3.3. Защитные цепи силовых ключей

3.3.1. Цепи формирования траектории рабочей точки транзисторов

Применение цепей, формирующих траекторию изменения рабочей точки транзистора в процессах переключения, позволяет снизить потери мощности в приборе, а также исключить паразитные всплески токов и напряжений.

Методы построения данных цепей рассмотрим на примере работы транзисторного ключа на индуктивную нагрузку в режиме постоянных токов, шунтированную обратным диодом (рис. 3.16).

Данный вид нагрузки является наиболее типичным в практическом применении силовых транзисторов [6].

Рис. 3.16

Качественная форма изменения тока и напряжения на ключе (в независимости от типа транзистора) для индуктивной нагрузки показана на рис. 3.17.

Бросок тока в переходном процессе включения обусловлен процессом восстановления запирающих свойств шунтирующего диода, при этом нарастание тока в транзисторе происходит при амплитуде напряжения на ключе, близком к напряжению питания. В переходном процессе выключения наблюдается всплеск напряжения на транзисторе, что связано с конечным временем включения шунтирующего диода и паразитными индуктивностями монтажных соединений.

Рис. 3.17

Спад тока транзистора при этом происходит при выходном напряжении, равном напряжению питания. Таким образом, мгновенные значения выделяющейся в транзисторе мощности и при включении, и при выключении достаточно велики. Траектория рабочей точки ключа для данного режима переключения показана на рис. 3.18 и без значительного запаса потоку и напряжению выходит за границы допустимой ОБР.

Очевидно, что представленные проблемы связаны с очень большой скоростью нарастания силового тока ключа при включении и аналогичной скоростью изменения выходного напряжения при выключении. Изменение траектории движения рабочей точки транзистора при индуктивной нагрузке достигается за счет увеличения фронтов изменения тока при включении и напряжения при выключении. В первом случае последовательно с транзистором включают линейную индуктивность L₀. Чтобы энергия, запасаемая в данной индуктивности, не приводила к всплескам напряжения на ключе, подключают также дополнительную цепь восстановления, например шунтирующий диод, аналогично основной индуктивности нагрузки (рис. 3.19).

Рис. 3.18

Рис. 3.19

Чем больше величина дополнительной индуктивности, тем длиннее фронт нарастания тока. Величина L₀ при этом не оказывает влияния на фронт спада напряжения при включении транзистора. Траектория движения рабочей точки теперь выглядит так, как это показано на рис. 3.20.

Параметр N, влияющий на изменение траектории, учитывает величину дополнительной индуктивности, причем количественно представляет собой отношение фронта нарастания тока, определяемого значением L₀, к фронту спада напряжения, определяемого типом транзистора. Для увеличения фронта нарастания напряжения при выключении транзистора используют параллельную емкость с дополнительным диодом и резистором (рис. 3.21).

Резистор предназначен для ограничения сброса энергии, запасаемой в защитной емкости, в транзистор при его включении и шунтируется диодом на этапе выключения. Чем больше величина защитной емкости, тем длиннее фронт нарастания напряжения на ключе при запирании.

Рис. 3.20

Рис. 3.21

Величина Со при этом не оказывает влияния на фронт спада тока. Траектория движения рабочей точки ключа с защитной емкостью показана на рис. 3.22. Параметр М, влияющий на изменение траектории, учитывает величину защитной емкости, а количественно представляет собой отношение фронта нарастания напряжения, определяемого значением Со, к фронту спада тока, определяемого типом транзистора.

С точки зрения обеспечения безопасной работы транзистора желательно увеличивать параметры N и М, т.е. увеличивать величину защитной индуктивности и емкости.

Рис. 3.22

Однако при этом возрастают потери в дополнительных цепях, которые могут существенно ухудшить энергетические показатели схемы. По этой причине параметры защитных цепочек для транзисторных схем оптимизируют. Одним из критериев такой оптимизации выбирают минимум суммарных потерь в транзисторном ключе и защитной цепи. Теоретически данный минимум составляет 55.6% от потерь в ключе без применения защитных цепей, как на этапе включения, так и выключения при значениях N = М = 0.67. Для данного случая значения защитной индуктивности и емкости могут быть рассчитаны по формулам:

(3.1)

(3.2)

где Е - напряжение питания ключа;

I_L- непрерывный ток нагрузки;

t_FV - фронт спада напряжения;

t_FI - фронт спада тока.

Таким образом, грамотное применение защитных цепей не только обеспечивает безопасную траекторию переключения, но и уменьшает общие потери, рационально перераспределяя их между транзистором и дополнительными элементами. На рис. 3.23 показана защитная цепь, представляющая собой объединенный вариант двух рассмотренных примеров.

В данной схеме сокращается общее количество дополнительных элементов за счет некоторого увеличения напряжения на транзисторе и мощности, рассеиваемой в резисторе R₀. Мощность потерь в резисторе определяется энергией, запасаемой в защитной индуктивности L₀ и конденсаторе Со, соответственно в открытом и закрытом состоянии ключа:

(3.3)

где f— частота коммутации транзистора.

Величина Ro выбирается из условий полного разряда конденсатора Со при включении транзистора и уменьшения до нулевого значения тока в индуктивности L при выключении. Как правило, эти условия обеспечиваются, если постоянные времени R₀C₀ и L₀/R₀ в несколько раз меньше соответственно интервалов включенного и выключенного состояния транзистора.

Как следует из уравнения (3.3), рассеиваемая мощность пропорциональна частоте переключения транзистора. На относительно высоких частотах эти потери могут стать ограничивающим фактором применения рассмотренных цепей защиты. По этой причине более выгодно использовать схемы, в которых запасаемая в защитных элементах энергия либо возвращается в источник питания (рекуперируется), либо передается в нагрузку. Один из вариантов таких схем показан на рис. 3.24.

В данной схеме при отпирании транзистора энергия, запасенная в защитном конденсаторе С₀, передается в дополнительный конденсатор С1.

При выключении транзистора энергия от индуктивности L₀ и конденсатора С1 через диоды V_D0 и V_D1 передается в нагрузку. Рассеивается лишь небольшая доля энергии, определяемая потерями в диодах и активных сопротивлениях монтажных проводов и обмоток индуктивности L₀.

Рис. 3.23 Рис. 3.24