1. Основные элементы силовых электронных устройств

1.1. Силовые электронные ключи

Силовым электронным ключом называется устройство для размыкания или замыкания электрической цепи, которое состоит по меньшей мере одного полно­стью управляемого прибора, например транзистора или тиристора.

Под ключевым способом управления подразумевается, что прибор может находиться только во включенном (проводящем) или выключенном (непроводящем) состоянии, при этом время перехода из одного состояния в другое минимально. Понятие «силовой» означает, что осуществля­ется управление потоком электрической энергии, а не потоком информации. К сило­вым электронным приборам относятся приборы с максимально допустимым значением среднего тока свыше 10А или импульсным током свыше 100А.

Согласно определению силовые электронные ключи содержат не менее одного управляемого электронного прибора, например транзистора или тиристора. Однако в силовой электронике также используются неуправляемые приборы — диоды, выполняющие функции, сходные с функциями ключей. Проводимость диода может изменяться, и следовательно, возможно управлять током электрической цепи, изменяя полярность приложенного к диоду напряжения. Это нашло отражение в термине «вентиль», который широко употребляется в электронике.

Силовые полупроводниковые приборы классифицируются по следующим признакам: принципу действия, конструктивному исполнению а также по применению.

Среди полупроводниковых приборов различают диоды, транзисторы и тирис­торы. Каждый вид приборов имеет разновидности, существенно различающиеся по принципу действия и характеристикам. Например, транзисторы подразделя­ются на биполярные, полевые, с изолированным затвором IGBT (Insulated-Gate-Bipolar Transistor). С учетом структуры IGBT в отечественной технической лите­ратуре предложено именовать их термином МОПБТ потому, что они конструктивно состоят из входного полевого транзистора и выходного биполярного транзистора.

В настоящее время кроме обычных, так называемых «однооперационных» или традиционных тиристоров, созданы запираемые (двухоперационные) тиристоры. В этих приборах можно управлять моментом не только их включения, но и выключения посредством сигнала управления.

Силовые приборы классифицируются по следующим параметрам:

• рабочей частоте (низкочастотные, высокочастотные, импульсные);

• коммутируемой мощности (малой, средней, большой);

• принципу управляемости, т. е. возможности перевода прибора из проводя­щего состояния в не проводящее и обратно.

Различают следующие принципы управления:

• изменением полярности подаваемого на прибор напряжения (диоды);

• подачей сигнала управления для включения и выключения прибора измене­нием полярности напряжения;

• подачей сигналов управления для включения или выключения прибора (транзисторы, запираемые тиристоры).

Статическим режимом работы ключа называется режим, установившийся после переключения ключа в одно из следующих состояний: включенное (прово­дящее ток нагрузки) или выключенное (не проводящее ток нагрузки). Часто он называется квазистатическим, так как соответствует установившимся процессам в ключе при его периодическом переключении из одного состояния в другое. Основной характеристикой ключа в этом режиме является его статическая вольт - амперная характеристика (ВАХ), т. е. зависимость тока ключа от напряжения на нем , полученная при бесконечно медленном изменении тока и напряжения. В обозна­чениях прямых токов и напряжений принято использовать индекс «F», например и , а для обратных токов и напряжений — индекс «R», например и .

Согласно ВАХ идеального ключа во включенном состоянии и_s= 0 при любом зна­чении тока и, наоборот, в выключенном =0 при любом значении напряжения . Время включения и выключения, а также мощность, затрачиваемая на управле­ние, тоже принимаются равными нулю. В отличие от идеального ключа все виды реальных ключей в проводящем состоя­нии имеют прямое падение напряжения, а в непроводящем — пропускают ток утечки.

Динамическим режимом работы ключа называется режим, при котором про­исходит переход из одного состояния в другое (из включенного в выключенное и наоборот). При анализе электрических цепей, содержащих электронные ключи, следует различать обозначения времени для динамических и статических режи­мов. В статических (установившихся) режимах время t_вкл и t_выкл соответствует времени, в течение которого ключ находится во включенном или выключенном состоянии. В динамических (переходных) режимах время и соответ­ствует времени перехода из выключенного состояния во включенное и наоборот. Одной из основных характеристик работы ключа в динамическом режиме явля­ется динамическая вольт-амперная характеристика, т. е. зависимость напряжения на ключе от тока в процессе переключения. Динамическая ВАХ является траекторией переключения (коммутации) электронного ключа. Переходные процессы в ключах зависят от его быстродействия и параметров элементов коммутируемой электрической цепи. Соответственно, динамические ВАХ также зависят от указан­ных факторов и поэтому могут быть очень разнообразными. Динамические ВАХ обычно представляют на плоскости параметров тока и напряжения , опреде­ленных для конкретных условий коммутации на интервале переключения ключа. Аналитическое описание динамических процессов, полностью учитывающее физические процессы в полупроводниковых приборах, является сложной задачей. Поэтому при анализе процессов переключения в электронных ключах использу­ются упрощенные математические модели, позволяющие во многих случаях полу­чать результаты с достаточной для практических целей точностью. Например, общепринятым является идеализированное представление электронного ключа на интервале включения источником линейно спадающего напряжения, а на интер­вале выключения - источником линейно спадающего тока. Длительность спада напряжения и тока до нуля принимается равной времени включения и выключения электронного ключа.

Диаграммы напряжения и тока модели ключа в динамических режимах представлены на рис. 1.1. С учетом допущения линейности эти модели могут быть представлены эквивалентными источниками напряжения (при включении) и тока (при выключении):

(t) = (1 - );

(t) = (1 - ) , (1.1)

где и — установившиеся значения напряжения и тока ключа до момента начала коммутации.

Очевидно, что ток ключа при включении и напряжение на нем при выключении характеризует реакцию коммутируемой цепи на изменение состояния ключа. Если в коммутируемой цепи содержатся реактивные элементы, например индук­тивные или емкостные, то их инерционность вызывает соответствующую реакцию на процессы переключения ключей в виде изменения тока при включении и напря­жения при выключении.

На рис. 1.1, а представлена простейшая схема коммутации активной нагрузки. В схеме принято допущение идеальности статической ВАХ (рис. 1.1, б) ключа S. На интервалах переключения используется динамическая модель ключа (рис.1.1, в).

Из приведенных временных диаграмм (t), (t) могут быть рассчитаны мгно­венные мощности динамических потерь при переключении с учетом их нагрузки. В рассматриваемом примере статические ВАХ приняты идеальными и поэтому потери мощности существуют только на интервалах переключения. Кроме того, источники напряжения, питающие коммутируемые цепи, также считаются идеаль­ными, т.е. внутреннее сопротивление источников равно нулю.

Для схемы с активной нагрузкой в цепи, коммутируемой ключом, и_s= Е на интер­валах выключенного состояния ключа, а = 0 на интервалах включенного состояния (рис. 1.1, б). Мгновенная мощность на интервале включения и выделяемая при этом энергия могут быть определены из следующих соотношений:

(t) = (t)(t) = ( - );

= (t) dt =. . (1.2)

Интервалу включения соответствует диаграмма на рис. 1.1, б.

Рис. 1.1. Коммутация активной нагрузки:

а - схема; б – диаграммы изменения , , при включении; в – диаграммы изменения , , при выключении; г – динамическая ВАХ

На интервале выключения для определения параметров по (1.2) следует заме­нить t ^п _вкл на t ^п _выкл (рис. 1.1, в).

Отсутствие реактивных элементов в схеме на рис. 1.1, а определяет линейный характер динамических ВАХ ключа при включении и выключении (рис. 1.1, г), которым соответствует соотношение (t) ⁼ Е — (t)R.

При коммутации, например активно-индуктивной нагрузки, процессы в схеме изменяются. Из рисунков 1.2, а-в видно, что наличие индуктивности в коммутируе­мой цепи приводит к повышению напряжения на ключе на интервале его выклю­чения и затягиванию процесса нарастания тока при включении ключа

Рис.1.2. Коммутация активно-индуктивной нагрузки:

а - схема; б – диаграммы изменения , при включении; в – диаграммы изменения ,, при выключении; г, д – динамические ВАХ при включении и выключении

Из-за воз­никновения ЭДС самоиндукции на индуктивности L при уменьшении тока на интервале выключения максимальное значение напряжения на ключе и_s= Е + L. При уменьшении напряжения на интервалах включения значение тока i_s уменьшается. В результате происходит изменение потерь мощ­ности в ключе на интервалах коммутации. Одновременно изменяются динамиче­ские ВАХ (рис. 1.2, г, д). Из рассмотренного примера видно, что наличие реактивных элементов в цепи нагрузки и быстродействие ключа существенно влияют на процессы при ее ком­мутации [2].

Потери мощности в ключе при периодической коммутации. Наиболее распро­страненным режимом работы электронных ключей является режим периодической коммутации, обусловленный переходом из включенного состояния в выключенное и обратно. При этом статические и динамические режимы чередуются.

Рассмотрим выделение мощности при периодическом режиме работы транзис­торного ключа с частотой . Аппроксимированная статическая ВАХ такого ключа представлена на рис. 1.2, а динамические модели включения и выключения — на рис. 1.2. г, д. Упростим статическую ВАХ, полагая, что во включенном состоянии на транзисторе напряжение равно Δ, а в выключенном — через него протекает ток утечки 1_F0 . Предположим также, что ключ коммутирует активную нагрузку R.

Диаграммы тока, напряжения и мощности в ключе при коммутации активной нагрузки для соизмеримых по времени интервалов включенного t_вкл и выключенного t _выкл состояний ключа с длительностью интервалов включения и выключе­ния t^п _выкл представлены на рис. 1.2. г, д. За период коммутации ключа Т_к в нем выделяется мощность и , называемая мощностью статических потерь и мощностью динамических потерь на интервалах переключения.

Областью безопасной работы (ОБР) называется область допустимых электрических параметров ключа, при которых он будет работать без повреждений (рис.1.3). Графически ОБР представлена в прямоугольных координатах, по которым откладываются значения тока и напряжения ключа в логарифмическом масштабе. Последнее связано с тем, что границы допустимой мощности в логарифмическом масштабе представляются отрезками линейных функций. Например, мощность, выделяемая в ключе, не должна превышать макси­мально допустимого значения (t) = (t)(t) < Р_smax.

Рис. 1.3. Область безопасной работы ключа

Это выражение соответствует гиперболической зависимости тока от напряжения , что в логарифми­ческом масштабе соответствует линейной зависимости

lg = lg Р_smax - lg. (1.3)

На рис. 1.3 представлена ОБР ключа, ограниченная значениями I_smax, U_smax и Р_smax , т . е. тремя линейными участками: а - б - предельным значением тока I_smax , б - в - предельным значением мощности потерь Р_smax и в - г — предель­ным значением напряжения U_smax.

В зависимости от типа прибора число и характер ограничений могут изме­няться и появляться дополнительные участки границы ОБР, определяемые более сложными аналитическими зависимостями тока и напряжения. Кроме того, гра­ницы ОБР зависят от длительности включенного состояния и частоты коммутации ключа. Например, граница ОБР при коротких импульсах включения будет прохо­дить выше границы длительных включений. На рис. 1.3 эти границы показаны штриховыми линиями. Чем короче время воздействия импульса тока и напряже­ния на ключ, тем шире ОБР.

В практических расчетах чаще всего используется ОБР для прямой проводи­мости приборов, но могут использоваться и ОБР для приборов, работающих в режиме обратного напряжения, т. е. в закрытом состоянии, а также ОБР для вход­ных сигналов управления [1].

Область допустимых параметров сигнала управления ключом характеризуется ОБР по управлению, но используется реже.

Мгновенные значения и ключа в любой момент времени во всех режимах работы, включая процесс коммутации, не должны выходить из области ОБР. Динамические ВАХ ключа зависят от параметров коммутируемой цепи. Наличие емкостей в коммутируемой цепи может приводить к существенному всплеску тока при включении, а индуктивности — к всплеску напряжения при выключении. Для надежной работы ключа необходимо соответ­ствие динамической ВАХ и ОБР, что достигается принятием специальных мер защиты прибора. Например, для защиты полупроводниковых приборов включают конденсаторы и реакторы. Так как динамическая ВАХ представляет собой траек­торию переключения ключа, то включение дополнительных элементов в целях изменения динамической ВАХ можно рассматривать как формирование желае­мой, в соответствии с ОБР, траектории переключения. Совокупность введенных для формирования траектории переключения элементов называется цепью форми­рования траектории переключения (ЦФТП) [в технической литературе ЦФТП часто называют снаббером (snubber)]. По существу ЦФТП является устройством защиты ключа в динамических режимах. Схема ЦФТП определяется типом полупроводникового прибора, топо­логией и параметрами коммутируемой цепи. Основой ЦФТП являются реактив­ные емкостные или индуктивные элементы. Это обусловлено тем, что конденса­тор ограничивает значение и скорость нарастания напряжения на ключе в процессе коммутации, а индуктивность — значение и скорость изменения комму­тируемого тока. При этом реактивные элементы не поглощают энергию за время коммутации. Эта энергия рассеивается в активных элементах ЦФТП (диссипативные ЦФТП) либо возвращается в источник (недиссипативные).

На рис. 1.4 представлены упрощенные схемы ЦФТП.

в г

Рис. 1.4. Цепи формирования траектории переключения:

а, в – ЦФТП для выключения и включения; б, г – изменение траектории переключения

Схема рисунка 1.4, а используется при формировании требуемой ВАХ при выключении активно-индук­тивной нагрузки, а рисунка 1.4, в — при включении активно-емкостной нагрузки. Динамические ВАХ в схеме с ЦФТП и без нее представлены на рис. 1.4, б, г. Обычно используются ЦФТП с более сложной схемой, что позволяет обеспе­чивать требуемые ВАХ как при включении, так и при выключении. Подробнее такие ЦФТП будут рассмотрены при изучении защиты полупроводниковых приборов.