Силовые электронные аппараты

В электронных аппаратах основным элементом, управляющим потоком электрической энергии являются коммутирующие электри­ческие статические или бесконтактные электронные ключи. Функции бесконтактных ключей в настоящее время преимущественно выпол­няют силовые полупроводниковые приборы. К силовым полу­проводниковым приборам относятся приборы с максимально допусти­мым средним током свыше 10 А или импульсным током свыше 100 А. Силовые полупроводниковые приборы работают в качестве электронных ключей в двух явно выраженных состояниях – вклю­ченном, соответствующем высокой проводимости, и выключенном, соответствующем низкой проводимости. В этих режимах их вольтамперные характеристики (ВАХ) подобны характеристикам нелиней­ных элементов релейного типа. Физической основой большинства таких приборов являются полупроводниковые структуры с различны­ми типами электронной проводимости. Управление электронной про­водимостью позволяет осуществлять бездуговую коммутацию элект­рических цепей.

По принципу действия силовые полупроводниковые приборы раз­деляются на три основных вида: диоды (вентили), транзисторы и тиристоры.

По степени управляемости силовые полупроводниковые приборы разделяются на две группы:

- не полностью управляемые приборы, которые можно переводить в проводящее состояние, но не наоборот, например, тиристоры (условно к этой группе можно отнести также и диоды, состояние которых определяется полярностью приложенного к ним напряжения);

- полностью управляемые приборы, которые можно переводить в проводящее состояние и обратно сигналом управления (например, транзисторы или запираемые тиристоры).

Сигнал управления формируется электронным устройством (формирова­телем), входящим в состав системы управления (СУ) аппарата, преобразователя или другого устройства, содержащего электронный ключ. Такое устройство именуют оконечным каскадом СУ или формирователем импульсов, а в технической литературе его часто называют драйвером (driver). Основная функция драйвера заключается в формировании сигнала управления, необходимого для включения или выключения ключа при воздействии информацион­ного сигнала малой мощности. Функционально драйвер аналогичен приводу электромеханического коммутационного аппарата.

Полупроводниковые силовые электронные ключи обладают следующими преимуществами по сравнению с коммутационными контактными аппаратами:

- отсутствие подвижной механической системы;

- бездуговая коммутация цепей, отсутствие электрического износа;

- очень высокое быстродействие, возможность плавного управления и регулирования тока;

- надёжная работа во взрывоопасных и агрессивных средах;

- возможность управления силовыми ключами при помощи маломощных сигналов;

- возможность управления сигналами малой величины в коммутируемых цепях;

- высокая стойкость к ударным механическим нагрузкам и вибрациям;

- отсутствие акустического шума во время работы.

Наряду с неоспоримыми преимуществами, силовым электронным ключам присущи следующие недостатки:

- зависимость электрических параметров от температуры, приложенного напряжения, наличия источников проникающей радиации и др.; существенные различия в электрических параметрах ключей одного типа и класса;

- невысокая глубина коммутации, т.е. отношение электрического сопротивления ключа в отключенном и включенном состояниях; отсутствие видимого разрыва цепи в выключенном состоянии, наличие остаточного тока, отсутствие гальванической развязки в коммутируемой цепи;

- ключи обладают односторонней прово­димостью тока и способны работать при напряжении одной полярности, за исключением отдельных интегральных или гибридных приборов, сочетающих качества различных полупроводниковых эле­ментов;

- в состо­янии высокой проводимости прямое падение напряжения на ключе составляет не менее 0,7-1,5 В (до 3-х В), что обусловлено контактной разностью потенциалов на границе полупроводниковых слоёв; отсюда – существенные потери мощности, преобразующиеся в теплоту и необходимость применения охладителей;

- невысокая устойчивость к электрическим перегрузкам; требуются специальные схемотехнические решения по защите ключей от перегрузок по напряжению и току, а также по скорости нарастания тока di/dt и напряжения du/dt;

- возможны ложные переключения от случайных импульсов с малой продолжительностью, которые могут проникнуть в цепь управления ключом при близких ударах молний, дуговых разрядах в контактных аппаратах, электросварке и т.д.