухполупериодный выпрямитель в виде диодного моста. Если включить четыре диода по указанной схеме и подключить нагрузку, то при подаче на вход переменного напряжения блок будет работать так:

При положительном напряжении (верхняя часть синусоиды, красная стрелка) ток пойдет через диод VD2, нагрузку, VD3. При отрицательном (нижняя часть синусоиды, зеленая стрелка) через диод VD4, нагрузку, VD1. В итоге за один период ток дважды проходит через нагрузку в одном направлении.

Форма выходного напряжения гораздо ближе к прямой, хотя уровень пульсаций довольно высок. Мощность источника используется полностью.

Если имеется источник трехфазного напряжения необходимой амплитуды, можно сделать мост по такой схеме:

В нём на нагрузке будут складываться три тока, повторяющие форму выходного напряжения, со сдвигом фаз в 120 градусов:

Выходное напряжение будет огибать верхушки синусоид. Видно, что напряжение пульсирует гораздо меньше, чем в однофазной схеме, его форма более близка к прямой. В этом случае ёмкость сглаживающего фильтра будет минимальной.

И еще один вариант моста – управляемый. В нём два диода заменены тиристорами – электронными приборами, которые открываются при подаче сигнала на управляющий электрод. В открытом виде тиристоры ведут себя практически как обычные диоды. Схема принимает такой вид:

Сигналы включения подаются от схемы управления в согласованные моменты времени, отключение происходит в момент перехода напряжения через ноль. Потом напряжение усредняется на конденсаторе, и этим средним уровнем можно управлять.

 

Обозначение диодного моста и схема подключения

 Так как мост из диодов может быть построен по различным схемам, а элементов в нём содержится немного, то в большинстве случаев обозначение выпрямительного узла производят, просто рисуя его принципиальную схему. Если это неприемлемо – например, в случае построения блок-схемы – то мост указывается в виде символа, которым указывают любой преобразователь переменного напряжения в постоянное:

Литера «~» означает цепи переменного тока, символ «=» – цепи постоянного тока, а «+» и «-» – выходную полярность.

Если выпрямитель построен по классической мостовой схеме из 4 диодов, то допускается немного упрощенное изображение:

Подключается вход выпрямительного блока к выходным терминалам источника переменного тока (в большинстве случаев им служит понижающий трансформатор) без соблюдения полярности – любой выходной вывод подключается к любому входному. Выход моста подключается к нагрузке. Она может требовать соблюдения полюсности (включая стабилизатор, сглаживающий фильтр), а может и не требовать.

 

Диодный мост может быть подключен к источнику постоянного напряжения. В этом случае получается схема защиты от непреднамеренной переполюсовки – при любом подключении входов моста к выходу блока питания, полярность напряжения на его выходе не изменится.

Основные технические характеристики

При выборе диодов или готового моста в первую очередь надо смотреть на наибольший рабочий прямой ток. Он должен с запасом превышать ток нагрузки. Если эта величина неизвестна, а известна мощность, её надо пересчитать в ток по формуле Iнагр=Pнагр/Uвых. Для увеличения допустимого тока полупроводниковые приборы можно соединять параллельно – наибольший ток нагрузки делится на количество диодов. Диоды в одной ветви моста в этом случае лучше подобрать по близкому значению падения напряжения в открытом состоянии.

Второй важный параметр – прямое напряжение, на которое рассчитан мост или его элементы. Оно не должно быть ниже выходного напряжения источника переменного тока (амплитудного значения!). Для надежной работы устройства надо взять запас в 20-30%. Для увеличения допустимого напряжения диоды можно включать последовательно – в каждое плечо моста.

Этих двух параметров достаточно для предварительного решения об использовании диодов в выпрямительном устройстве, но надо обратить внимание и на некоторые другие характеристики:

  • максимальная рабочая частота – обычно несколько килогерц и для работы на промышленных частотах 50 или 100 Гц значения не имеет, а если диод будет работать в импульсной схеме, этот параметр может стать определяющим;
  • падение напряжения в открытом состоянии у кремниевых диодов составляет около 0,6 В, что неважно для выходного напряжения, например, в 36 В, но может быть критичным при работе ниже 5 В – в этом случае надо выбирать диоды Шоттки, которые характеризуются низким значением этого параметра.

Разновидности диодных мостов и их маркировка

Диодный мост можно собрать на дискретных диодах. Чтобы соблюсти полярность, надо обратить внимание на маркировку. В некоторых случаях метка в виде рисунка нанесена прямо на корпус полупроводникового прибора. Это характерно для изделий отечественного производства.

Зарубежные (и многие современные российские) приборы маркируются точкой или кольцом. В большинстве случаев так обозначается анод, но гарантии нет. Лучше посмотреть справочник или воспользоваться тестером.

Можно сделать мост из сборки – четыре диода объединены в одном корпусе, а соединение выводов можно выполнить внешними проводниками (например, на печатной плате). Схемы сборок могут быть разнообразными, поэтому для правильного соединения надо смотреть даташиты.

Например, у диодной сборки BAV99S, содержащей 4 диода, но имеющей только 6 выводов, внутри имеется два полумоста, соединенных следующим образом (на корпусе около вывода 1 имеется точка):

Чтобы получить полноценный мост, надо соединить внешними проводниками соответствующие выводы (красным показана трассировка дорожек в случае использования печатного монтажа):

В этом случае переменное напряжение подводится к выводам 3 и 6. Положительный полюс постоянного снимается с вывода 5 или 2, а отрицательный – 4 или 1.

И самый простой вариант – это сборка с готовым мостом внутри. Из отечественных изделий это могут быть КЦ402, КЦ405, существуют мосты-сборки зарубежного производства. Маркировка выводов во многих случаях нанесена прямо на корпус, и задача сводится только к корректному выбору по характеристикам и к безошибочному подключению. Если наружного обозначения выводов нет, придется обратиться к справочнику.

Преимущества и недостатки

Преимущества диодного моста общеизвестны:

  • отработанные десятилетиями схемы;
  • простота сборки и подключения;
  • несложная диагностика неисправности и простота ремонта.

В качестве недостатков надо упомянуть рост габаритов и веса схемы при увеличении мощности, а также необходимости использования радиаторов для мощных диодов. Но с этим сделать ничего нельзя – физику не обмануть. Когда эти условия станут неприемлемыми, надо решать вопрос о переходе к импульсной схеме источника питания. Кстати, мостовое включение диодов может быть использовано и в ней.

Также надо отметить форму выходного напряжения, далекую от постоянной. Для работы с потребителями, предъявляющими требования к стабильности питающего напряжения, надо использовать мост совместно со сглаживающими фильтрами, а при необходимости и стабилизаторами на выходе.

Что такое падение напряжения на диоде? (с изображением)

Диод — это обычное полупроводниковое устройство, используемое во многих различных типах электронных схем. Когда электрический сигнал проходит через диод, диод потребляет небольшое количество напряжения сигнала в своей работе. Разница между напряжением сигнала, поступающего на диод, и напряжением сигнала, выходящего из диода, представляет собой падение напряжения на диоде. Хотя падение напряжения на диоде может относиться к прямому или обратному падению напряжения на диоде, оно обычно описывает прямое падение напряжения.

Диоды.

Конструкция диода включает соединение анода и катода, двух частей материала с разными электрическими зарядами.Анод заряжен положительно, а катод — отрицательно. В точке, где встречаются эти два разных материала, называемой стыком, два разных противоположных заряда эффективно нейтрализуют друг друга. Эта область без заряда является обедняющим слоем диода, который образует изолирующий слой внутри диода между анодом и катодом.

Когда электрический сигнал попадает на катод диода, дополнительная отрицательная сила увеличивает ширину обедненного слоя, поскольку он вступает в реакцию с положительно заряженным анодом.Более широкий обедненный слой будет блокировать прохождение сигнала через диод и потреблять все напряжение в процессе. Например, если на диод поступит 5 вольт, падение напряжения на диоде также будет 5 вольт. Диод в этом состоянии смещен в обратном направлении, а падение напряжения равно обратному падению напряжения на диоде.

Электрический сигнал, поступающий на анод диода, создает в диоде другой набор условий.Отрицательно заряженный сигнал перейдет через анод, встретится с катодом и пройдет через диод, переходя к остальной части схемы. При этом относительно небольшая часть напряжения теряется, преодолевая положительный заряд анода. Для типичного кремниевого диода потеря напряжения составляет примерно 0,7 В. Диод в этом состоянии смещен в прямом направлении, а падение напряжения соответствует прямому падению напряжения на диоде.

Разница между прямым и обратным состояниями в диоде позволяет им блокировать сигнал в одном направлении, снижая 100% напряжения, но позволяя ему проходить в другом, лишь уменьшая небольшое количество.Поскольку у большинства диодов обратное падение напряжения составляет 100%, предполагается, что термин «падение напряжения на диоде» относится к прямому падению напряжения, однако это не всегда так.

Существуют специальные диоды, которые не падают на 100% обратного напряжения, например варикапные или варакторные диоды.В этих диодах заряды катодов и анодов не совпадают по ширине. В результате эти диоды могут пропускать часть сигнала, поступающего на катод, через диоды, даже если они находятся в состоянии обратного смещения. При описании падения напряжения в этих типах диодов важно различать прямое и обратное падение напряжения.

Анализ потерь силового устройства высоковольтного мощного двойного активного мостового преобразователя постоянного тока

1.Введение

Двойной активный мост (DAB) [1, 2] — это двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный, который имеет небольшой трансформатор между двумя активными мостами. Эта топология на протяжении десятилетий привлекала большое внимание исследователей приложений большой мощности. По сравнению с однофазным DAB трехфазный DAB с аналогичным рейтингом предлагает преимущества меньших пассивных компонентов и улучшенного использования магнитных полей [3]. Акронимы, используемые в этой главе, перечислены в таблице 1. Высоковольтный SiC IGBT используется для достижения оптимальной конструкции преобразователя DAB на основе рассмотрения характеристик устройства и трансформатора в [4].Однако высокое значение dv / dt SiC IGBT-переключателей [5, 6, 7] вызывает сильные всплески и звон в токах во время жесткого переключения при высоких уровнях напряжения.

Сокращения Сокращения
SiC Карбид кремния
ШИМ Широтно-импульсная модуляция
HV Высокое напряжение
LV
DAB Двойной активный мост
IGBT Биполярный транзистор с изолированным затвором
MOSFET Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник
DC Постоянный ток
ZVS Переключение нулевого напряжения
ESR Эффективное последовательное сопротивление
ZCS Переключение нулевого тока

Таблица 1.

Список акронимов и их сокращений.

Алгоритм оптимизации для минимизации неактивных потерь мощности в DC-DC преобразователе DAB обсуждается в [8] для повышения эффективности преобразователя. Ref. В [9] представлена ​​усовершенствованная стратегия управления для снижения потерь в преобразователе DAB. Обзор разработок на уровне материалов в ключевых компонентах преобразователей мощности с ШИМ и потенциал для повышения плотности мощности системы с использованием передовых компонентов представлен в [10]. Ref. [11, 12] указывают на то, что снижение коммутационных потерь в десять раз возможно с использованием таких передовых устройств.Хотя устройства с широкой запрещенной зоной имеют преимущества по сравнению с устройствами из Si, большинство из них не было реализовано на рынке по различным причинам, таким как сложность массового производства пластин SiC большого диаметра, сложность контроля уровня примесей в этих устройствах и высокая стоимость. Для выбора правильного силового полупроводникового прибора для любой силовой электронной схемы необходимо учитывать несколько параметров. Выходные характеристики устройства, тепловые характеристики, характеристики переключения, напряжение блокировки, ток утечки и безопасная рабочая зона (SOA) — все это важные факторы в отношении надежности.Важно отметить, что в любой момент во время работы устройства нельзя превышать максимальные характеристики, указанные в техническом описании устройства [13, 14, 15]. Характеристики заряда затвора и требования к драйверу затвора устройства питания и связанные с ними потери в цепи драйвера также являются важными факторами, которые необходимо учитывать при выборе подходящего устройства питания. Основное внимание в этой главе уделяется оценке потерь мощности проводимости и потерь мощности переключения. Основные параметры и характеристики устройства, представленные в таблицах данных, обсуждаются в [16].

DC-DC преобразователь DAB показан на рисунке 1. Преобразователь имеет две H-мостовые схемы, соединенные через высокочастотный трансформатор. Чтобы правильно выбрать устройство питания для DAB, расчет потерь мощности выполняется для всех устройств питания при наихудших условиях эксплуатации преобразователя.

Рисунок 1.

Двойной активный мостовой преобразователь постоянного тока в постоянный.

Характеристики различных полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник (MOSFET) и IGBT, производимых коммерческими производителями, сравниваются для определения подходящего силового полупроводникового устройства для высоковольтной (HV) и низковольтной (LV) стороны преобразователь [17, 18, 19, 20, 21].Для критически важных приложений, таких как аэрокосмические системы, переходные процессы напряжения неизбежны и принимаются во внимание при выборе номинальных значений напряжения устройств: IGBT на 1200 В выбираются для стороны ВН, а IGBT на 600 В выбираются для стороны низкого напряжения [22] . Помимо возможностей устройства по управлению напряжением и током, а также плотности мощности, необходимо учитывать напряжение в открытом состоянии и характеристики плавного восстановления встречно-параллельного диода. Анализ использования MOSFET для низковольтной части преобразователя представлен в [23].Из-за низкого напряжения на вторичной стороне устройства должны выдерживать высокие токи. Следовательно, три или более полевых МОП-транзистора должны быть подключены параллельно, что делает схему очень сложной. Следовательно, технология IGBT [24, 25, 26] была выбрана из-за ее способности работать с большими токами и высоким напряжением. Модули питания IGBT имеют преимущество в виде пониженной внутренней индуктивности и улучшенного теплоотвода, а также просты в подключении. В этой главе обсуждается процедура выбора подходящих силовых устройств для конструкции мощного преобразователя постоянного тока DAB.Представлена ​​математическая модель текущих уравнений устройства. Исследователи на ранней стадии своих исследований найдут эту информацию ценной в качестве справочного материала для проектирования и разработки прототипов преобразователей.

Эта глава значительно расширяет экспериментальные результаты, приведенные в [16]. В частности, включены экспериментальные результаты для высоковольтных IGBT с демпфирующим конденсатором и для низковольтных IGBT с демпфирующими конденсаторами и без них. Кроме того, представлены экспериментальные измерения потерь мощности IGBT на стороне ВН и НН.Остальная часть этой главы организована следующим образом. Оценка потерь мощности HV-IGBT преобразователя от различных производителей представлена ​​в разделе 2. В разделе 3 обсуждается расчет потерь мощности IGBT на стороне низкого напряжения и сравнение потерь IGBT с аналогичными характеристиками от различных ведущих производителей. Результаты экспериментов представлены в Разделе 4, а выводы — в Разделе 5.

2. Оценка потерь мощности высоковольтных устройств преобразователя постоянного тока DAB

Для выбора правильного устройства необходимо произвести расчет потерь мощности. выполняться для наихудшего сценария работы преобразователя для выбранного приложения.В этой работе мы рассматриваем конструкцию DAB-преобразователя для аэрокосмической системы накопления энергии, сторона ВН которого подключена к звену постоянного тока самолета, а сторона низкого напряжения — к системе накопления энергии на основе ультраконденсаторов. Предполагается, что рабочий диапазон ультраконденсатора составляет 2: 1. Наихудший рабочий режим преобразователя: VHV = 540 В, VLV = 62,5 В, среднеквадратичный ток индуктора IRMS = 427 A, пиковый ток индуктора IP = 640 A, средний ток ультраконденсатора I0 = 320 А, мощность P0 = 20 кВт, а d = 0.5. Значения основных компонентов преобразователя определяются путем применения наихудшего рабочего условия к уравнениям, полученным на основе математической модели преобразователя DAB, которые представлены в [16, 27].

Расчет потерь выполнен для устройств различных ведущих производителей для частоты коммутации 20 кГц. Теоретические формы сигналов преобразователя и токов устройства показаны на рисунке 2. Термины и символы, использованные в анализе, перечислены в таблице 2.Для форм сигналов тока устройства предполагается кусочная линейность. Следовательно, средний ток, протекающий через IGBT на стороне ВН преобразователя во время работы, определяется выражением

IT = 12 × IL1 × dTS2-tB + 12 × IL1 + IP × TS2-dTS2TS2-tBE1

Рис. 2.

Теоретические формы сигналов устройств на стороне ВН и стороне НН преобразователя постоянного тока DAB. (Интервалы проводимости прибора отмечены розовым цветом).

Обозначения / термины Описание
d Рабочий цикл
T с Период времени переключения
I T Ток транзистора
I P Пиковый ток индуктора
I L1 Первый пик тока индуктора
t B Временной интервал от I P до нулевого тока
V CE (sat) Прямое падение напряжения транзистора
P CondT Потери проводимости транзистора
r CE Сопротивление коллектора к эмиттеру
V CEO Напряжение коллектор-эмиттер при открытом затворе
I D 901 65 Ток диода
P CondD Потеря проводимости диода
V F Прямое падение напряжения на диоде
P C Полная потеря проводимости
P ON Потеря мощности при включении транзистора
E ON Потери энергии при включении транзистора
f Частота переключения
P OFF Отключение транзистора потеря мощности
E OFF Потери энергии при выключении транзистора
V CE Напряжение коллектора к эмиттеру
I C Ток коллектора
t r Время нарастания
t f Время спада
P SW Суммарные потери при переключении
Rth (cs) Тепловое сопротивление корпуса к раковине
Rth (j − c) Тепловое сопротивление перехода к корпусу
P T Полная потеря мощности
T jIGBT Температура перехода IGBT
T j Диод Температура перехода диода

Таблица 2.

Список символов / терминов, используемых в анализе, и их описание.

IGBT имеет постоянное падение напряжения во включенном состоянии. Следовательно, потери проводимости могут быть рассчитаны с использованием среднего тока IGBT и рабочего цикла, который задается как

PCondT = VCEsat × IT × dE2

Рабочий цикл — это отношение периода включения транзистора к времени переключения. период. В таблице данных указано прямое падение напряжения транзистора ( VCE (sat) ) и встречно-параллельного диода ( VF ) по отношению к основным клеммам модулей, которое включает падение напряжения на клеммах.Из-за высокой плотности мощности устройств нельзя пренебрегать потерями на клеммах по сравнению с потерями в полупроводниках. Следовательно, важно указать падение напряжения на уровне кристалла и на выводах ( rCE ’) отдельно. Падение напряжения на клеммах равно

VCEsat = VCEO + rCE × ITE3

Средний ток диода на стороне ВН преобразователя во включенном состоянии, как показано на рисунке 2, задается как

ID = 12 × IPE4

В уравнении.(4) интервал проводимости диода и интервал базы одинаковы на стороне ВН; следовательно, ток диода вычисляется независимо от времени. Предполагая постоянное падение напряжения, потери проводимости диода оцениваются как

PCondD = VF × ID × dE5

Конвертер DAB имеет четыре транзистора и четыре антипараллельных диода на стороне высокого напряжения. Следовательно, общие потери проводимости PC полупроводниковых устройств на стороне ВН преобразователя задаются как

PC = 4 × PCondT + PCondDE6

Коммутационные потери рассчитываются на основе включения ( EON ) и включения -off ( EOFF ) кривые потерь энергии, которые обычно приводятся как функция тока коллектора в моменты переключения IGBT, как указано в таблице данных производителя.В конфигурации преобразователя DAB при переключении при нулевом напряжении (ZVS) диод всегда отключается при нулевом токе, что устраняет потери при обратном восстановлении диода. Следовательно, уравнения потерь мощности для моментов включения и выключения:

PON = EON × fE7

и

POFF = EOFF × fE8

PON — потеря мощности в момент включения, POFF — потеря мощности в момент выключения, а f — частота переключения. В технических паспортах некоторых производителей кривые потерь энергии для включения и выключения могут быть недоступны.В таких случаях необходимо учитывать упрощенные формы сигналов напряжения и тока во время процесса переключения. Коммутационные потери преобладают в периоды нарастания и спада. Следовательно, уравнения потерь аппроксимируются в моменты включения и выключения, которые задаются как

PON = 12VCE × IC × tr × fE9

и

POFF = 12VCE × IC × tf × fE10

В преобразователе DAB Во время работы ZVS ток встречно-параллельного диода всегда передается на IGBT. Следовательно, потерями при включении можно пренебречь.Таким образом, общие потери переключения (P SW ) приблизительно равны

PSW = 4 × EOFF × fE11

Температура перехода устройств рассчитывается как

TjIGBT = Ts + PT × Rthc − s + PIGBT × Rthj −cE12

и

TjDiode = Ts + PT × Rthc − s + PDiode × Rthj − cE13

, где TS — температура радиатора, а PT — общая потеря мощности модуля IGBT. Тепловые сопротивления корпуса для понижения Rth (c-s) и соединения с корпусом Rth (j-c) могут быть получены из технических данных устройства.Общие потери мощности IGBT и антипараллельного диода на стороне ВН преобразователя DAB сравниваются для устройств с номиналами, аналогичными 1200 В, 300 А от пяти разных производителей:

  • SKM300GB125D от Semikron, который имеет рейтинг 1200 В, 300 А при T корпус = 25 ° C;

  • MII300-12A4 от IXYS, который имеет номинал 1200 В, 330 А при Т , корпус = 25 ° C;

  • DIM200WHS12-A000 от Dynex Semiconductor с номиналом 1200 В, 200 А при Т , корпус = 80 ° C;

  • 2MB1300U4H-120 от Fuji Semiconductor с номиналом 1200 В, 400 А при Т , корпус = 25 ° C; и

  • CM300DY-24A от Powerex, который имеет номинал 1200 В, 300 А при T , корпус = 25 ° C.

Потери мощности IGBT и антипараллельных диодов прогнозируются для наихудших рабочих условий и показаны на рисунке 3. На основе сравнения потерь всех устройств сверхбыстрый SKM300GB125D 1200 В, 300 Модули IGBT от компании Semikron [28] с фазным ответвлением выбраны для стороны ВН преобразователя из-за их низких потерь. Как показано на рисунке 3, потери мощности переключения IGBT значительны и вносят основной вклад в общие потери мощности из-за высокой частоты переключения и высокого тока отключения.

Рис. 3.

IGBT на стороне высокого напряжения и сравнение потерь мощности антипараллельных диодов для различных производителей.

3. Оценка потерь мощности устройств на стороне низкого напряжения преобразователя постоянного тока DAB

Потери мощности устройств на стороне низкого напряжения прогнозируются с использованием процедуры, аналогичной описанной в разделе 2. Основное отличие заключается в том, что форма токи устройств на стороне низкого напряжения отличаются от токов устройств на стороне высокого напряжения из-за фазового сдвига, вносимого между мостами на стороне высокого и низкого напряжения, как показано на рисунке 2.Уравнения тока транзистора и диода во включенном состоянии:

IT = 12 × IL1 × dTS2 − tBdTS2 − tBE14

и

ID = 12 × IP × tB + 12 × IL1 + IP × TS2 − dTS2TS2 − dTS2 + tBE15

Аналогично стороне ВН, потери мощности в открытом состоянии и коммутации БТИЗ и встречно-параллельного диода на стороне НН преобразователя DAB сравниваются для устройств с номиналами, аналогичными 600 В, 700 А при T case = 25 ° C от четырех ведущих производителей:

  • SKM600GB066D от Semikron с номиналом 600 В, 760 А;

  • CM600DY-12NF от Mitsubishi с номиналом 600 В, 600 А;

  • 2MB1600U2E-060 от Fuji Semiconductor, который рассчитан на 650 В, 600 А; и

  • CM600DY-12NF от Powerex, который имеет номинальное напряжение 600 В, 600 А.

На рисунке 4 показано сравнение потерь мощности низковольтного IGBT и антипараллельного диода для каждого модуля. Как показано на рисунке 4, все модули IGBT демонстрируют схожие характеристики. В режиме прямой проводимости (режиме зарядки) диоды выполняют функцию выпрямления. Следовательно, потери проводимости диодов являются преобладающими. Когда поток мощности меняет направление, значения потерь меняются между диодом и IGBT. Модули фазных ветвей Semikron имеют меньшие потери, чем другие устройства.Кроме того, модуль Semikron имеет максимальную температуру перехода 175 ° C, тогда как другие модули имеют максимальную температуру перехода 150 ° C. Поэтому для низковольтной стороны преобразователя были выбраны модули IGBT с высокотемпературными фазовыми ветвями Semikron SKM600GB066D [29], которые имеют номинальные значения 600 В, 760 А.

Рис. 4.

IGBT на стороне низкого напряжения и сравнение потерь мощности антипараллельных диодов от различных производителей.

4. Результаты экспериментов

Эксперименты проводились для устройств на стороне высокого и низкого напряжения преобразователя с использованием подходящей реактивной нагрузки.Катушка индуктивности с воздушным сердечником на 39 мкГн использовалась для тестирования высоковольтного моста путем сдвига фазы двух полумостовых ветвей IGBT, и устройства подвергались воздействию максимальных токов. Поскольку нагрузка была чисто реактивной, ток, потребляемый от источника, использовался для компенсации потерь проводимости устройства, коммутационных потерь и потерь из-за пассивных компонентов. Фотография прототипа преобразователя DAB показана на рисунке 5. На рисунках 6 и 7 показаны результаты экспериментов с IGBT на стороне высокого напряжения преобразователя DAB для работы 540 В, 80 А с демпфирующим конденсатором и без него.

Рис. 5.

Фотографии прототипа DAB преобразователя: (а) вид спереди и (б) вид сзади.

Рис. 6.

Результаты экспериментов для преобразователя на стороне ВН. Vin = 540 В, L = 39 мкГн, VLrms = 363 В, ILrms = 65,6 A, fs = 20 кГц, IOFF = 80 A. Канал 1 (желтый) — импульс затвора транзистора A2, 10 В / дел. Канал 2 (розовый) — затворный импульс транзистора В2, 10 В / дел. Канал 3 (синий) — напряжение IGBT A1, 350 В / дел. Канал 4 (зеленый) — ток IGBT A1, 50 А / дел. Шкала времени: 20 мкс / дел.

Рис. 7.

Результаты экспериментов для преобразователя на стороне ВН с демпфером 47 нФ. Vin = 540 В, Iin = 1,318 A, L = 39 мкГн, fs = 20 кГц, VLrms = 363 В, ILrms = 65,6 A, IOFF = 80 A, RG = 3 Ом, Cs = 47 нФ. Шкала времени: 10 мкс / дел. Канал 1 (желтый) — затворный импульс транзистора А2, 10 В / дел. Канал 2 (розовый) — затворный импульс транзистора В2, 10 В / дел. Канал 3 (синий) — напряжение IGBT A1, 200 В / дел. Канал 4 (зеленый) — ток IGBT A1, 50 А / дел.

На стороне ВН использовался демпфирующий конденсатор 47 нФ, чтобы минимизировать потери на выключение и улучшить переходные процессы переключения IGBT на стороне ВН.Был использован демпферный конденсатор прямого монтажа с пониженным эффективным последовательным сопротивлением (ESR) и низкой эффективной последовательной индуктивностью (ESL). Как видно из форм сигналов, показанных на рисунках 6 и 7, диод начинает проводить ток до транзистора, что обеспечивает включение ZVS при пиковом токе и ZVS / ZCS во время выключения. Точно так же IGBT имеет включение ZVS / ZCS и выключение ZVS при пиковом токе.

Потери мощности, измеренные во время экспериментов для высоковольтного мостового преобразователя при работе 16,6 кВА, показаны на рисунке 8.Рассмотрены два случая: в первом демпферный конденсатор емкостью 47 нФ подключен к каждому из четырех IGBT моста на стороне ВН; во втором — демпфирующий конденсатор не используется. Потери мощности устройств с опережающей фазой и отстающей фазой показаны отдельно на рисунке 8 из-за различных интервалов проводимости устройств. Потери мощности в кабелях, шинах и соединениях не учитываются. Из-за отключения диодов ZCS потерями их обратного восстановления пренебрегают; из-за включения ZVS / ZCS IGBT потери при включении не учитываются.Как показано на Рисунке 8, потери в меди индуктора с воздушным сердечником высоки, хотя он имеет всего 11 витков. Однако потери проводимости диодов и IGBT остаются приблизительно постоянными с демпфирующими конденсаторами или без них. Как видно на рисунке 8, при использовании демпфирующего конденсатора наблюдается значительное снижение потерь при выключении.

Рис. 8.

Экспериментальный анализ потерь мощности преобразователя на стороне ВН с демпфирующим конденсатором и без него. Vin = 540 В, L = 39 мкГн, fs = 20 кГц, IOFF = 80 A, VLrms = 363 В, ILrms = 65.6 А, RG = 3 Ом.

Устройства преобразователя на стороне низкого напряжения были испытаны, и IGBT на стороне низкого напряжения подверглись пиковому току 300 А при 125 В. Две ветви моста на стороне низкого напряжения были подключены через индуктор с воздушным сердечником и значение 4,17 мкГн. Внешняя батарея электролитических конденсаторов емкостью 19,8 мФ (состоящая из трех батарей конденсаторов по 6,6 мФ) была добавлена ​​к источнику постоянного тока для сглаживания входного тока пульсаций. На рисунке 9 показаны формы сигналов тока и напряжения IGBT ведущего плеча и управляющие сигналы IGBT, D 2 и C 2 .Для измерения токов устройства использовался токовый пробник CWT15 Роговского с чувствительностью 2 мВ / А. Измеренное время спада тока составляет 205 нс для времени начального спада тока и 620 нс для длительности спада тока в хвосте. Когда через устройства вводятся демпферы, в сигналах устройства наблюдается высокочастотный звон. Это может быть резонанс из-за паразитных индуктивностей модуля (со значениями 15–20 нГн), сборных шин и соединений демпфирующего конденсатора.

Рисунок 9.

Результаты экспериментов для преобразователя на стороне низкого напряжения без демпфера. Vin = 125 В, Iin = 10,51 A, L = 4,17 мкГн, VLrms = 106 В, ILrms = 202 A, fs = 20 кГц, IOFF = 300 A, RG = 2,5 Ом. Шкала времени: 20 мкс / дел. Канал 1 (желтый) — затворный импульс транзистора С2, 10 В / дел. Канал 2 (розовый) — затворный импульс транзистора D2, 10 В / дел. Канал 3 (синий) — напряжение IGBT C1, 100 В / дел. Канал 4 (зеленый) — ток IGBT C1, 100 А / дел.

Входная мощность, потребляемая от источника, использующего демпферные конденсаторы 100 нФ, ниже, чем у других демпферов.Более того, наблюдается значительное снижение dv / dt во время переходных процессов переключения. Следовательно, для IGBT на стороне низкого напряжения выбраны демпферы 100 нФ. На рисунке 10 показаны экспериментальные формы сигналов для IGBT на стороне низкого напряжения C 1 с демпфирующим конденсатором 100 нФ. На рисунке 11 показано распределение потерь мощности для мостового преобразователя на стороне низкого напряжения при работе 19,2 кВА с демпфирующими конденсаторами и без них, как определено в результате измерений. Потери переключения IGBT являются доминирующими. Потери мощности из-за кабелей, шин и соединений не включены.Когда демпфирующие конденсаторы 100 нФ подключены к IGBT, значительного снижения коммутационных потерь не происходит. Экспериментальные потери мощности при использовании демпфера 100 нФ составляют 135 Вт, а dv / dt во время переходного процесса переключения значительно снижается, тем самым сводя к минимуму нагрузки на устройство.

Рис. 10.

Экспериментальные формы сигналов преобразователя на стороне низкого напряжения с демпфером 100 нФ. Vin = 125 В, Iin = 9,29 A, L = 4,17 мкГн, VLrms = 106 В, ILrms = 202 A, fs = 20 кГц, IOFF = 300 A, RG = 2.5 Ом. Шкала времени: 10 мкс / дел. Канал 1 (желтый) — затворный импульс транзистора С2, 10 В / дел. Канал 2 (розовый) — затворный импульс транзистора D2, 10 В / дел. Канал 3 (синий) — напряжение IGBT C1, 100 В / дел. Канал 4 (зеленый) — ток IGBT C1, 100 А / дел.

Рисунок 11.

Экспериментальное измерение потерь мощности преобразователя на стороне низкого напряжения с демпфером и без него. Vin = 125 В, L = 4,17 мкГн, fs = 20 кГц, IOFF = 300 A, VLrms = 106 В, ILrms = 202 A, RG = 2,5 Ом.

Сравнение теоретических и практических потерь мощности устройств на стороне высокого и низкого напряжения показано на рисунках 12 и 13, соответственно, для устройств на передней опоре для проверки математических моделей, описывающих уравнения тока устройства.Наблюдается тесная корреляция между расчетными и экспериментальными значениями потерь мощности, что демонстрирует эффективность представленных математических моделей.

Рис. 12.

Сравнение потерь мощности устройств на стороне ВН — расчетных (Calc) и экспериментальных (Exp).

Рисунок 13.

Сравнение потерь мощности устройств на стороне низкого напряжения — расчетных (Calc) и экспериментальных (Exp).

5. Заключение

Был представлен анализ потерь мощности IGBT в высоковольтном мощном DC-DC преобразователе DAB, предназначенном для использования в системе накопления энергии в аэрокосмической отрасли.Были даны рекомендации по выбору соответствующих IGBT для прототипа DAB DC-DC преобразователя 20 кВт, 540/125 В, 20 кГц, подходящего для аэрокосмических приложений. Обсуждались важные параметры, указанные в техническом описании устройства для расчета потерь мощности устройства. Анализ потерь мощности был выполнен для высоковольтных IGBT, соответствующих пяти ведущим производителям, и низковольтных IGBT, соответствующих четырем ведущим производителям, на основе конструкции прототипа преобразователя DAB. Помимо рекомендаций, приведенных в этой главе, некоторые производители IGBT предлагают поддержку клиентов для оценки потерь устройств с помощью программного пакета.Такие программные пакеты могут быть использованы для предварительных исследований для оценки потерь в устройстве и температуры перехода для различных условий эксплуатации. В этой работе были представлены экспериментальные результаты для работы при пиковом токе 540 В, 80 А на IGBT на стороне высокого напряжения и при пиковом токе 125 В, 300 A на IGBT на стороне низкого напряжения. Использование демпфирующих конденсаторов на стороне ВН преобразователя привело к снижению потерь переключения IGBT почти на 45%. Использование демпфирующих конденсаторов в устройствах на стороне низкого напряжения привело к возникновению паразитного звонка без значительного снижения коммутационных потерь мощности.Однако демпферы на стороне низкого напряжения действительно снижали напряжения устройства, ограничивая dv / dt . Экспериментальные результаты показывают, что использование демпфирующих конденсаторов на IGBT снижает коммутационные потери и нагрузки на устройства и, таким образом, улучшает характеристики преобразователя.

Благодарности

Автор благодарит компанию Rolls-Royce plc и Совет по инженерным и физическим наукам (EPSRC), Великобритания, за стипендию DHPA в Университете Манчестера.

Электротехника: диодные цепи


Для двухполупериодного выпрямителя основная частота пульсаций напряжения в два раза больше, чем у источника переменного тока

частота (120 Гц), где для полуволнового выпрямителя она точно равна частоте питания (60 Гц).

Vout = VC2 = 2Vm

–Зинер действует как обрыв

Объективные вопросы:


1) Диод с максимальной рассеиваемой мощностью 700 мВт при 25 ° C имеет коэффициент снижения мощности 5 мВт / градус. если прямое падение напряжения остается постоянным на уровне 0,7 В, максимальный прямой ток при 65 ° C составляет

a) 700 мА b) 714 мА c) 1 A d) 1 мА

Ответ: b) 714 мА.

Пояснение:

P при 25 = 700 мВт;

dP / dT = -5 мВт / градус Цельсия

P при 65 = P при 25-dP / dT * (65-25) = 700-5 * 40 = 500 мВт;

I = P / V = ​​500/0.7 = 714 мА.

2)

Для схемы, показанной выше с использованием идеального диода, значения напряжения и тока соответственно равны

.

а) -3 В и 0,6 мА б) 3 В и ноль в) 3 В и 0,6 мА в) -3 В и ноль

Ответ: а) -3 В и 0,6 мА


Пояснение:


I = (3 — (- 3)) / 10к = 0,6 мА; V = -3 В; диод в прямом смещении;

3) Однополупериодный выпрямитель имеет входное напряжение 240 В (действующее значение).если понижающий трансформатор имеет коэффициент трансформации 8: 1. Какое пиковое напряжение нагрузки? игнорировать падение диода.

а) 27,5 В б) 86,5 В в) 30,0 В г) 42,5 В

Ответ: d) 42,5 В

V1rms = 240 В, V2rms = 240/8 = 30 В;

V2peak = 30 * sqrt (2) = 42,5 В;

4) Утверждение (A): обратный ток насыщения примерно удваивается на каждые 10 градусов Цельсия повышения температуры как для Si, так и для Ge.
Причина (R): При комнатной температуре t Напряжение p-n перехода уменьшается примерно на 2,5 мВ / градус Цельсия с повышением температуры.
a) И A, и R истинны по отдельности, и R является правильным объяснением A
b) И A, и R по отдельности истинны, но R не является правильным объяснением A
c) A истинно, но R ложно
d) A ложно, но R истинно

Ответ: b) Оба A и R по отдельности верны, но R не является правильным объяснением A
Объяснение: См. Тему выше
5) Утверждение (A): Падение напряжения германиевого диода больше, чем у кремниевого диода.
Причина (R): Германиевый диод имеет более высокий обратный ток насыщения, чем кремниевый диод.

Ans) d) A неверно, но R истинно
Объяснение: См. Тему выше

6) Когда переходной диод используется в качестве полуволнового выпрямителя с чисто резистивной нагрузкой и синусоидальным входным напряжением, каково значение угла проводимости диода (где Φ — угол зажигания, соответствующий уменьшению напряжения)?
a) π b) π-Φ c) π-2Φ d) Немного больше π
Ответ: c) π-2Φ

7) Рассмотрим следующие утверждения для диода с p-n переходом:
1.это активный компонент
2. Уменьшение ширины обедненного слоя при прямом смещении
3. В случае обратного смещения ток насыщения увеличивается с повышением температуры
какое из приведенных выше утверждений является правильным?
a) 1,2 и 3 b) 1 и 2 c) 2 и 3 d) 1 и 3
Ответ: a) 1,2 и 3.

8) Какое из следующих утверждений неверно?
a) Обратный ток насыщения в BJT примерно удваивается на каждые 10 градусов Цельсия повышения температуры.
б) Обратное сопротивление переходного диода увеличивается с повышением температуры
в) Обратный ток насыщения кремниевого диода намного меньше, чем у германиевого диода.
d) Напряжение включения кремниевого диода больше, чем напряжение включения германия
Ответ: b
Пояснение: См. Тему выше

9) Когда положительное напряжение постоянного тока подается на сторону n относительно стороны p, диод, как говорят, получает напряжение
a) прямое смещение b) обратное смещение c) нулевое смещение d) нейтральное смещение
Ответ: б) обратное смещение
Пояснение: См. Тему выше

10) Комбинация двух диодов, соединенных параллельно по сравнению с одним диодом, может выдерживать
a) удвоенное значение пикового обратного напряжения
b) удвоенное значение максимального прямого тока
c) большее ток утечки
г) удвоенное значение напряжения отключения
Ответ: б) удвоенное значение максимального прямого тока

11) Сопротивление переменного тока диода с прямым смещением pn-перехода, работающего при напряжении смещения V и токе I, составляет
a) ноль b) постоянное значение, не зависящее от V и I c) V / I d) ΔV / ΔI
и: d) ΔV / ΔI

12)

Ответ:

13) Выпрямитель с основной частотой пульсаций, равной удвоенной частоте сети, имеет коэффициент пульсаций 0.482 и КПД преобразования мощности равен 81,2%. Выпрямитель

1. мостовой выпрямитель

2. двухполупериодный (немостовой выпрямитель

3. полупериодный выпрямитель

какие из них верны?

a) 2 и 3 b) только 2 c) 1 и 2 d) 1,2 и 3

Ответ: c) 1 и 2

14) Рассмотрим следующие утверждения:

По сравнению с мостовым выпрямителем, двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом

1.имеет больший коэффициент использования трансформатора

2. может использоваться для плавающих выходных клемм, т. Е. Входная клемма не заземлена

3. требуется два диода вместо четырех

4. требуются диоды с более низким рейтингом PIV

Какое из приведенных выше утверждений верно?

a) 1 и 2 b) 1,2,3 и 4 c) только 3 d) 3 и 4

Ответ: c) только 3

15)

Выходной Vdc из вышеуказанной схемы равен

а) 12√2 б) 12 / π в) 24 / π г) 12 / √2

Ответ: б) 12 / π

16)














Ответ: в) 2Vm

Пояснение: Цепь удвоителя напряжения

17) Кремниевые диоды менее подходят для работы с выпрямителем низкого напряжения, потому что

а) не выдерживает высоких температур

б) его обратный ток насыщения низкий

c) высокое напряжение отключения

г) его напряжение пробоя высокое

Ответ: c) высокое напряжение отключения

Пояснение: См. Тему выше

18)







100 Ом

в данной схеме D1 — идеальный германиевый диод, а D2 — кремниевый диод с напряжением отсечки 0.7 В, прямое сопротивление 20 Ом и обратный ток насыщения 10 мА. Каковы значения I и V для этой схемы

соответственно
.
a) 60 мА и ноль b) 50 мА и ноль c) 53 мА и 0,7 В d) 44 мА и 1,58 В

Ответ: a) 60 мА и ноль

Пояснение: V = 0; I = 6/100 = 60 мА

19) Рассмотрим следующие утверждения:
Цепь фиксатора
1.добавляет или вычитает напряжение постоянного тока из формы волны
2. не изменяет форму волны
3. усиливает форму волны

Какие из следующих утверждений верны?
а) 1 и 2 б) 2 и 3 в) 1 и 3 г) 1,2 и 3

Ответ: a) 1 и 2

20) Однополупериодный выпрямитель с резистивной нагрузкой 1 кОм, выпрямители с пиковым значением переменного напряжения 325 В и прямым сопротивлением диода 100 Ом.Какое среднеквадратичное значение тока?

а) 295,4 мА б) 94,0 мА в) 147,7 мА г) 208,0 мА


Ответ: c) 147,7 мА
Пояснение: Rl = 1 кОм, Rf = 100 Ом Vm = 325 В

Im = Vm / (Rl + Rf) = 325 / (1000 + 100) = 295,45 мА.

Irms = Im / 2 = 295.45/2 = 147,7 мА

21) По какому из следующих критериев выбирается PIV-рейтинг диодов, используемых в цепях питания?
a) Диоды, которые будут использоваться в двухполупериодном выпрямителе, должны иметь номинал 2 Вм, а в мостовом выпрямителе — Vm
b) Диоды, которые будут использоваться в двухполупериодном выпрямителе, должны иметь номинал Vm и мостовой выпрямитель, равный 2Vm
c) Все диоды должны быть рассчитаны только на Vm
d) Все диоды должны быть рассчитаны на 2Vm

Ответ: a) Диоды, которые будут использоваться в полноволновом выпрямителе, должны иметь номинальное напряжение 2 В · м, а в мостовом выпрямителе — равное V · м.
Пояснение: См. Тему выше.

22) Рассмотрим следующие схемы выпрямителя
1.Полупериодный выпрямитель без фильтра
2. Двухполупериодный выпрямитель без фильтра
3. Двухполупериодный выпрямитель с последовательным фильтром индуктивности
4. Двухполупериодный выпрямитель с емкостным фильтром
Последовательность этих выпрямительных цепей в порядке убывания их коэффициента пульсации
a) 1,2,3,4 b) 3,4,1,2 c) 1,4,3,2 d) 3,2,1,4
Ответ: a ) 1,2,3,4

23) Использование выпрямительного фильтра в цепи конденсатора дает удовлетворительные характеристики только при нагрузке
a) большой ток b) низкий ток c) высокое напряжение d) низкое напряжение

Ответ: б) ток низкий

Падение напряжения в электрических цепях

Падение напряжения в электрической цепи можно рассчитать по закону Ома как

U = RI (1)

где

U = падение напряжения (вольт, В)

R = электрическое сопротивление в электрической цепи (Ом, Ом)

I = ток (амперы, А)

Пример — падение напряжения

Падение напряжения в линии электропередачи 100 футов :

Электрическое сопротивление в цепи можно рассчитать

R = (1.02 Ом / 1000 футов) (100 футов) 2

= 0,204 Ом

Падение напряжения в цепи можно рассчитать с помощью (1)

U = ( 0,204 Ом ) (10 ампер)

= 2,04 вольт

Круговые милы и падение напряжения

Падение напряжения также можно рассчитать с использованием милов, например

U = KPLI / A (2)

где

3

K = удельное сопротивление ( Ом — круговые милы / фут)

P = фазовая постоянная = 2 (для однофазной) = 1.732 (для трехфазного)

L = длина провода (футы)

A = площадь провода (круглые милы)

Удельное электрическое сопротивление для различных материалов проводов

  • Сплошная медь, К = 11 (температура 77 o F — 121 o F), K = 12 (температура 122 o F — 167 o F)
  • Твердый алюминий, K = 18 (температура 77 o F — 121 o F), K = 20 (температура 122 o F — 167 o F)
  • Многожильная медь, K = 11 (температура 77 o F — 121 o F) , K = 12 (температура 122 o F — 167 o F)
  • Многожильный алюминий, K = 19 (температура 77 o F — 121 o F), K = 20 (температура 122 o F — 167 o F)

Пример — Удельное сопротивление и падение напряжения

При значениях из приведенного выше примера падение напряжения ок. n рассчитывается как

U = (11 Ом — круговые милы / фут) 2 (100 футов) (10 A) / (10400 мил)

= 2.11 В

Медный проводник — Таблица падения напряжения

Падение напряжения в медном проводнике можно оценить с помощью

U = f IL (3)

, где

f = коэффициент из таблицы ниже

I = ток (амперы)

L = длина проводника (футы)

Размер Коэффициент
— f —
AWG Метрическая 1 900 мм
Однофазный Трехфазный
14 2.08 0,476 0,42
12 3,31 0,313 0,26
10 5,26 0,196 0,17
8 8,3725 0,11
8 8,3725
6 13,3 0,0833 0,071
4 21,2 0,0538 0,046
3 0.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *