ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ АППАРАТЫ / Розанов Ю.К. Электрические и электронные аппараты / glava_7

Интегрируя (7.19) в пределах 0 < t < t ïâêë, полу- чим значение энергии, выделяющейся в ключе при коммутации.

Согласно (7.17), индуктивность в цепи нагрузки замедляет нарастание тока при включении и, следовательно, уменьшает значения мгновенной мощности и энергии, выделенной в ключе (рис. 7.10,á).

При этом динамическая ВАХ ключа становится явнозависимой от времени tâêë (ðèñ. 7.10,ä) и от параметров коммутируемой цепи. Процессы, протекающие при выключении индуктивной нагрузки (рис. 7.10,â,ã), могут быть описаны по этой же методике. В этом случае задача заключается в определении реакции нагрузки на воздействие источ- ника тока (см.рис. 7.6,á), описываемого (7.15). Тогда изображение напряжения us(p) на ключе будет иметь вид

В момент времени t = t ïâûêë процесс выключения завершается, что можно учесть введением отрицательной составляющей тока (см. рис. 7.9). Тогда для t > t ïâûêë получим

Из (7.21) видно, что выключение индуктивной нагрузки приводит к появлению перенапряжения на ключе (us > E) и, следовательно, к увеличению

потерь мощности при выключении (рис. 7.10,ã). Динамическая ВАХ ключа при выключении зависит от параметров цепи нагрузки и значения tâûêë (ðèñ. 7.10,å).

Учитывая дуальность переходных процессов в активно-индуктивной и активно-емкостной цепях, на основе (7.18) и (7.21) можно получить зависимости, описывающие процессы коммутации активно-емкостной нагрузки (рис. 7.11). Соответственно, при включении ключа в цепи возникает

на интервале t > t ïâêë

is = E ¤ R .

При выключении активно-емкостной цепи, снова учитывая принцип дуальности и согласно

Из (7.23) и (7.24) следует, что изменение мгновенной мощности при коммутации определяет зна- чение выделяющейся энергии, а также динамические ВАХ ключа, которые для активно-емкостной и активно-индуктивной нагрузок будут идентичны с учетом дуальности этих цепей.

Область допустимых значений электрических параметров ключа, при которых он может работать без повреждения, называется областью безопасной работы (ОБР). Эта область ограничивается предельными значениями тока, напряжения и допустимой мощности потерь ключа, которые определяются электронными и тепловыми процессами, протекающими в конкретном приборе с учетом условий его эксплуатации. Иногда эту область называют областью максимальных режимов. Существует аналогия ОБР электронного ключа и электромеханического коммутационного аппарата, коммутационные возможности которого также ограничены допустимыми значениями восстанавливающегося напряжения на контактах, ударных токов, коммутируемой мощности и др.

Общепринятым является графическое изображение этой области в прямоугольных координатах, по оси ординат которых откладывается относительный ток i *s ключа, а по оси абсцисс – относительное напряжение u *s . При этом часто используется логарифмический масштаб. Это связано с тем, что

Тогда после деления полученного равенства на Ps max = Us maxIs max граница ОБР, определяемая до-

пустимой мощностью потерь при логарифмическом масштабе, будет линейной зависимостью

Допустимая мощность потерь Ps max в приборе определяется допустимой температурой его струк-

туры, с учетом ее тепловых сопротивлений и температуры окружающей среды.

На рис. 7.12 представлена ОБР ключа, ограни- ченная допустимыми значениями Is, Us è Ps. Область безопасной работы ограничена тремя линейными участками: àá – предельным значением тока Is max, áâ – предельной мощностью потерь Ps max

èâã – предельным значением напряжения Us max.

Âзависимости от типа ключевого прибора количество и характер ограничений могут изменяться

èпоявляться дополнительные участки границы ОБР с более сложными аналитическими зависимостями тока и напряжения. Кроме того, границы ОБР зависят от длительности включенного состояния и частоты коммутации ключа. Например, граница ОБР при редких импульсах включения будет проходить выше границы при длительных включе-

Рис. 7.12. Область безопасной работы ключа

ниях (на рис. 7.12 эта граница показана штриховой линией).

Область допустимых значений параметров сигнала управления ключом характеризуется ОБР по управлению, но используется реже. Это объясняется тем, что обеспечение соответствия ОБР выходных параметров ключей и их реальных динамических ВАХ является основным фактором, определяющим энергетические показатели и надежность силового электронного устройства в целом.

По определению ОБР мгновенные значения us è is ключа в любой момент времени во всех режимах работы, включая процесс коммутации, не должны выходить из области ОБР. Это значит, что стати- ческие и динамические ВАХ ключа, т. е. зависимости тока is от напряжения us, должны находиться внутри ОБР. В противном случае надежная работа ключевого прибора не гарантируется. Но динами- ческие ВАХ ключа зависят от параметров коммутируемой цепи (см.п.7.1.3). Наличие емкостей в коммутируемой цепи может приводить к существенному всплеску тока при включении, а индуктивности – к всплеску напряжения при выключении. Поэтому для надежной работы ключа необходимо обеспе- чить соответствие динамической ВАХ и ОБР. Однако практически обеспечить полное их соответствие сложно без принятия специальных мер защиты прибора. Например, для защиты полупроводниковых приборов включают дополнительные электри- ческие элементы, в частности, конденсаторы и реак-

торы, обеспечивающие соответствие динамических ВАХ ключа и его ОБР. Так как динамическая ВАХ представляет собой траекторию переключения ключа в координатах is è us, то включение дополнительных элементов в целях изменения динами- ческой ВАХ можно рассматривать как формирование желаемой (в соответствии с ОБР) траектории переключения. Совокупность введенных для формирования траектории переключения элементов можно назвать цепью формирования траектории переключения (ЦФТП). В технической литературе ЦФТП часто называют снаббер (англ. snubber). По существу ЦФТП является устройством защиты ключа в динамических режимах и ее функции близки функциям дугогасительной системы в электромеханических аппаратах.

Схемотехника ЦФТП определяется типом полупроводникового прибора, а также топологией и параметрами коммутируемой цепи. Основой ЦФТП являются реактивные элементы емкостного или индуктивного характера. Это обусловлено тем, что конденсатор способен ограничивать значение и ско-

рость нарастания напряжения на ключе в процессе коммутации, а индуктивность – значение и скорость изменения коммутируемого тока. При этом реактивные элементы поглощают энергию за время коммутации. Эта энергия рассеивается в активных элементах ЦФТП (диссипативные ЦФТП), либо возвращается в источник или цепь нагрузки (не диссипативные ЦФТП).

Íà ðèñ. 7.13,à,á представлены упрощенные схемы ЦФТП. Схема на рис. 7.13,à может быть использована для формирования требуемой ВАХ ключа при выключении активно-индуктивной нагрузки.

Соответствующие динамические ВАХ ключа в схеме с ЦФТП и без нее представлены на рис. 7.13,á,ã.

Обычно используются ЦФТП с более сложной схемотехникой, что позволяет обеспечивать требуемые ВАХ как при включении, так и при выклю- чении.

Подробнее такие ЦФТП будут рассмотрены при изучении вопросов защиты конкретных типов полупроводниковых приборов.

1.Определить статические потери в ключевом эле-

менте, коммутирующем активную нагрузку Rí = = 1 Ом в цепи постоянного тока с напряжением

U0 = 12 В. Частота коммутации (периодического изменения состояния ключа) f = 100 Гц. Стати- ческая ВАХ ключа (см. рис. 7.2,á) имеет парамет-

ðû: Us = 2 Â; Rïð = 0,1 Îì; Rîáð = 50 êÎì.

2.Записать в общем виде изменение тока is во времени при включении последовательно соединенных конденсатора Cí и резистора Rí в цепи постоянного тока с напряжением U0.

3.Оценить влияние быстродействия ключа на перенапряжения и потери мощности в ключе

при выключении активно-индуктивной нагрузки в цепи постоянного тока. Построить зависимость этих величин от времени выключения tâûêë ïðè Rí = 1 Îì, Lí = 15 ìÃí è U0 = 100 Â.

4.Конденсатор емкостью C, заряженный до напряжения UC = 100 В, разряжается на резистор сопротивлением R = 100 Ом, включаемый клю-

÷îì S с временем включения tâêë = 10 мкс (напряжение ключа изменяется по линейному закону). Составить баланс энергии цепи за время полного разряда конденсатора с учетом динами- ческих потерь в ключе. Статическими потерями пренебречь.

В основе принципа действия большинства полупроводниковых приборов лежат явления и процессы, возникающие на границе между двумя областями полупроводника с различными типами электри- ческой проводимости – электронной (n-типа) и дырочной (p-типа). В области n-типа преобладают электроны, которые являются основными носителями электрических зарядов, в p-области таковыми являются положительные заряды (дырки). Граница между двумя областями с различными типами проводимости называется p-n-переходом.

При отсутствии внешнего электрического поля, в результате диффузии и рекомбинации основных носителей, концентрация подвижных носителей на границе p-n-перехода уменьшается и в пограничной области образуются нескомпенсированные заряды ионов: положительные со стороны n-области и отрицательные со стороны p-области (рис. 7.14,a). Пограничный слой, объединенный подвижными носителями, является электрически нейтральным при отсутствии внешнего электрического поля. В то же время на границе слоев возникает область

Полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью называется диодом (рис. 7.15,à). По аналогии с электроламповым диодом вывод из p-области называют анодом, à èç n-области – катодом. Если к диоду подключить внешний источник напряжения UR минусом к аноду, а плюсом к катоду (напряжение с такой полярностью относительно p-n-перехода называют обратным), то значение напряжения потенциального барьера в ОПЗ возрастет (рис. 7.15,á). Состояние термодинамического равновесия носителей заряда полупроводника нарушается и через диод начнет протекать небольшой обратный ток iR, обусловленный неосновными носителями. Этот ток слабо зависит от обратного напряжения UR и с его увеличением приближается к постоянному значению iR = I0, соответствующему так называемому тепловому току. Увеличение обратного напряжения сверх определенного значения вызывает резкое увеличение электрической проводимости диода – пробой. В зависимости от характера протекающих при этом физических процессов различают лавинный пробой и туннельный пробой (пробой Зенера). Если эти процессы не будут ограничены во времени или по току, происходит тепловой пробой диода с разрушением его структуры.

При подключении к диоду внешнего источника прямого напряжения UF (плюс источника к p-облас-

ти, а минус – к n-области), напряженность потенциального барьера в ОПЗ снижается (рис. 7.15,â). В результате под воздействием напряжения внешнего источника через диод начнет протекать ток iF, называемый также прямым. Зависимость этого тока от прямого напряжения имеет вид

ãäå I0 – обратный ток диода, возникающий при подключении к нему обратного напряжения; jò – тепловой потенциал, зависящий от температуры (jò ≈ 0,26 Â).

При малых значениях jò и условии UF >> jò

можно пренебречь единицей в (7.27). Зависимость тока iF от напряжения UF будет экспоненциальна.

Функционально диод можно считать неуправляемым электронным ключом с односторонней проводимостью. Диод находится в проводящем состоянии (замкнутый ключ) если к нему приложено прямое напряжение. Прямой ток диода iF определяется параметрами внешних цепей и напряжение на его выводах мало. Если к диоду приложено обратное напряжение, то он находится в непроводящем состоянии (разомкнутый ключ), и его ток имеет небольшое значение. Напряжение на выводах диода определяется параметрами внешних цепей. В идеализированном виде диод можно рас-

сматривать как ключ, который может находится в двух состояниях: включенном, когда через него протекает прямой ток iF и выключенном, когда он блокирует напряжение, не проводя ток (рис. 7.15,ã). Реальная статическая ВАХ диода при подключении к нему источника прямого напряжения может быть представлена экспонентой, а при подключении источника обратного напряжения – участком постоянного тока со значением I0 вплоть до наступления пробоя при увеличении обратного напряжения до предельного значения UBR (ðèñ. 7.16,à). Для расче- тов режимов работы диодов статическая ВАХ аппроксимируется различными функциями (рис. 7.16,б). При этом для характеристик силовых диодов значе- ниями обратных токов часто пренебрегают.

При анализе реальной (не аппроксимированной) статической ВАХ, принято различать сопротивле-

ние диода постоянному току и динамическое – переменному току. Первое определяется как отношение напряжения анод-катод к постоянному току, например в точке à (ðèñ. 7.16,à), ò. å. (rS)à = Uà ¤ Ià, что соответствует котангенсу угла a,

образуемого прямой, проведенной из начала координат в точку a. Динамическое сопротивление (дифференциальное) – сопротивление переменному току в определенной точке ВАХ, например à íà ðèñ. 7.16,a. При этом обычно предполагается малая амплитуда этого тока, позволяющая линеаризовать характеристику диода, представив динамическое сопротивление в виде производной в точке à rò = dUF ¤ diF ïðè iF = IÀ. Иначе это сопротивление

можно учесть углом наклона касательной b в точке à (rò = 1 ¤ tg β). Следует отметить, что более правиль-

В п. 7.1.3 при рассмотрении динамических ВАХ электронные ключи представлялись генераторами линейно спадающего напряжения (при включении) и линейно спадающего тока (при выключении). Реальные динамические процессы в диодах имеют особенности, которые иногда, в частности, при работе на высоких частотах, следует учитывать. Поэтому рассмотрим динамические характеристики диода при включении и выключении более подробно.

Включение диода. Предположим, что в исходном состоянии диод выключен под воздействием обратного напряжения UR и последовательно с диодом включена индуктивность L, ограничивающая скорость нарастания тока при его включении. В этом состоянии p-n-переход диода можно характеризовать некоторой емкостью, называемой барьерной и заряженной в полярности, соответствующей обратному напряжению. При подаче на диод прямого напряжения в момент t = t0 начинается процесс включения диода (рис. 7.17). Первый этап характеризуется разрядом барьерной емкости и ростом тока со скоростью, ограниченной главным образом индуктивностью L. Включение заканчивается, когда напряжение анод-катод диода принимает установившееся значение, соответствующее прямому току (t = t1). При высокой скорости нарастания прямого тока di /dt (кривая 1 на рис. 7.17) из-за наличия собственной индуктивности выводов диода возможно некоторое превышение прямого напряжения на диоде над установившимся значением. При снижении скорости нарастания прямого тока (кривая 2) всплеск прямого напряжения отсутствует, общее время включения увеличивается и процесс завершается в момент времени t = t2.

Выключение диода. Выключение диода происходит при подаче обратного напряжения на включенный диод, по которому протекает прямой ток IF. В результате ток в диоде начинает спадать до нуля со скоростью, определяемой индуктивностью L в контуре цепи подключенного источника обратного напряжения. До подключения источника обратного напряжения в момент времени t =t0 диод находился в проводящем состоянии и в нем был накоплен избыточный заряд носителей. Начиная с момента времени t = t0, ток в диоде начинает убывать со скоростью diF ¤ dt, а избыточный заряд

Рис. 7.17. Диаграммы тока и напряжения диода при включении

диода рассасываться (см.рис. 7.18). В момент времени t = t1 ток проходит через нуль и через диод начинает протекать обратный ток iRR. В момент времени t = t2 заканчивается процесс рассасывания избыточного заряда и диод восстанавливает свои запирающие свойства, блокируя протекание обратного тока iRR. Вследствие этого ток начинает спадать со скоростью, зависящей от типа диода (на рис. 7.18 кривая 1 соответствует плавному уменьшению обратного тока, а кривая 2 – резкому). Спад обратного тока из-за наличия индуктивности L в цепи коммутации вызывает появление перенапряжений на выключающемся диоде. Когда обратный ток уменьшится до 1/4 своего максимального значения IRRM, процесс восстановления запирающих свойств диода принято считать законченным (момент времени t = t3). Интервал времени tRR = t3 - t1 – время обратного восстановления диода. Далее обратный

ток спадает до установившегося значения, когда diRR ¤ dt = 0, а обратное напряжение UR становится равным напряжению источника E.

Заряд обратного восстановления QRR соответствует на рис. 7.18 площади, ограниченной мгновенными значениями обратного тока. Приближенно оценить связь между значениями QRR, IRRM, tRR и скоростью diRR/dt можно аппроксимируя область протекания обратного тока треугольником, пренебрегая интервалом спада обратного тока t2 –t3. Эти соотношения имеют вид:

Для более точных расчетов необходимо учитывать параметры структуры конкретного типа диода [78].

Наиболее характерными причинами выхода диода из строя являются высокая скорость нарастания прямого тока diF ¤ dt при его включении и перенапряжения при выключении.

При высоких значениях diF ¤ dt могут возникать неравномерная концентрация носителей заряда в структуре диода и, как следствие этого, локальные перегревы с последующим повреждением структуры. Основной причиной высоких значений diF ¤ dt является малая индуктивность в контуре, содержащем источник прямого напряжения и включенный диод. Для снижения значений diF ¤ dt обычно вклю- чают последовательно с диодом линейный реактор с индуктивностью, ограничивающей скорость нарастания тока. В ряде случаев оказывается целесообразным включать насыщающиеся реакторы, которые до наступления момента насыщения ограни- чивают ток диода до тока намагничивания. После завершения включения диода реактор насыщается и происходит дальнейший рост тока в диоде и реакторе до установившегося значения. Применение насыщающегося реактора позволяет защитить диод от высоких скоростей изменения тока diF ¤ dt на первом этапе включения, когда это наиболее опасно для диода.

Возникновение перенапряжений при выключе- нии диода рассмотрим в схеме, изображенной на рис. 7.19,à. Предположим, что в индуктивности нагрузки Lí накоплена энергия, вызывающая при выключенном ключе S протекание через диод VD2 прямого тока Ií. При повторном включении ключа S в момент времени t = t0 ток в диоде начинает

спадать со скоростью di ¤ dt = - E ¤ Ls. В момент времени t = t1 через диод начинает протекать обратный ток и в момент времени t = t2 происходит резкое

восстановление запирающих свойств диода. Этот процесс условно можно рассматривать как размыкание ключа S0, включенного между узлами à è á. Резистор Rs и конденсатор Cs являются элементами, ограничивающими перенапряжения на диоде. Иначе, это элементы ЦФТП (см.п.7.1.4), для обеспечения ОБР диода. При их отсутствии динамический переходный процесс, связанный с размыканием ключа S0, вызвал бы при блокировании обратного тока недопустимо большой скачок напряжения на диоде.

Элементы Rs è Cs поглощают энергию, накоп-

ленную в индуктивности Ls, ограничивая перенапряжения. Значение этой энергии при допущениях неизменности тока Ií может быть определено

Ïðè Rs = 0 переходный процесс будет колебательным и незатухающим. Приближенно можно оценить емкость Cs из условия поглощения ей избыточной энергии и ограничения напряжения диода до допустимого значения UBR

s U 2BR

Резистор Rs демпфирует колебания напряжения UCs, частично рассеивая энергию реактора Ls. Остаточная энергия в конденсаторе определяется напряжением E и равна CsE2/2.

Íà ðèñ. 7.19,â представлены диаграммы обратного напряжения на диоде при разных соотноше-

Рис. 7.19. Динамические процессы при включении и выключе- нии диода:

à – электрическая схема; á – эквивалентная схема; â – диаграммы токов и напряжения

ниях значений Rs è Cs (1 – колебательный процесс; 2 – апериодически затухающий). На практике нахождение рационального соотношения значений Rs è Cs является типичной оптимизационной задачей.

В зависимости от конкретных условий использования схемы ЦФТП для защиты диодов могут

отличаться от рассмотренной количеством элементов и топологией.

Для защиты диодов от выхода из строя при токовых перегрузках в аварийных режимах используют специальные быстродействующие предохранители с плавкой вставкой или жидкометаллические предохранители [79].

Транзистором называют полупроводниковый прибор, содержащий два или более p-n-переходов

èспособный работать как в усилительных, так

èв ключевых режимах. В силовых электронных аппаратах транзисторы используются в качестве полностью управляемых ключей. В зависимости от сигнала управления транзистор может находится в закрытом (низкая проводимость) или в открытом (высокая проводимость) состоянии. В закрытом состоянии транзистор способен выдерживать пря-

мое напряжение, определяемое внешними цепями, при этом ток транзистора имеет небольшое значе- ние. В открытом состоянии транзистор проводит прямой ток, определяемый внешними цепями, при этом напряжение между силовыми выводами транзистора мало. Транзисторы не способны проводить ток в обратном направлении и не выдерживают обратного напряжения. Таким образом, идеализированная ВАХ транзистора представляет собой две прямые линии: прямого тока (включенное состоя-