Схеми заміщення перетворювачів

Напівпровідникові прилади більшості напівпровідникових перетворювачів працюють в ключові режимі: в замкненому стані опір напівпровідникових приладів значно менший, ніж опір інших елементів кола, а у розімкненому стані – значно більший. Тому у схемах заміщення напівпровідникових перетворювачів напівпровідникові прилади часто замінюють ключовими і вентильними елементами на основі S, RS моделей ідеальних ключів. Для врахування часу переключення напівпровідникових приладів в моделі додають реактивні елементи, що моделюють параметри приладів (ємності p-n переходів, індуктивності виводів і т.д.). Більшість інших елементів перетворювача заміняють ідеальними елементами – опорами, індуктивностями, ємностями. При наявності нелінійних елементів схеми, проводять кусково-лінійну апроксимацію їх ВАХ. В результаті заміни всіх приладів перетворювача на їх моделі утворюється схема заміщення перетворювача, яка складається з лінійних елементів і ідеальних ключів. В результаті, при заданій послідовності комутації ключових і вентильних елементів перетворювача, з схеми заміщення перетворювача утворюється набір його лінійних схем заміщення. При цьому розрахунок перехідного процесу в перетворювачі зводиться до розрахунку серії незавершених перехідних процесів у цьому наборі лінійних схем заміщення при незмінних параметрах елементів і зовнішньої дії, але при різних початкових умовах. Розрахунок перехідних процесів здійснюють до настання квазіусталеного режиму, коли процеси в перетворювачі починають періодично повторюватись.

В залежності від набору схем заміщення на всіх можливих інтервалах роботи перетворювача виділяють три класи еквівалентних схем перетворювачів:

1) схеми з постійною структурою і параметрами: їх структура і параметри залишаються постійними незалежно від інтервалу роботи перетворювача, залежно від інтервалу роботи змінюється лише значення зовнішньої дії;

2) схеми з постійною структурою і змінними параметрами: цей клас схем має постійну структуру, але параметри елементів схеми заміщення змінюються залежно від номеру інтервалу роботи перетворювача;

3) схеми зі змінною структурою, які залежно від інтервалу роботи перетворювача змінюють свою структуру.

Математична модель, за допомогою якої виконується аналіз процесів в перетворювачі, формується на основі диференційних рівнянь складених для кожної лінійної схеми заміщення. Для схем з постійною структурою і параметрами система диференційних рівнянь є спільною для всіх лінійних схем заміщення, ця система відрізнятиметься лише значенням вільного члену, який виражає вплив зовнішньої дії. Системи диференційних рівнянь лінійних схем заміщення ланцюгів з постійною структурою і змінними параметрами мають спільну структуру але різні значення постійних коефіцієнтів при похідних. В ланцюгах зі змінною структурою, системи диференційних рівнянь для лінійних схем різних інтервалів складаються незалежно одна від одної. Зважаючи на це найпростіше виконувати аналіз процесів у перетворювачах, які представляються ланцюгами з постійною структурою і параметрами, найскладніше – у ланцюгах зі змінною структурою.

При аналізі процесів за допомогою еквівалентних схем заміщення перетворювачів також необхідно враховувати особливості комутації вентильних і ключів елементів, які можуть визначатись, як сигналами системи керування, так і процесами в окремих гілках перетворювача. Тому в кожному класі еквівалентних схем необхідно виділяти підкласи схем:

- з відомими моментами комутації ключових і вентильних елементів;

- з невідомими моментами, але з відомим порядком комутації ключових і вентильних елементів;

- з невідомими моментами і з невідомим порядком комутації ключових і вентильних елементів.

Оскільки процес розрахунку перехідних процесів є достатньо трудомісткою задачею, то при складанні еквівалентних схем намагаються мінімізувати кількість елементів моделей, якими заміняються реальні прилади, але при цьому еквівалентна схема перетворювача в цілому повинна адекватно відображати досліджувані процеси.

При дослідженні комутаційних напруг або струмів елементів перетворювача, розрахунку динамічних втрат у вентильних і ключових елементах, електромагнітної сумісності пристроїв використовують повні моделі приладів, оскільки тривалість процесів від яких залежать вказані характеристики перетворювача значно менші, ніж період роботи перетворювача τ<<T і задаються паразитними параметрами використовуваних приладів. Зважаючи на це, еквівалентні схеми заміщення для дослідження процесів з тривалістю τ<<T найчастіше відносяться до класу схем зі змінною структурою з невідомими моментами, але з відомим порядком комутації ключових і вентильних елементів.

Для оцінки інших параметрів (коефіцієнту пульсації, середніх значень струмів і напруг через елементи, тривалості пускового режиму), які залежать від процесів, тривалість яких співвимірна з періодом роботи перетворювача τ~T, можна використовувати спрощені моделі приладів, при цьому трудомісткість розрахунку процесів у перетворювачі значно зменшується. Схеми заміщення для процесів з тривалістю τ~T можуть відноситись до різного класу, але при можливості, навіть за умови деякого зниження точності отриманих результатів, їх намагаються звести до схем з постійною структурою і параметрами. Це пояснюється тим, що в більшості випадків аналіз процесів у перетворювачі проводиться для оцінки струмів і напруг на його елементах. Зважаючи на те, що допуск на параметри більшості приладів широкого вжитку знаходиться в межах 5-20%, то і мінімальна похибка результату ніяк не може бути меншою цих значень. Тому використання спрощеної схеми заміщення, якщо її похибка не перевищує допуску на окремі прилади перетворювача, в цьому випадку цілком виправдане.

На прикладі однотактних перетворювачів постійної напруги і інвертора на основі мостової схеми, які зображено на рис.1, розглянемо особливості побудови схем заміщення і вибору моделей окремих приладів перетворювача. При складанні схем заміщення перетворювачів використовуються ERS-моделі діодів, RS-моделі транзисторів, до складу моделі джерела ЕРС входить його внутрішній опір R_ВН, дроселів – їх активний опір R_L. При співставлені лінійних схем заміщення на інтервалах видно, що схема заміщення понижуючого перетворювача відноситься до класу схем з постійною структурою зі змінними параметрами з відомими моментами комутації ключових і вентильних елементів. Схеми заміщення інвертуючого і підвищуючого перетворювачів відносяться до класу схем зі змінною структурою з відомими моментами комутації ключових і вентильних елементів . Схема заміщення мостового інвертора відноситься до класу схем з постійною структурою зі змінними параметрами з невідомими моментами комутації ключових і вентильних елементів.

З аналізу схем заміщення понижуючого перетворювача і інвертора видно, що прийнявши R_VT = R_VD = R і не враховуючи внутрішній опір джерела ЕРС R_ВН їх можна звести до схем з постійною структурою і параметрами, які показані на рис. 2, що зменшує обсяг розрахунків вказаних перетворювачів.