2.2.2. Шим с тиристором, запираемым импульсом

обратного тока

П роцесс принудительного запирания (коммутации) тиристора рассмотрим на примере работы широтно-импульсного модулятора, в котором в качестве ключа применен тиристор с принудительным запиранием импульсом обратного тока. Схема ШИМ приведена на рис. 2.4, а временные диаграммы, иллюстрирующие работу схемы, на рис. 2.5.

Рис.2.4 Схема принудительной коммутации тиристора импульсом обратного тока

Рис.2.5 Временные диаграммы напряжений и токов ШИМ при запирании тиристора импульсом обратного тока

При подаче напряжения питания и закрытом тиристоре VS1 никаких переходных процессов в схеме ШИМ не возникает.

В момент времени t₀, который далее принимаем за нулевой, включается силовой тиристор VS1 и напряжение источника питания E_S прикладывается к нагрузке. Эквивалентная схема замещения для интервала времени t₀ – t₁ приведена на рис.2.6, а. Ток нагрузки считается постоянным из-за наличия значительного индуктивного сопротивления L_H в нагрузке. Конденсатор С_К заряжается током i_Cк (жирный контур на рис.2.6, а), который протекает от источника питания через тиристор VS1, диод VD2 и индуктивность L_K.

а) б)

Рис.2.6 Схемы замещения ШИМ с коммутацией тиристора током:

а – для временного интервала t₀ –t₁;

б – для временного интервала t₂ –t₃ и t₃ –t₄

Процесс заряда конденсатора носит колебательный характер и описывается уравнением

. (2.16)

Начальные условия: i_Cк(0)=0, U_Cк(0)=0.

С учетом начальных условий решение уравнения (2.16) имеет вид:

, (2.17)

, (2.18)

где , .

Диод VD2 закрывается в момент времени t₁, когда ток конденсатора пытается изменить знак. Из уравнения (2.17) можно определить момент времени t₁, учитывая, что при t=t₁ . Соответственно

. (2.19)

Согласно уравнению (2.18) в момент времени t₁ напряжение конденсатора достигает своего максимального значения 2E_S.

Если ток нагрузки остается неизменным (индуктивность нагрузки достаточно большая), то на интервале t₁ – t₂ токи и напряжения в схеме остаются неизменными (рис.2.5).

В момент времени t₂ включается вспомогательный тиристор VS2. Схема замещения для временного интервала t₂ –t₃ показана на рис. 2.6, б жирными линиями. Переходные процессы в колебательном контуре описываются уравнением (2.16) при начальных условиях: i_Cк(0)=0, U_Cк(0)=2E_S. Ток и напряжение коммутирующего конденсатора описываются уравнениями:

, (2.20)

. (2.21)

Ток тиристора VS2, создаваемый колебательным контуром, возрастает и в момент времени t₃ становится равным току нагрузки. Ток тиристора VS1 уменьшается и в момент времени t₃ становится равным нулю, тиристор VS1 закрывается. Момент времени t₃ можно найти из уравнения (2.20):

, отсюда

. (2.22)

На временном интервале t₃ –t₄ ток колебательного контура превышает ток нагрузки, а избыток тока через диод VD1 возвращается в источник питания. Для этого интервала справедливы уравнения (2.20) и (2.21). Время, в течение которого открыт диод VD1, есть время, предоставляемое для запирания тиристора VS1:

. (2.23)

В момент времени t₄ = t₃ + t_K ток контура коммутации снижается до тока нагрузки, диод VD1 закрывается. Тиристор VS1 закрыт, а на конденсаторе C_K присутствует положительное остаточное напряжение

. (2.24)

На интервале t₄ – t₅ конденсатор С_К разряжается током нагрузки. Если ток нагрузки постоянен, то на индуктивности L_K нулевое падение напряжения, напряжение конденсатора и нагрузки линейно уменьшается:

. (2.25)

В момент t₅ конденсатор С_К разряжается до нуля и открывается диод VD3, через который протекает ток нагрузки. Момент времени t₅ может быть найден из уравнения (2.25) при условии, что u_H =0:

. (2.26)

До конца периода (момента времени t₀ +T) напряжение на нагрузке равно нулю, а ток нагрузки замыкается через диод VD3, индуктивность L_K и тиристор VS2. Далее процесс повторяется.