Моделирование электрических схем защиты с использованием силовых лавинных диодов
Показана эффективность защиты от перенапряжений с помощью электрических схем с применением лавинных диодов, использующих для гашения импульсов перенапряжения лавинный разряд....
Gespeichert in:
| Datum: | 2010 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2010
|
| Schriftenreihe: | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/51960 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Моделирование электрических схем защиты с использованием силовых лавинных диодов / В.В. Кравчина, Н.Н. Нагорная // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2010. — № 4. — С. 3-10. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-51960 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-519602013-12-21T03:15:34Z Моделирование электрических схем защиты с использованием силовых лавинных диодов Кравчина, В.В. Нагорная, Н.Н. Электронные средства: исследования, разработки Показана эффективность защиты от перенапряжений с помощью электрических схем с применением лавинных диодов, использующих для гашения импульсов перенапряжения лавинный разряд. Розглядаються особливості комутаційних параметрів ча-стотних лавинних діодів і моделювання їхнього застосуання в електричних схемах захисту. Показано ефективність захисту від перенапруг, що утворюються прикомутації під час перехідних процесів, за допомогою електричних схем із застосуѕанням лавинних діодів, які використовують для гасіння імпульсів перенапруг лавинний розряд. Моделювання роботи електронних силових пристроїв проводилося в системі MATLAB+Simulink із застосуванням пакета SimPowerSystems. Features of switching parameters of frequency avalanche diodes and modeling of their application in the electric schemes of protection are considered. Efficiency of protection against of the overvaulting are formed at switching in the course of transients, by means of electric schemes with application of avalanche diodes and there are using clearing of the impulses of overvaulting by initiation of the avalanche discharge. Modeling of work of the electronic power devices was spent in the system MATLAB+Simulink with simultaneous there is application of the package SimPowerSystems. 2010 Article Моделирование электрических схем защиты с использованием силовых лавинных диодов / В.В. Кравчина, Н.Н. Нагорная // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2010. — № 4. — С. 3-10. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 2225-5818 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/51960 ru Технология и конструирование в электронной аппаратуре Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Электронные средства: исследования, разработки Электронные средства: исследования, разработки |
| spellingShingle |
Электронные средства: исследования, разработки Электронные средства: исследования, разработки Кравчина, В.В. Нагорная, Н.Н. Моделирование электрических схем защиты с использованием силовых лавинных диодов Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| description |
Показана эффективность защиты от перенапряжений с помощью электрических схем с применением лавинных диодов, использующих для гашения импульсов перенапряжения лавинный разряд. |
| format |
Article |
| author |
Кравчина, В.В. Нагорная, Н.Н. |
| author_facet |
Кравчина, В.В. Нагорная, Н.Н. |
| author_sort |
Кравчина, В.В. |
| title |
Моделирование электрических схем защиты с использованием силовых лавинных диодов |
| title_short |
Моделирование электрических схем защиты с использованием силовых лавинных диодов |
| title_full |
Моделирование электрических схем защиты с использованием силовых лавинных диодов |
| title_fullStr |
Моделирование электрических схем защиты с использованием силовых лавинных диодов |
| title_full_unstemmed |
Моделирование электрических схем защиты с использованием силовых лавинных диодов |
| title_sort |
моделирование электрических схем защиты с использованием силовых лавинных диодов |
| publisher |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Электронные средства: исследования, разработки |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/51960 |
| citation_txt |
Моделирование электрических схем защиты с использованием силовых лавинных диодов / В.В. Кравчина, Н.Н. Нагорная // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2010. — № 4. — С. 3-10. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| work_keys_str_mv |
AT kravčinavv modelirovanieélektričeskihshemzaŝitysispolʹzovaniemsilovyhlavinnyhdiodov AT nagornaânn modelirovanieélektričeskihshemzaŝitysispolʹzovaniemsilovyhlavinnyhdiodov |
| first_indexed |
2025-07-04T14:16:34Z |
| last_indexed |
2025-07-04T14:16:34Z |
| _version_ |
1836726197086584832 |
| fulltext |
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2010, ¹ 4
3
ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÑÐÅÄÑÒÂÀ: ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß, ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ
Äàòà ïîñòóïëåíèÿ â ðåäàêöèþ
13.11 2009 ã.
Îïïîíåíò ä. ò. í. À. Ô. ÊÀÄÀÖÊÈÉ
(ÎÍÀÑ, ã. Îäåññà)
Ê. ò. í. Â. Â. ÊÐÀÂ×ÈÍÀ, Í. Í. ÍÀÃÎÐÍÀß
Óêðàèíà, Çàïîðîæñêàÿ ãîñóäàðñòâåííàÿ èíæåíåðíàÿ àêàäåìèÿ,
Çàïîðîæñêèé íàöèîíàëüíûé òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò
E-mail: Êravchina@list.ru
ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈÅ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÑÕÅÌ ÇÀÙÈÒÛ
Ñ ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈÅÌ ÑÈËÎÂÛÕ ËÀÂÈÍÍÛÕ ÄÈÎÄÎÂ
Ïîêàçàíà ýôôåêòèâíîñòü çàùèòû îò
ïåðåíàïðÿæåíèé ñ ïîìîùüþ ýëåêòðè÷å-
ñêèõ ñõåì ñ ïðèìåíåíèåì ëàâèííûõ äèîäîâ,
èñïîëüçóþùèõ äëÿ ãàøåíèÿ èìïóëüñîâ
ïåðåíàïðÿæåíèÿ ëàâèííûé ðàçðÿä.
Ïðîìûøëåííîñòü Óêðàèíû âûïóñêàåò ðÿä ëàâèí-
íûõ äèîäîâ (â òàáëåòî÷íîì èñïîëíåíèè, à òàêæå â
øòûðåâûõ êîðïóñàõ ñ æåñòêèìè è ãèáêèìè âûâîäà-
ìè), ðàñ÷èòàííûõ íà òîêè â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè IFAV
îò 10 äî 5000 À, ñ ìîùíîñòüþ, âûäåëÿåìîé â ëàâèíå,
îò 2,5 äî 16 êÂò (ñïîñîáíûõ ïðîïóñêàòü äîñòàòî÷íî
áîëüøèå îáðàòíûå òîêè, ñîñòàâëÿþùèå 1�10% îò
äîïóñòèìîãî ïðÿìîãî òîêà â òå÷åíèå äî 100 ìêñ [1])
ïðè ïîâòîðÿþùèõñÿ èìïóëüñíûõ îáðàòíûõ íàïðÿæå-
íèÿõ URRM â äèàïàçîíå îò 800 äî 3800 Â è âûøå.
Òàêæå âûïóñêàþòñÿ áûñòðîâîññòàíàâëèâàþùèåñÿ ëà-
âèííûå äèîäû Ä×Ë233, Ä×Ë253, îñîáåííîñòè êîí-
ñòðóêöèè êîòîðûõ ðàññìàòðèâàþòñÿ â [2, 3].
Ëàâèííûå äèîäû øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ â âûïðÿ-
ìèòåëüíûõ àãðåãàòàõ äëÿ ìåòàëëóðãè÷åñêîé, õèìè÷å-
ñêîé ïðîìûøëåííîñòè, æåëåçíîäîðîæíîãî òðàíñïîð-
òà è â äðóãèõ ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ èçäåëèÿõ, â êîòî-
ðûõ íàáëþäàåòñÿ èëè ìîæåò âîçíèêíóòü íàïðÿæåíèå
âûøå äîïóñòèìîãî. Ïðåèìóùåñòâî ëàâèííûõ äèîäîâ
ïåðåä ñèëîâûìè âûïðÿìèòåëüíûìè äèîäàìè ñîñòîèò
â òîì, ÷òî îíè, èìåÿ ìåíüøóþ ìîùíîñòü, íå ðàçðó-
øàþòñÿ ïðè çíà÷èòåëüíûõ ïðåâûøåíèÿõ íàïðÿæåíèÿ,
à ïîñëå ñíÿòèÿ ïåðåíàïðÿæåíèÿ âîññòàíàâëèâàþò ñâîè
ïàðàìåòðû. Èñïîëüçîâàíèå òàêèõ äèîäîâ ïîçâîëÿåò
óâåëè÷èòü íàäåæíîñòü ýëåêòðè÷åñêèõ ñõåì, òàê êàê
çàùèòíûå âîçìîæíîñòè ëàâèííîãî ïðîáîÿ ïðåîáëà-
äàþò ïî ìîùíîñòè ïî ñðàâíåíèþ ñ îáû÷íûì ñèëî-
âûì äèîäîì.
Èññëåäîâàíèå è ìîäåëèðîâàíèå ðàáîòû ýëåêòðè-
÷åñêèõ ñõåì çàùèòû ñèëîâûõ ïðèáîðîâ ñ ïðèìåíå-
íèåì ëàâèííûõ äèîäîâ âàæíû è íåîáõîäèìû äëÿ ðàç-
ðàáîò÷èêîâ êàê àãðåãàòíîãî îáîðóäîâàíèÿ, òàê è ñè-
ëîâûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ. Ïîýòîìó öåëüþ
íàñòîÿùåé ðàáîòû ÿâëÿëîñü ïðîâåäåíèå ìîäåëèðîâà-
íèÿ ñèëîâûõ ñõåì ñ çàùèòíûìè ëàâèííûìè äèîäà-
ìè, à òàêæå èññëåäîâàíèå îñîáåííîñòåé ÂÀÕ è êîì-
ìóòàöèîííûõ õàðàêòåðèñòèê ëàâèííûõ äèîäîâ. Çàäà-
÷à ñîñòîÿëà â èññëåäîâàíèè ýëåêòðè÷åñêèõ ñõåì çà-
ùèòû êëþ÷åé ñ ïðèìåíåíèåì ëàâèííûõ äèîäîâ, â
ñîçäàíèè è èññëåäîâàíèè ìîäåëåé ëàâèííûõ äèîäîâ
è ïðîâåäåíèè ìîäåëèðîâàíèÿ ðàáîòû ñõåì çàùèòû ñ
ïîìîùüþ ñèñòåìû MATLAB.
Ïðè óâåëè÷åíèè îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ, ïðèëîæåí-
íîãî ê p+�n-ïåðåõîäó ëàâèííîãî äèîäà, íàïðÿæåí-
íîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ â îáëàñòè ïðîñòðàíñòâåí-
íîãî çàðÿäà (ÎÏÇ) óâåëè÷èâàåòñÿ, äîñòèãàÿ çíà÷åíèé,
ïðè êîòîðûõ íàáëþäàåòñÿ çàìåòíàÿ óäàðíàÿ èîíèçà-
öèÿ [4�6]. Ïðè ýòîì ýëåêòðîíû è äûðêè îáðàçóþò
âòîðè÷íûå ýëåêòðîííî-äûðî÷íûå ïàðû, êîòîðûå
óìíîæàþòñÿ â ÎÏÇ. Êîëè÷åñòâåííîé õàðàêòåðèñòèêîé
ýòîãî ïðîöåññà ÿâëÿåòñÿ êîýôôèöèåíò óìíîæåíèÿ
íîñèòåëåé.  ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëÿõ, íàïðÿæåííîñòü
êîòîðûõ ïðåâûøàåò 105�106 Â/ñì, íîñèòåëè çàðÿäà
ïðèîáðåòàþò ýíåðãèþ, äîñòàòî÷íóþ äëÿ óäàðíîé èîíè-
çàöèè àòîìîâ êðèñòàëëà è ðîæäåíèÿ íîâûõ ýëåêòðîí-
íî-äûðî÷íûõ ïàð, âñëåäñòâèå ÷åãî íàñòóïàåò ëàâèí-
íûé ïðîáîé.  ëàâèííûõ äèîäàõ íà ïåðâîíà÷àëüíîé
ñòàäèè ëàâèííîãî ïðîáîÿ îáðàçóþòñÿ îáëàñòè ìàëûõ
ðàçìåðîâ ñ ëîêàëüíûìè ïðîáîÿìè (ìèêðîïëàçìåí-
íûå ïðîáîè) è ìåíüøèì íàïðÿæåíèåì ïðîáîÿ ïî ñðàâ-
íåíèþ ñ îäíîðîäíûìè îáëàñòÿìè p�n-ïåðåõîäà.
Ïðè ïîÿâëåíèè ìèêðîïëàçìåííîãî ïðîáîÿ âîëüò-
àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà (ÂÀÕ) âûïðÿìèòåëüíîãî ýëå-
ìåíòà îïèñûâàåòñÿ ñëåäóþùåé çàâèñèìîñòüþ [3]:
0
ïðîá 0
d
( ) ( )(1 ) d ,
d
I
T
I
U
U I U I T I
I
= + β ∆ + ∫ (1)
Âåëè÷èíà dU/dI=RdR ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé äèôôå-
ðåíöèàëüíîå (äèíàìè÷åñêîå) ñîïðîòèâëåíèå p�n-
ñòðóêòóðû â îáëàñòè ëàâèííîãî ïðîáîÿ è îïðåäåëÿåò-
ñÿ ñîïðîòèâëåíèåì è êîëè÷åñòâîì îáëàñòåé ìèêðî-
ïëàçìåííîãî ïðîáîÿ. Çàâèñèìîñòü äèíàìè÷åñêîãî ñî-
ïðîòèâëåíèÿ ëàâèííûõ äèîäîâ îò îáðàòíîãî òîêà îïè-
ñûâàåòñÿ ôîðìóëîé IRdR=A. Âåëè÷èíà À õàðàêòåðè-
çóåò ñòåïåíü îäíîðîäíîñòè ëàâèííîãî ïðîáîÿ è äëÿ
p�n-ïåðåõîäîâ ñ Uïðîá=400�1000 Â ñîñòàâëÿåò 4�
10 Â. Âåëè÷èíà RdR ïðè áîëüøèõ îáðàòíûõ òîêàõ ñòðå-
ìèòñÿ ê íåêîòîðîìó íàñûùåíèþ.
Èçîòåðìè÷åñêàÿ ÂÀÕ p�n-ïåðåõîäà â îáëàñòè ìèê-
ðîïëàçìåííîãî ïðîáîÿ îïèñûâàåòñÿ çàâèñèìîñòüþ
ïðîá 0( ) ( )
0 .
U I U I
AI I e
−
= (2)
ãäå Uïðîá �
I0 �
∆T �
βT �
íàïðÿæåíèå «çàãèáà» íà êðèâîé ÂÀÕ (íàïðÿæåíèå, ïðè
êîòîðîì ïîÿâëÿþòñÿ ïåðâûå ìèêðîïëàçìåííûå ïðîáîè);
òîê, ñîîòâåòñòâóþùèé íàïðÿæåíèþ Uïðîá;
ïåðåãðåâ p�n-ïåðåõîäà çà ñ÷åò ïðîòåêàíèÿ îáðàò-
íîãî òîêà I, ∆T=T2�T1;
òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò ïðîáèâíîãî íàïðÿæåíèÿ.
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2010, ¹ 4
4
ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÑÐÅÄÑÒÂÀ: ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß, ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ
Ïðè äàëüíåéøåì óâåëè÷åíèè îáðàòíîãî íàïðÿæå-
íèÿ îáúåì îáëàñòåé ñ ìèêðîïëàçìåííûìè îáðàçîâà-
íèÿìè çíà÷èòåëüíî óâåëè÷èâàåòñÿ, è ÂÀÕ ëàâèííîãî
äèîäà ñòàíîâèòñÿ ëèíåéíîé [4�6]:
ë
ë( ) ,m
d
U U
I U
R
−
= (3)
Äèôôåðåíöèàëüíîå ñîïðîòèâëåíèå Rd îïðåäåëÿåò-
ñÿ íàêëîíîì ÂÀÕ íà ëèíåéíîì ó÷àñòêå, Um îïðåäå-
ëÿåòñÿ ïðîäëåíèåì ëèíåéíîãî ó÷àñòêà ÂÀÕ äî ïåðåñå-
÷åíèÿ ñ óðîâíåì îáðàòíîãî òîêà p�n-ïåðåõîäà, ïðî-
òåêàþùåãî âíå îáëàñòè îáðàçîâàíèÿ ìèêðîïëàçìåí-
íûõ êàíàëîâ.
Ïðîâåäåíèå ýêñïåðèìåíòà
 ðàáîòå ïðîâîäèëîñü èññëåäîâàíèå ðàçëè÷íûõ
ñåðèéíûõ äèîäíûõ ñòðóêòóð ïðîèçâîäñòâà ÎÎÎ «Ýëå-
ìåíò-Ïðåîáðàçîâàòåëü» (Óêðàèíà, ã. Çàïîðîæüå), êî-
òîðûå ôîðìèðîâàëèñü íà ïëàñòèíàõ êðåìíèÿ n-òèïà ñ
óäåëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì 40�60 Îì·ñì. Ñ îäíîé
ñòîðîíû ïëàñòèí Si ôîðìèðîâàëñÿ ð+�ð-ñëîé îáëàñ-
òè àíîäà çà ñ÷åò äèôôóçèè áîðà ñ àëþìèíèåì íà ãëó-
áèíó 60�110 ìêì, à ñ äðóãîé ñòîðîíû ïëàñòèí ôîð-
ìèðîâàëñÿ n+-ñëîé Si êàòîäíîé îáëàñòè çà ñ÷åò äèô-
ôóçèè ôîñôîðà íà ãëóáèíó 40�70 ìêì. Îäíîâðå-
ìåííàÿ äèôôóçèÿ àêöåïòîðíîé è äîíîðíîé ïðèìåñåé
ïðîèñõîäèëà ïðè òåìïåðàòóðå 1250°Ñ â ïðèñóòñòâèè
ëåãèðîâàííûõ îêñèäíûõ ïëåíîê. Îìè÷åñêèå êîíòàê-
òû àíîäà è êàòîäà ïîëó÷àëè ïóòåì ôîðìèðîâàíèÿ ïëå-
íîê àëþìèíèÿ.
Ïðîâîäèëñÿ êîíòðîëü îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ ñôîð-
ìèðîâàííûõ äèîäíûõ ñòðóêòóð:
� âðåìåíè æèçíè íåîñíîâíûõ íîñèòåëåé çàðÿ-
äà τð;
� âðåìåíè îáðàòíîãî âîññòàíîâëåíèÿ trr=ts+tf, ãäå
ts � âðåìÿ çàïàçäûâàíèÿ îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ, tf
� âðåìÿ ñïàäà îáðàòíîãî òîêà;
� òîêà Irr è çàðÿäà Qrr=Qs+Qf îáðàòíîãî âîññòà-
íîâëåíèÿ, ãäå Qs � çàðÿä çàïàçäûâàíèÿ, Qf � îñòà-
òî÷íûé çàðÿä;
� àìïëèòóäíîãî çíà÷åíèÿ îáðàòíîãî òîêà IRRM;
� óñòàíîâèâøåãîñÿ èìïóëüñíîãî ïðÿìîãî íàïðÿ-
æåíèÿ UFM;
� èìïóëüñíîãî ïåðåõîäíîãî ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ
UFR;
� âðåìåíè ðåëàêñàöèè èìïóëüñà tFR (ðèñ. 1).
Êðîìå ïåðå÷èñëåííûõ ïàðàìåòðîâ êîíòðîëèðîâà-
ëèñü òàêæå êîììóòàöèîííûå õàðàêòåðèñòèêè äèîäíûõ
ñòðóêòóð, òàêèå êàê âðåìÿ è âåëè÷èíà èçìåíåíèÿ òîêà
è íàïðÿæåíèÿ ïðè âêëþ÷åíèè ïðÿìîãî UFÌ èëè
îáðàòíîãî UR íàïðÿæåíèÿ.
 òàáëèöå ïðèâåäåíû ïîëó÷åííûå ýêñïåðèìåí-
òàëüíî ÷èñëåííûå çíà÷åíèÿ êîììóòàöèîííûõ ïàðàìåò-
ðîâ èññëåäóåìûõ ëàâèííûõ äèîäîâ òèïà Ä×Ë271,
èìåþùèõ ðàçíóþ øèðèíó áàçû Wn è âðåìÿ æèçíè τp
íåðàâíîâåñíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà â áàçå.
Ïðèâåäåííûå çíà÷åíèÿ òîêà ²rr, âðåìåíè trr è çàðÿ-
äà Qrr ïîëó÷åíû ïðè ñêîðîñòè èçìåíåíèÿ àíîäíîãî
òîêà dI/dt=100 A/ìêñ.
Íà ðèñ. 2 äëÿ òåõ æå îáðàçöîâ ëàâèííûõ äèîäîâ
ïðèâåäåíû èìïóëüñû ïðÿìîãî ïåðåõîäíîãî íàïðÿæå-
íèÿ ïðè ïðîïóñêàíèè ïðÿìîãî òîêà IFAV=160 À è ñêî-
ðîñòè dI/dt=200 A/ìêñ è âðåìåííûå çàâèñèìîñòè ïå-
ðåõîäíîãî òîêà â ïðîöåññå îáðàòíîãî âîññòàíîâëå-
íèÿ îáðàçöîâ ñèëîâîãî äèîäà. Íà îñíîâàíèè ïðèâå-
äåííûõ ðåçóëüòàòîâ ìîæíî ñäåëàòü âûâîä, ÷òî àìï-
ãäå Uë �
Um �
íàïðÿæåíèå âêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ ëàâèíû;
ýêñòðàïîëèðîâàííîå íàïðÿæåíèå ìèêðîïëàçìåííîãî
ïðîáîÿ.
¹
îáðàçöà
Wn, ìêì τp, ìêñ URRM,  ²FAV, À UFR,  UFÌ,  tFR, ìêñ ²rr, À Qrr, ìêÊë trr, ìêñ
1 170 9,0 1800 500 46 1,43 2,4 99 225 4,0
2 170 4,2 1800 500 42 1,48 2,1 66 98 2,5
3 170 3,9 1800 500 36 1,49 1,9 61 80 2,2
4 145 3,4 1400 500 26 1,40 1,7 53 51 1,5
5 170 30 1800 500 58 1,15 2,8 240 1020 12
Êîììóòàöèîííûå ïàðàìåòðû ïÿòè ëàâèííûõ äèîäîâ
à) á)I
IF
0
�Irr
trr
ts t f
Qs Qf
t
�0,25Irr
�0,91Irr
U
UFR
0
tFR t
UFM
Ðèñ. 1. Èçìåíåíèå òîêà äèîäà âî âðåìåíè ïðè ñìåíå ñìåùåíèÿ íà íåì ñ ïðÿìîãî íà îáðàòíîå (à) è èìïóëüñ
ïðÿìîãî ïåðåõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ äèîäà (á)
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2010, ¹ 4
5
ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÑÐÅÄÑÒÂÀ: ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß, ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ
ëèòóäà èìïóëüñîâ, ñîîòâåòñòâóþùàÿ èìïóëüñíîìó ïå-
ðåõîäíîìó ïðÿìîìó íàïðÿæåíèþ UFR, è âðåìÿ ðå-
ëàêñàöèè èìïóëüñîâ tFR (âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ tFîn â ïðÿ-
ìîì íàïðàâëåíèè), çíà÷åíèÿ òîêà Irr è âðåìåíè trr îá-
ðàòíîãî âîññòàíîâëåíèÿ çàâèñÿò îò øèðèíû áàçû, à
òàêæå îò âðåìåíè æèçíè íåðàâíîâåñíûõ íîñèòåëåé
çàðÿäà τð è âåëè÷èíû íàêàïëèâàåìîãî â áàçå çàðÿäà
ïðè âûñîêîì óðîâíå èíæåêöèè.
Ó÷èòûâàÿ äàííûå òàáëèöû, íàêàïëèâàåìûé â áàçå
íåñòàöèîíàðíûé çàðÿä äûðîê ìîæíî îïðåäåëèòü ïî
ôîðìóëå
Q=IFAVτpk(Wn),
Cîïðîòèâëåíèå áàçû â íà÷àëüíûé ìîìåíò âêëþ÷å-
íèÿ â ñîòíè ðàç áîëüøå, ÷åì ïðè óñòàíîâèâøåìñÿ
ðåæèìå ñ âûñîêèì óðîâíåì èíæåêöèè ïðè íàïðÿæå-
íèè UFÌ è òîêå IFAV. Äèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå RdF
íà ïðÿìîì ó÷àñòêå ÂÀÕ ñîñòàâëÿåò 0,3�0,7 Îì. Äëÿ
îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùåãî íà÷àëó îá-
ðàçîâàíèÿ ìèêðîïëàçìåííûõ ïðîáîåâ, äèíàìè÷åñêîå
ñîïðîòèâëåíèå RdR ñîñòàâëÿåò âåëè÷èíó ïîðÿäêà äå-
ñÿòêîâ îì.
Ñ ó÷åòîì ôîðìóëû (3), íàïðÿæåíèå â ÂÀÕ â çàâè-
ñèìîñòè îò âåëè÷èíû ïðÿìîãî è îáðàòíîãî òîêà (òîêà
ëàâèíû) îïðåäåëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå
UF(ë)=UT0(m)+RdF(R)IF(R).
Ñîïðîòèâëåíèå RdF îïðåäåëÿåòñÿ êàê
0
( )
,
4,71
FM T
dF
F AV
U U
R
I
−
=
Ïðè ïîñòðîåíèè ýëåêòðè÷åñêèõ ñõåì çàùèòû îò
ïèêîâûõ ïåðåíàïðÿæåíèé öåëåñîáðàçíî èñïîëüçîâàòü
ñåðèéíûå âûñîêî÷àñòîòíûå ëàâèííûå äèîäû, èìåþ-
ùèå ñîîòâåòñòâóþùåå îáðàòíîå íàïðÿæåíèå ïðîáîÿ,
ò. å. äëÿ êîòîðûõ ïèêîâûå ïåðåíàïðÿæåíèÿ ñîîòâåò-
ñòâóþò îáëàñòè íàïðÿæåíèé ëàâèííîãî ïðîáîÿ UBR.
 ñëó÷àå èñïîëüçîâàíèÿ äèîäîâ äëÿ ýëåêòðè÷åñêèõ
ñõåì ñâàðî÷íûõ àïïàðàòîâ ñëåäóåò ïðèìåíÿòü äèîäû
ñ óìåíüøåííîé øèðèíîé áàçû (ïîäîáíî îáðàçöó 4),
ò. ê. äëÿ ïîäîáíûõ ïðèìåíåíèé æåëàòåëüíî èìåòü êàê
ìîæíî ìåíüøåå çíà÷åíèå ïàðàìåòðà UFR.
Èçâåñòíû ñõåìû çàùèòû ñ ïîìîùüþ ñàïðåññîðîâ
òèïà Transil, äëÿ êîòîðûõ ìàêñèìàëüíûå çíà÷åíèÿ íà-
ïðÿæåíèÿ äîñòèãàþò âåëè÷èíû 700 Â.  íàñòîÿùåé ðà-
áîòå ìîäåëèðóþòñÿ ñõåìû ñ íàïðÿæåíèÿìè äî 4000 Â
è âûøå ïðè çíà÷èòåëüíûõ îáðàòíûõ òîêàõ.
Çàùèòíàÿ RCD-öåïü â ñèëîâûõ ñõåìàõ
Ñíàááåð (äåìïôèðóþùàÿ öåïü), ïîêàçàííûé íà
ðèñ. 3, ïîçâîëÿåò, âî-ïåðâûõ, îãðàíè÷èòü ñêîðîñòü íà-
ðàñòàíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà ñèëîâîì ïðèáîðå (â ñõåìå
Ðèñ. 2. Èìïóëüñû ïðÿìîãî ïåðåõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ïðè óñòàíîâëåíèè ïðÿìîãî òîêà IFAV=160 À (à) è âðåìåííûå
çàâèñèìîñòè ïåðåõîäíîãî òîêà â ïðîöåññå îáðàòíîãî âîññòàíîâëåíèÿ ñèëîâûõ äèîäîâ Ä×Ë271 (á)
(Íóìåðàöèÿ äèîäîâ ñîîòâåòñòâóåò íóìåðàöèè îáðàçöîâ òàáëèöû)
à) á)UF, Â
40
30
20
10
0 0,9 1,8 2,7 3,6 t, ìêñ
2
3
4
1
Irr, À
90
60
30
0 1,2 2,4 3,6 trr, ìêñ
2
3
4
1
ãäå τp �
k(Wn) �
âðåìÿ æèçíè íåðàâíîâåñíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà (äûðîê) â
îáëàñòè áàçû;
êîýôôèöèåíò, çàâèñÿùèé îò øèðèíû áàçû Wn è äèôôóçè-
îííîé äëèíû äûðîê Lp â îáëàñòè áàçû.
ïîðîãîâîå íàïðÿæåíèå äèîäà;
ïðÿìîå íàïðÿæåíèå äèîäà ïðè çàäàííîì èìïóëüñíîì
òîêå 4,71IF(AV);
ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìûé ñðåäíèé ïðÿìîé òîê äèîäà.
ãäå UT0 �
UFM �
IF(AV) � Ðèñ. 3. Çàïèðàåìûé òèðèñòîð ñî ñíàááåðîì
Rí
Åà R VD
C
ÇÒ
Ñõåìà
óïðàâëåíèÿ
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2010, ¹ 4
6
ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÑÐÅÄÑÒÂÀ: ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß, ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ
ýòî � çàïèðàåìûé òèðèñòîð) â ïðîöåññå ñïàäà åãî
àíîäíîãî òîêà ïðè âûêëþ÷åíèè, à âî-âòîðûõ, óñêî-
ðèòü ïðîöåññ ñïàäà àíîäíîãî òîêà, ÷òî âàæíî ïðè
íàëè÷èè èíäóêòèâíîé íàãðóçêè â ñõåìå.  ðåçóëüòà-
òå, ïðîöåññû ñïàäà òîêà è íàðàñòàíèÿ íàïðÿæåíèÿ
ðàçíåñåíû âî âðåìåíè, ÷òî ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ
âûäåëÿåìîé äèíàìè÷åñêîé ìîùíîñòè ñèëîâîãî ïðè-
áîðà.
Êðîìå òîãî, èñïîëüçîâàíèå ñíàááåðà ïðèâîäèò ê
îñëàáëåíèþ âñïëåñêà íàïðÿæåíèÿ, âîçíèêàþùåãî â
ñèëîâîé öåïè èç-çà ðåçêîãî ïðåðûâàíèÿ áîëüøîãî
òîêà. Ïåðåíàïðÿæåíèå íà ñèëîâîì êëþ÷å â âèäå
âñïëåñêîâ áîëüøîé àìïëèòóäû, çàâèñÿùåé îò çíà÷å-
íèÿ èíäóêòèâíîñòè â öåïè, ìîæåò ïðèâåñòè äàæå ê
ðàçðóøåíèþ ñòðóêòóðû ïðèáîðà.
Ïðè âêëþ÷åíèè ñèëîâîãî ïðèáîðà îãðàíè÷åíèå
ñêîðîñòè íàðàñòàíèÿ àíîäíîãî òîêà ïðèáîðà îñóùå-
ñòâëÿåò äðîññåëü, ôóíêöèè êîòîðîãî ìîãóò âûïîë-
íÿòü ïàðàçèòíûå èíäóêòèâíîñòè ìîíòàæà, åñëè äîïó-
ñòèìàÿ ñêîðîñòü íàðàñòàíèÿ àíîäíîãî òîêà ïðèáîðà
äîñòàòî÷íî âûñîêà (íåñêîëüêî ñîòåí àìïåð â ìèêðî-
ñåêóíäó, êàê â çàïèðàåìûõ òèðèñòîðàõ). Ñêîðîñòü
óìåíüøåíèÿ ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ñíàá-
áåðíîé öåïüþ.
Âðåìÿ âîññòàíîâëåíèÿ çàïèðàþùèõ ñâîéñòâ äèî-
äà VD â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè äîëæíî áûòü êàê ìîæ-
íî ìåíüøèì ñ öåëüþ èñêëþ÷åíèÿ âîçìîæíîñòè ðàç-
ðÿäà êîíäåíñàòîðà Ñ ÷åðåç ýòîò äèîä ïðè âêëþ÷åíèè
çàùèùàåìîãî ïðèáîðà. Êðîìå òîãî, äëÿ ïðåäîòâðà-
ùåíèÿ âîçíèêíîâåíèÿ íèçêîâîëüòíîé äèíàìè÷åñêîé
ëàâèíû â äèîäå VD îí äîëæåí èìåòü ìàëûé òîê îá-
ðàòíîãî âîññòàíîâëåíèÿ è ìÿãêóþ ñïîñîáíîñòü âîñ-
ñòàíîâëåíèÿ.
Ïîäãîòîâêà ê ìîäåëèðîâàíèþ ñèëîâûõ
óñòðîéñòâ ñ ëàâèííûì äèîäîì
Ìîäåëèðîâàíèå ðàáîòû ýëåêòðîííûõ ñèëîâûõ
óñòðîéñòâ ïðîâîäèëîñü â ñèñòåìå MATLAB+Simulink ñ
ïðèìåíåíèåì ïàêåòà SimPowerSystems, ñîäåðæàùå-
ãî â ñâîèõ áèáëèîòåêàõ áëîêè ìîäåëåé ýëåêòðîòåõ-
íè÷åñêèõ óñòðîéñòâ.
Òàêîé ïîäõîä ïîçâîëèë ïðîâîäèòü äèíàìè÷åñêèé
àíàëèç ýëåêòðîííûõ ñèñòåì, ïðåäñòàâëåííûõ íà óðîâ-
íå ñòðóêòóðíûõ è ôóíêöèîíàëüíûõ áëîêîâ ñ ìèíè-
ìàëüíûì íàáîðîì èñõîäíûõ ïàðàìåòðîâ. Ïðèìåíÿå-
ìîå èìèòàöèîííîå ìîäåëèðîâàíèå ñóùåñòâåííî
óïðîùàåò çàäà÷ó ðàçðàáîò÷èêîâ ñèëîâûõ óñòðîéñòâ
íà ïåðâîíà÷àëüíûõ ýòàïàõ ïðîåêòèðîâàíèÿ.
Ïåðåä ïðîâåäåíèåì àíàëèçà íåîáõîäèìî âûïîëíèòü
êîìïîíîâêó ýëåêòðîííîé ñèñòåìû (ñõåìû). Êîìïî-
íîâêà ïðåäóñìàòðèâàåò âûáîð áëîêîâ èç áèáëèîòåê
èñïîëüçóåìûõ ïàêåòîâ, èõ ðàçìåùåíèå â îêíå ìîäå-
ëè è ñîåäèíåíèå ìåæäó ñîáîé, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ôîð-
ìèðóåòñÿ mdl-ôàéë.
Ïðè èññëåäîâàíèÿõ êîìïîíîâêà ìîäåëåé ýëåêòðîí-
íûõ óñòðîéñòâ ïðîâîäèëàñü ñ ó÷åòîì òîãî, ÷òî ìî-
äåëüíûå áëîêè èç ïàêåòîâ Simulink (S-áëîêè) è
SimPowerSystems (SPS-áëîêè) ôóíêöèîíèðóþò ïðèí-
öèïèàëüíî ðàçëè÷íûìè ñïîñîáàìè.  S-áëîêàõ ïåðåäà-
÷à ñèãíàëîâ îäíîíàïðàâëåííàÿ � îò âõîäîâ ê âûõî-
äàì, à â SPS-áëîêàõ, ìîäåëèðóþùèõ ïðîõîæäåíèå
ýíåðãåòè÷åñêèõ ïîòîêîâ, ïåðåäà÷à èíôîðìàöèè äâó-
íàïðàâëåííàÿ, ïðè÷åì íàïðàâëåíèå ïåðåäà÷è çàâèñèò
îò íàïðàâëåíèÿ òîêà. Â ñâÿçè ñ ýòèì S-áëîêè è SPS-
áëîêè íåâîçìîæíî ñîåäèíÿòü íåïîñðåäñòâåííî. Äëÿ
ñîåäèíåíèÿ ëþáîãî SPS-áëîêà ñ S-áëîêîì â ìîäå-
ëÿõ óñòðîéñòâ èñïîëüçóþòñÿ ïðîìåæóòî÷íûå áëîêè
� èçìåðèòåëè òîêà è íàïðÿæåíèÿ. Ñèãíàë æå îò
S-áëîêà ê SPS-áëîêó ïåðåäàåòñÿ ÷åðåç óïðàâëÿåìûå
èñòî÷íèêè òîêà è íàïðÿæåíèÿ.
Ïîñëå êîìïîíîâêè ïðîâîäèëîñü îïèñàíèå ìîäå-
ëèðóåìûõ ñèñòåì. Â ðàññìàòðèâàåìûõ ìîäåëÿõ ýëåê-
òðîííûõ óñòðîéñòâ èñïîëüçîâàëñÿ íàáîð íåîáõîäè-
ìûõ áëîêîâ êàê áåç çàäàâàåìûõ ïàðàìåòðîâ, òàê è ñ
çàäàâàåìûìè ïàðàìåòðàìè.
Èç áèáëèîòåêè ïàêåòà SimPowerSystems áûëè
âûáðàíû ñëåäóþùèå áëîêè [7]:
� Ñînnector-áëîêè (ñîåäèíèòåëüíûå áëîêè) òèïà
Ò-Ñînnector è L-Ñînnector, íå èìåþùèå çàäàííûõ
âõîäíûõ ïàðàìåòðîâ;
Ðèñ. 4. Ìîäåëü çàïèðàåìîãî òèðèñòîðà, ïîñòðîåííàÿ â
ïðîãðàììå SimPowerSystems:
à � ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà; á � ñòàòè÷åñêèå ÂÀÕ; â � ïåðåõîä-
íàÿ õàðàêòåðèñòèêà â ðåæèìå âûêëþ÷åíèÿ
Iàê
Âêëþ÷åíî
Âûêëþ÷åíèå
g=0
Âêëþ-
÷åíèå
g>0
Âûêëþ÷åíî
Uf Uàê
â) Iàê
Imax
0,1Imax
Tf Tt t
á)
à)
À Ê
Iàê SW Ron Lon Uf
Uàê
Áëîê
ëîãèêè
g
Iàê
Uàê
+ �
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2010, ¹ 4
7
ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÑÐÅÄÑÒÂÀ: ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß, ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ
Ðèñ. 5. Ñõåìà ïðåîáðàçîâàòåëÿ íàïðÿæåíèÿ áåç çàùèòíûõ öåïåé (à) è âðåìåííûå äèàãðàììû òîêà çàïèðàåìîãî
òèðèñòîðà è ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà íåì (á)
I, À
1000
0
Uàê, Â
10000
5000
0
á)
0,02 0,03 t, ñ
I, À
1000
0
Uàê, Â
2000
0
Òîê GTO
Uàê GTO
0 0,02 0,04 t, ñ
L=10 ìêÃí
L=10 ìêÃí
I, À
1000
0
Uàê, Â
2000
0
Òîê GTO
Uàê GTO
0 0,02 0,04 t, ñ
L=1 ìêÃí
L=1 ìêÃí L=100 ìêÃí
L=100 ìêÃí
Òîê GTO
Uàê GTO
à)
DC Voltage
Source
V=1800 B
Series RLC Branch
R=1 Îì
L=1 ìêÃí
Current Measurement
GTO
Cs=1 ìêÔ;
Rs=10 Îì
A=10 B
T=0,02 c
Pulse Generator
Iàê GTO
Uàê GTO
a g
k m
� Measurement-áëîêè (èçìåðèòåëüíûå áëîêè) òèïà
èçìåðèòåëü òîêà (Current Measurement) è èçìåðèòåëü
íàïðÿæåíèÿ (Voltage Measurement), ôîðìèðóþùèå
ìãíîâåííûå çíà÷åíèÿ òîêà è íàïðÿæåíèÿ â ôîðìàòå
âûõîäíûõ Simulink-ñèãíàëîâ;
� DC Voltage Source (èñòî÷íèê ïîñòîÿííîãî íà-
ïðÿæåíèÿ), âõîäíûì ïàðàìåòðîì êîòîðîãî ÿâëÿåòñÿ
àìïëèòóäà ñèãíàëà (Amplitude);
� Controlled Voltage Source (óïðàâëÿåìûé èäåàëü-
íûé èñòî÷íèê íàïðÿæåíèÿ), âûðàáàòûâàþùèé íàïðÿ-
æåíèå ïî Simulink-ñèãíàëó óïðàâëåíèÿ. Ïðè èíèöèà-
ëèçàöèè çàäàþòñÿ íà÷àëüíûå àìïëèòóäà, ôàçà è ÷àñ-
òîòà ñèãíàëà, à òàêæå òèï èñòî÷íèêà ïåðåìåííîãî (ÀÑ)
èëè ïîñòîÿííîãî (DC) íàïðÿæåíèÿ;
� Series RLC Branch (ïîñëåäîâàòåëüíàÿ RLC-
öåïü). Îïðåäåëåííûì ñî÷åòàíèåì çíà÷åíèé ïàðàìåò-
ðîâ áëîêà çàäàåòñÿ îäíà èç êîíôèãóðàöèé öåïè �
RLC, R, L, C, RL, RC, LC èëè Open circuit (ðàçðûâ).
Äëÿ óäàëåíèÿ èç öåïè ðåçèñòîðà èëè äëÿ èñêëþ÷åíèÿ
èíäóêòèâíîñòè èõ âåëè÷èíà çàäàåòñÿ ðàâíîé íóëþ. Äëÿ
èñêëþ÷åíèÿ èç öåïè åìêîñòè åå çíà÷åíèå ïðèðàâíè-
âàåòñÿ ê áåñêîíå÷íîñòè (inf). Èñêëþ÷åííûé ýëåìåíò
íà ïèêòîãðàììå íå èçîáðàæàåòñÿ.
Ìîäåëü çàïèðàåìîãî òèðèñòîðà (GTO) (ðèñ. 4, à)
ñîñòîèò èç ïîñëåäîâàòåëüíî âêëþ÷åííûõ ðåçèñòîðà
Ron, èíäóêòèâíîñòè Lon, èñòî÷íèêà ïîñòîÿííîãî íà-
ïðÿæåíèÿ Uf, êëþ÷à SW. Ñèãíàë óïðàâëåíèÿ g ïîäàåò-
ñÿ ÷åðåç óïðàâëÿþùèé ýëåêòðîä íà áëîê ëîãèêè. Ïðè
g>0 è Uàê�Uf >0 ïðèáîð íàõîäèòñÿ âî âêëþ÷åííîì ñî-
ñòîÿíèè, ÷åðåç íåãî ïðîòåêàåò òîê Iàê (ðèñ. 4, á). Äëÿ
âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà íåîáõîäèìî, ÷òîáû ñèãíàë g
ñòàë íóëåâûì (g=0).
Ïðîöåññû ïåðåêëþ÷åíèÿ (ðèñ. 4, â) ìîäåëèðóþò-
ñÿ ñ ïîìîùüþ ñëåäóþùèõ ïàðàìåòðîâ: Tf � âðåìÿ
ñïàäà àíîäíîãî òîêà äî óðîâíÿ 0,1 îò çíà÷åíèÿ òîêà
íà ìîìåíò âûêëþ÷åíèÿ; Tt � âðåìÿ çàòÿãèâàíèÿ, â
òå÷åíèå êîòîðîãî òîê àíîäà óìåíüøàåòñÿ îò óðîâíÿ
0,1 äî íóëÿ.
 ìîäåëè çàïèðàåìîãî òèðèñòîðà ïðåäóñìîòðåíà
äåìïôèðóþùàÿ RC-öåïü ñ ïàðàìåòðàìè Rs, Cs. Ïðè
íåîáõîäèìîñòè îíà óäàëÿåòñÿ, åñëè çàäàòü Rs=inf, Cs=inf.
 ñëó÷àå îòñóòñòâèÿ óïðàâëÿþùåãî ýëåêòðîäà
ìîäåëü ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ìîäåëü ñèëîâîãî äèîäà.
Ìîäåëèðîâàíèå ðàáîòû ñèëîâûõ ñõåì ñ çàùèò-
íûìè öåïÿìè
Ïåðåä íà÷àëîì ìîäåëèðîâàíèÿ çàäàâàëèñü ïàðà-
ìåòðû ìîäåëèðîâàíèÿ â ìåíþ Simulation/ Simulation
Parameters/ Solvers.
Ïðè àíàëèçå ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ ýëåêòðîííûõ
ñõåì ðåøàþòñÿ ñèñòåìû îáûêíîâåííûõ äèôôåðåí-
öèàëüíûõ óðàâíåíèé (ÎÄÓ), êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ ìî-
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2010, ¹ 4
8
ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÑÐÅÄÑÒÂÀ: ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß, ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ
äåëÿìè àíàëèçèðóåìûõ ñõåì. Ðàçëè÷íûå ìåòîäû ðå-
øåíèÿ ñèñòåì ÎÄÓ â ñèñòåìå MATLAB ðåàëèçóþòñÿ
ñ ïîìîùüþ âñòðîåííûõ ôóíêöèé (ñîëâåðîâ).
 ðàáîòå ïðè àíàëèçå âñåõ ñõåì øàã èíòåãðèðîâà-
íèÿ âûáèðàëñÿ ïåðåìåííûì ñ ïîìîùüþ ïàðàìåòðà
Solver options, çàäàâàëîñü êîíå÷íîå âðåìÿ ìîäåëè-
ðîâàíèÿ, âûáèðàëàñü ôóíêöèÿ ñîëâåðà ode23tb, â îñ-
íîâå ðàáîòû êîòîðîé ëåæèò íåÿâíûé ìåòîä Ðóíãå�Êóòòà
ñ ïåðâûì øàãîì ïî ìåòîäó òðàïåöèé è âòîðûì øà-
ãîì ïî ìåòîäó «äèôôåðåíöèðîâàíèÿ íàçàä» 2-ãî ïî-
ðÿäêà. Âñå îñòàëüíûå ïàðàìåòðû óñòàíàâëèâàëèñü ïî
óìîë÷àíèþ.
Ìîäåëèðîâàíèå ðàáîòû ñèëîâûõ ñõåì ñ çàùèòíûìè
öåïÿìè íà îñíîâå ëàâèííûõ äèîäîâ ðàññìàòðèâàëîñü
íà ïðèìåðå èìïóëüñíîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ ñ çàïèðàå-
ìûì òèðèñòîðîì.
Ïîñêîëüêó ñòàòè÷åñêàÿ ÂÀÕ ìîäåëè äèîäà, èñ-
ïîëüçóåìàÿ â ïàêåòå SimPowerSystems, ÿâëÿåòñÿ ëè-
íåàðèçèðîâàííîé (ïðåäñòàâëåííîé ñîâîêóïíîñòüþ
äâóõ àñèìïòîò), à îáðàòíûé òîê äèîäà â ìîäåëè ÿâ-
ëÿåòñÿ íóëåâûì, äëÿ îòîáðàæåíèÿ ïðîöåññîâ â îá-
ëàñòè ìèêðîïëàçìåííîãî ïðîáîÿ ïðåäëàãàåòñÿ èñ-
ïîëüçîâàòü ïàðàëëåëüíîå ñîåäèíåíèå äâóõ âñòðå÷-
íîâêëþ÷åííûõ äèîäîâ, îäèí èç êîòîðûõ ìîäåëèðó-
åò ïðÿìóþ âåòâü ÂÀÕ ëàâèííîãî äèîäà, à äðóãîé �
îáðàòíóþ.
 ìîäåëè îäíîãî èç äèîäîâ ïàðàìåòð Vf � ýòî ïà-
äåíèå íàïðÿæåíèÿ íà ïðÿìîñìåùåííîì äèîäå âî âêëþ-
÷åííîì ñîñòîÿíèè ïðè íóëåâîì àíîäíîì òîêå.  ìîäå-
ëè æå âñòðå÷íîãî äèîäà Vf � ýòî íàïðÿæåíèå ëàâèí-
íîãî ïðîáîÿ UBR îáðàòíîñìåùåííîãî äèîäà, à ïàðà-
ìåòð Ron ñîîòâåòñòâóåò äèôôåðåíöèàëüíîìó ñîïðîòèâ-
ëåíèþ äèîäà â ðåæèìå ìèêðîïëàçìåííîãî ïðîáîÿ.
Äëÿ èññëåäîâàíèÿ âëèÿíèÿ çàùèòíûõ öåïåé íà
ðàáîòó ñèëîâûõ ïðèáîðîâ âíà÷àëå ðàññìàòðèâàëàñü
ñõåìà èìïóëüñíîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ ñî âñòðîåííîé
â ìîäåëü òèðèñòîðà ïîñëåäîâàòåëüíîé çàùèòíîé RC-
öåïüþ ïðè âàðüèðîâàíèè çíà÷åíèÿ èíäóêòèâíîñòè â
íàãðóçêå. Àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè íå èç-
ìåíÿëîñü è ïðèíèìàëîñü ðàâíûì 1 Îì.
 ñõåìå íà ðèñ. 5, à è âî âñåõ äàëåå ïðèâåäåííûõ
ñõåìàõ äëÿ âîçìîæíîñòè ñîïîñòàâëåíèÿ ðåçóëüòàòîâ
á)
I, À
1000
0
Uàê, Â
0
�50000
Òîê GTO
Uàê GTO
0 0,01 0,02 0,03 t, ñ
I, À
1000
0
Uàê, Â
0
�10000
Ïðÿìîé òîê ñíàááåðíîãî äèîäà
Uàê ñíàááåðíîãî äèîäà
0 0,01 0,02 0,03 t, ñ
I, À
0
�2000
Òîê â ñíàááåðíîé öåïè
0 0,01 0,02 0,03 t, ñ
Ðèñ. 6. Ñõåìà ïðåîáðàçîâàòåëÿ íàïðÿæåíèÿ ñ çàùèòíîé RCD-öåïî÷êîé (à) è åå âðåìåííûå äèàãðàììû (á)
à)
Çàïèðàåìûé òèðèñòîð ñ äåìïôèðóþùåé RCD-öåïüþ
DC Voltage
Source
V=1800 B
Series RLC Branch1
R=1 Îì
L=2 ìÃí
Current
Measurement
GTO
Cs=inf;
Rs=inf
A=10 B
T=0,02 c
Pulse
Generator
Òîê GTO
a g
k m
Series RLC Branch
Ñ=3 ìêÔ
R=10 Îìa
k m
Scope
Òîê ñíàááåðíîãî äèîäà
Uàê ñíàááåðíîãî äèîäà
Diode
V=0,8 Â
Ron=0,01 Îì
Lon=0 Ãí
Uàê GTO
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2010, ¹ 4
9
ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÑÐÅÄÑÒÂÀ: ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß, ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ
èõ àíàëèçà èñïîëüçîâàëàñü ìîäåëü çàïèðàåìîãî òè-
ðèñòîðà ñ îäèíàêîâûìè ïàðàìåòðàìè: Ron=0,1 Îì,
Lon=1 ìêÃí, Uf =0,8 Â, Tf =10 ìêñ, Tt=20 ìêñ.
Ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ (ðèñ. 5, á) íàãëÿäíî äå-
ìîíñòðèðóþò, ÷òî ïðè ïîâûøåíèè çíà÷åíèÿ èíäóê-
òèâíîñòè àìïëèòóäà êðàòêîâðåìåííûõ âñïëåñêîâ íà
ñèëîâîì ïðèáîðå, êîòîðûå ìîãóò âûâåñòè åãî èç
ñòðîÿ, óâåëè÷èâàåòñÿ (àìïëèòóäû âñïëåñêîâ íàïðÿ-
æåíèÿ íà òèðèñòîðå ïî îòíîøåíèþ ê óñòàíîâèâøå-
ìóñÿ çíà÷åíèþ Uàê=1800  ðàâíû 0; 100; 1250  ïðè
L=10�6; 10�5; 10�4 Ãí, ñîîòâåòñòâåííî). Ñëåäîâàòåëü-
íî, â ñõåìå äîëæíû ïðèñóòñòâîâàòü çàùèòíûå öåïè.
Èçâåñòíî, ÷òî RCD-öåïî÷êà ñíèæàåò ñêîðîñòü íà-
ðàñòàíèÿ ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ ïðè âûêëþ÷åíèè òèðè-
ñòîðà è èñêëþ÷àåò âîçìîæíûé ïðîáîé ïðè âîññòà-
íîâëåíèè ïðÿìîé çàïèðàþùåé ñïîñîáíîñòè òèðèñòî-
ðà. Ïðè÷åì åå ðîëü óâåëè÷èâàåòñÿ ïðè óâåëè÷åíèè
ïðÿìîãî ðàáî÷åãî íàïðÿæåíèÿ òèðèñòîðà, ò. ê. óâåëè-
÷èâàåòñÿ ìîùíîñòü, âûäåëÿþùàÿñÿ ïðè âûêëþ÷åíèè
òèðèñòîðà. Ñõåìà ïðåîáðàçîâàòåëÿ íàïðÿæåíèÿ ñ RCD-
öåïî÷êîé è ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ ïîêàçàíû íà
ðèñ. 6. Íàïðÿæåíèå èñòî÷íèêà ïîñòîÿííîãî íàïðÿæå-
íèÿ ñîñòàâëÿåò 1800 Â, ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçî÷íîãî
ðåçèñòîðà R=1 Îì, çíà÷åíèå èíäóêòèâíîñòè L=2 ìÃí.
Àíàëèç ïðåäñòàâëåííûõ âðåìåííûõ äèàãðàìì ïîçâî-
á)
I, À
1000
0
Uàê, Â
1000
0
Òîê GTO
Uàê GTO
0 0,01 0,02 0,03 t, ñ
Uàê, Â
1000
0
Uàê, Â
�1000
�2000
Ïðÿìîå Uàê ñíàááåðíîãî äèîäà
Îáðàòíîå Uàê ñíàááåðíîãî äèîäà
0 0,01 0,02 0,03 t, ñ
I, À
50
0
I, À
1000
0
Ïðÿìîé òîê îïïîçèòíîãî äèîäà
Îáðàòíûé òîê îïïîçèòíîãî äèîäà
0 0,01 0,02 0,03 t, ñ
Ðèñ. 7. Èìïóëüñíûé ïðåîáðàçîâàòåëü íàïðÿæåíèÿ ñ îïïîçèòíûì äèîäîì
à)
Series RLC Branch1
DC Voltage
Source
V=1800 B
Current
Measurement
GTO
Cs=inf;
Rs=inf
A=10 B
T=0,02 c
Pulse
Generator
Òîê GTO
a g
k m
Series
RLC Branch
Ñ=3 ìêÔ
R=10 Îì
a
k m
Scope
Òîê ñíàááåðíîãî äèîäà
Uàê ñíàááåðíîãî äèîäà
Diode1
Vf=0,8 Â
Ron=0,01 Îì
Lon=0 Ãí
Uàê GTO
Current Measurement
a
k
m
k
m
a
Vf=0,8 B
Diode1
Diode Vf=1800 B
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2010, ¹ 4
10
ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÑÐÅÄÑÒÂÀ: ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß, ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÈ
ëÿåò ñäåëàòü âûâîä î íåýôôåêòèâíîñòè RCD-öåïî÷êè
ïðè íàëè÷èè â ñõåìå äîñòàòî÷íî áîëüøîé èíäóêòèâ-
íîñòè, âûçûâàþùåé êîëåáàòåëüíûé ïðîöåññ ïåðåçà-
ðÿäêè ñíàááåðíîé åìêîñòè (ïðè âûêëþ÷åíèè òèðèñ-
òîðà íà íåì âîçíèêàþò çàòóõàþùèå êîëåáàíèÿ ñ ìàê-
ñèìàëüíûì ðàçìàõîì 7000  â òå÷åíèå 4 ìñ, ïðè ýòîì
ïðÿìîé òîê ñíàááåðíîãî äèîäà òàêæå êîëåáëåòñÿ ñ
ìàêñèìàëüíîé àìïëèòóäîé 1700 À â òå÷åíèå òîãî æå
âðåìåíè, à ìàêñèìàëüíîå íàïðÿæåíèå íà íåì äîñòè-
ãàåò 12500 Â).
Ýëåêòðè÷åñêèå ïåðåíàïðÿæåíèÿ, îáðàçóþùèåñÿ â
ðåçóëüòàòå êîëåáàòåëüíûõ ïðîöåññîâ ïðè êîììóòàöèè
ñèëîâûõ ïðèáîðîâ, ìîæíî óñòðàíèòü íåñêîëüêèìè
ñïîñîáàìè. Îäèí ñïîñîá ïðåäóñìàòðèâàåò ïàðàëëåëü-
íîå ïîäêëþ÷åíèå îáðàòíîãî äèîäà ê èíäóêòèâíîé íà-
ãðóçêå. Ïðè âòîðîì ñïîñîáå îïïîçèòíûé (àíòèïàðàë-
ëåëüíûé) ëàâèííûé äèîä óñòàíàâëèâàåòñÿ ïàðàëëåëüíî
ñèëîâîìó ïðèáîðó.
Ñõåìà ñ îïïîçèòíûì ëàâèííûì äèîäîì è ðåçóëü-
òàòû åå ìîäåëèðîâàíèÿ ïîêàçàíû íà ðèñ. 7. Ñîïðî-
òèâëåíèå è èíäóêòèâíîñòü íàãðóçêè � òàêèå æå, êàê
íà ñõåìå íà ðèñ. 6. Âðåìåííàÿ äèàãðàììà Uàê(t) â
ýòîì ñëó÷àå óêàçûâàåò íà îòñóòñòâèå âñïëåñêîâ íà-
ïðÿæåíèÿ.
Ìàêñèìàëüíîå ïðÿìîå ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà
ñíàááåðíîì äèîäå ñîñòàâëÿåò 1300 Â ïðè äëèòåëüíî-
ñòè èìïóëüñà 25 ìêñ; ìàêñèìàëüíîå îáðàòíîå íàïðÿ-
æåíèå íà íåì ðàâíî ìèíóñ 1800 Â ïðè äëèòåëüíîñòè
èìïóëüñà ïðèáëèçèòåëüíî 10 ìêñ. Ïðè ðàñ÷åòå ïðàê-
òè÷åñêèõ ñõåì ïîëó÷åííûå çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðîâ ìî-
äåëèðîâàíèÿ ìîãóò ñóùåñòâåííî èçìåíÿòüñÿ.
***
Òàêèì îáðàçîì, â ðàáîòå ïðèâåäåíû èçìåðåííûå
ïàðàìåòðû äèîäîâ, èñïîëüçóåìûå ïðè ìîäåëèðîâà-
íèè ýëåêòðè÷åñêèõ ñõåì çàùèòû, ðàñ÷èòàííûõ íà íà-
ïðÿæåíèÿ äî 4000 Â è âûøå. Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ ìî-
äåëèðîâàíèÿ ïîçâîëÿåò çàêëþ÷èòü, ÷òî îáðàòíûå íà-
ïðÿæåíèÿ êàê íà ñíàááåðíîì, òàê è íà îïïîçèòíîì
äèîäå ìîãóò èìåòü äîñòàòî÷íî âûñîêèå àìïëèòóäíûå
çíà÷åíèÿ. Ïîêàçàíà ýôôåêòèâíîñòü çàùèòû îò ïåðå-
íàïðÿæåíèé, âîçíèêàþùèõ ïðè êîììóòàöèè â òå÷å-
íèå ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ, ñ ïîìîùüþ ýëåêòðè÷å-
ñêèõ ñõåì ñ ïðèìåíåíèåì ëàâèííûõ äèîäîâ, êîòîðûå
ãàñÿò èìïóëüñû ïåðåíàïðÿæåíèÿ ïóòåì èíèöèèðîâà-
íèÿ ëàâèííîãî ðàçðÿäà.
ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÍÛÅ ÈÑÒÎ×ÍÈÊÈ
1. Åâñååâ Þ. À., Äåðìåíæè Ï. Ã. Ñèëîâûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå
ïðèáîðû.� Ì.: Ýíåðãîèçäàò, 1981.
2. Ãîðáàíü À. Í., Êðàâ÷èíà Â. Â., Ãîìîëüñêèé Ä. Ì. Ôîðìèðî-
âàíèå ñèëîâûõ ëàâèííûõ äèîäîâ // Ñêëàäí³ ñèñòåìè ³ ïðîöåñè.�
ÊÏÓ.� 2009.� ¹ 1.� Ñ. 27�34.
3. Ãîðáàíü À. Í., Êðàâ÷èíà Â. Â., Ãîìîëüñêèé Ä. Ì., Ñîëîäîâ-
íèê À. È. Îñîáåííîñòè ôîðìèðîâàíèÿ áûñòðîâîññòàíàâëèâàþ-
ùèõñÿ äèîäîâ // Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé
àïïàðàòóðå.� 2008.� ¹ 3.� Ñ. 36�40.
4. Ãðåõîâ È. Â., Ñåðåæêèí Þ. Í. Ëàâèííûé ïðîáîé p�n-ïåðå-
õîäà â ïîëóïðîâîäíèêàõ.� Ë.: Ýíåðãèÿ, 1980.
5. Íàìàþíàñ À. Ì., Ïîæåëà Þ. Ê., Òîìàøàâè÷þñ À. Â. Î
âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêå êðåìíèåâîãî p�n-ïåðåõîäà â
îáëàñòè ìèêðîïëàçìåííîãî ïðîáîÿ // ÔÒÏ.� 1987.� Ò. 27,
âûï. 4.� Ñ. 760�761.
6. Ñåðåæêèí Þ. Í., Øåñòåðêèíà À. À. Óìíîæåíèå íîñèòåëåé
ðàçðÿäà â êðåìíèåâûõ ð�ï-ïåðåõîäàõ // ÔÒÏ.� 2003.� Ò. 37,
âûï. 9.� Ñ. 1109�1113.
7. ×åðíûõ È. Â. Ìîäåëèðîâàíèå ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ
óñòðîéñòâ â MATLAB, SimPowerSystems è Simulink.� Ì.: ÄÌÊ
Ïðåññ; ÑÏá.: Ïèòåð, 2008.
ÍÎÂÛÅ ÊÍÈÃÈ
Í
Î
Â
Û
Å
Ê
Í
È
Ã
È
Áóêðååâ È. Í., Ãîðÿ÷åâ Â. È., Ìàíñóðîâ Á. Ì. Ìèêðîýëåêòðîííûå ñõå-
ìû öèôðîâûõ óñòðîéñòâ.� Ì.: Òåõíîñôåðà, 2009.� 712 ñ.
 ó÷åáíîì ïîñîáèè ðàññìàòðèâàþòñÿ îñíîâíûå ïîíÿòèÿ ñõåìîòåõíè÷åñêîãî ïðî-
åêòèðîâàíèÿ ðàäèîýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ è ìàòåìàòè÷åñêèå îñíîâû èõ ìîäåëè-
ðîâàíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì ñðåäñòâ àâòîìàòèçàöèè.
Èçëàãàþòñÿ îñíîâû ïðàêòè÷åñêîãî ïðèìåíåíèÿ ïðîãðàìì
ñèñòåìû ñõåìîòåõíè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ DesignLab 8.0
(OrCAD) äëÿ ïîñòðîåíèÿ è ìîäåëèðîâàíèÿ ïðèíöèïè-
àëüíûõ ñõåì ïàññèâíûõ ÐÝÓ â ðåæèìå àíàëèçà âðåìåí-
íûõ è ÷àñòîòíûõ õàðàêòåðèñòèê, à òàêæå äëÿ ìîäåëèðîâà-
íèÿ àêòèâíûõ àíàëîãîâûõ è öèôðîâûõ óñòðîéñòâ. Ê êíèãå
ïðèëàãàåòñÿ êîìïàêò-äèñê ñ äåìî-âåðñèåé ñèñòåìû ñõåìî-
òåõíè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ DesignLab 8.0, ìîäåëÿìè
ôèëüòðîâ, ðåçèñòèâíîãî è ðåçîíàíñíîãî óñèëèòåëåé, äåëè-
òåëÿ ÷àñòîòû, ïðåîáðàçîâàòåëÿ êîäà, à òàêæå ñ íåîáõîäè-
ìûìè äëÿ èõ èññëåäîâàíèé èñòî÷íèêàìè öèôðîâûõ è àíà-
ëîãîâûõ ñèãíàëîâ.
Ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ ñòóäåíòîâ, çàíèìàþùèõñÿ èçó÷åíèåì
è ïðîåêòèðîâàíèåì ÐÝÓ, à òàêæå ìîæåò áûòü ïîëåçíà àñïèðàíòàì, ïðåïîäàâàòå-
ëÿì è íàó÷íûì ðàáîòíèêàì, ïðèìåíÿþùèì ñðåäñòâà àâòîìàòèçèðîâàííîãî ïðî-
åêòèðîâàíèÿ ÐÝÓ.
|