Базовая структура в силовой электронике: Коммутационная ячейка.
Commutation cell
Коммутационная ячейка в силовой электронике: структура, принцип работы, преобразование DC в переменный ток с помощью LC-цепей. Основа современных источников питания.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Основная структура в силовой электронике
Basic structure in power electronics
Коммутационная ячейка является основной структурой в силовой электронике. Она состоит из двух электронных ключей (в настоящее время – мощные полупроводниковые приборы, а не механические переключатели). Традиционно её называли "чоппером", но поскольку импульсные источники питания стали основной формой преобразования энергии, этот термин стал более распространенным. Назначение коммутационной ячейки – преобразовывать постоянный ток в прямоугольные импульсы переменного тока. Это делается для того, чтобы индуктор и конденсатор могли быть использованы в LC-цепи для изменения напряжения. В теории это процесс без потерь, а на практике достигается эффективность выше 80–90%. Выходной сигнал обычно проходит через фильтр для получения стабильного постоянного напряжения. Регулируя время включения и выключения (скважность) ключа в коммутационной ячейке, можно регулировать выходное напряжение. Этот базовый принцип лежит в основе большинства современных источников питания, от миниатюрных DC-DC преобразователей в портативных устройствах до крупных преобразовательных подстанций для передачи энергии постоянного тока высокого напряжения.
The commutation cell is the basic structure in power electronics. It is composed of two electronic switches (today, a high power semiconductor, not a mechanical switch). It was traditionally referred to as a chopper, but since switching power supplies became a major form of power conversion, this new term has become more popular. The purpose of the commutation cell is to "chop" DC power into square wave alternating current. This is done so that an inductor and a capacitor can be used in an LC circuit to change the voltage. This is, in theory, a lossless process; in practice, efficiencies above 80 90% are routinely achieved. The output is usually run through a filter to produce clean DC power. By controlling the on and off times (the duty cycle) of the switch in the commutation cell, the output voltage can be regulated. This basic principle is the core of most modern power supplies, from tiny DC DC converters in portable devices to massive switching stations for high voltage DC power transmission.
Структура коммутационной ячейки
Как упоминалось выше, коммутационная ячейка должна быть расположена между источниками напряжения и тока. В зависимости от состояния ячейки, оба источника либо соединены, либо изолированы. При изоляции источник тока должен быть закорочен, поскольку невозможно создать ток в разомкнутой цепи. Базовая схема коммутационной ячейки приведена на рисунке 3 (сверху). Она использует два переключателя с противоположными состояниями: в конфигурации, изображенной на рисунке 3, оба источника изолированы, а источник тока закорочен. Оба источника соединяются, когда верхний переключатель включен (а нижний выключен). Невозможно добиться идеальной синхронизации между переключателями. В какой-то момент во время коммутации они будут либо включены (тем самым замыкая источник напряжения на короткое замыкание), либо выключены (тем самым оставляя источник тока в разомкнутой цепи). Поэтому один из переключателей необходимо заменить диодом. Диод является естественным коммутирующим элементом, то есть его состояние контролируется самой схемой. Он включается или выключается в тот момент, когда это необходимо. Следствием использования диода в коммутационной ячейке является то, что она становится однонаправленной (см. рисунок 3). Двунаправленную ячейку можно построить, но она эквивалентна двум однонаправленным ячейкам, соединенным параллельно.
As mentioned above, a commutation cell must be placed between a voltage and current sources. Depending on the state of the cell, both sources are either connected, or isolated. When isolated, the current source must be shorted, as it is impossible for a current to be created in an open circuit. The basic schematic of a commutation cell is therefore given in figure 3 (top). It uses two switches with opposite states: In the configuration depicted in figure 3, both sources are isolated, and the current source is shorted. Both sources are connected when the top switch is on (and the bottom switch is off). It is impossible to have a perfect synchronization between the switches. At one point during the commutation, they would be either on (thus shorting the voltage source) or off (thus leaving the current source in an open circuit). This is why one of the switches has to be replaced by a diode. A diode is a natural commutation device, i. e., its state is controlled by the circuit itself. It will turn on or off at the exact moment it has to. The consequence of using a diode in a commutation cell is that it makes it unidirectional (see figure 3). A bidirectional cell can be built, but it is equivalent to two unidirectional cells connected in parallel.
Коммутационная ячейка в конверторах
Коммутационная ячейка встречается в любом силовом электронном преобразователе. Некоторые примеры приведены на рисунке 4. Как видно, между средней точкой и одним из внешних выводов коммутационной ячейки всегда подключен "источник тока" (фактически контур, содержащий индуктивность), а к двум внешним выводам всегда подключен источник напряжения (или конденсатор, или последовательное соединение источника напряжения и конденсатора).
The commutation cell can be found in any power electronic converter. Some examples are given in figure 4. As can be seen, a "current source" (actually a loop that contains an inductance) is always connected between the middle point and one of the external connections of the commutation cell, while a voltage source (or a capacitor, or a connection in series of voltage source and capacitor) is always connected to the two external connections.