Силовые электронные ключи

В бесконтактных электрических аппаратах роль элементов, коммутирующих потоки электрической энергии, исполняют статические бесконтактные ключи, функции которых выполняют силовые полу-проводниковые приборы. К этой группе относятся приборы с максимально допустимым средним током выше 10А или импульсным током выше 100 А. Силовые полупроводниковые приборы можно классифицировать по принципу действия, степени управляемости, применению и т.д.

По принципу действия можно выделить три основные вида: диоды, транзисторы, тиристоры. Они подразделяются по частоте (низкочастотные, высокочастотные, импульсные) и по мощности (малой, средней и большой мощности).

По степени управляемости можно выделить две группы:

- не полностью управляемые, которые можно приводить в проводящее состояние управляющим сигналом, но нельзя их закрывать (одно-операционные тиристоры, отчасти диоды);

- полностью управляемые приборы, которые можно переводить в оба состояния управляющим сигналом (транзисторы, запираемые тиристоры).

Сигнал управления электронными ключами формируется управляющим устройством, являющимся частью системы управления. Это устройство называют оконечным каскадом системы управления, формирователем импульсов или драйвером. Функционально драйвер аналогичен приводу электромеханического аппарата.

Работа ключей может рассматриваться в статическом и динамическом режимах.

Статический режим соответствует одному из состояний ключа – выключенному или включенному – и наступает после завершения процессов коммутации. Физические явления, сопутствующие этим состояниям, описываются вольтамперными характеристиками (ВАХ). При этом следует иметь в виду, что полупроводниковые ключи обладают односторонней проводимостью тока и, как правило, блокируют напряжение одной полярности. Большинство ключей в состоянии высокой проводимости имеют прямое падение напряжения 0,7 – 1,5 В. В выключенном состоянии через ключи протекает небольшой обратный ток утечки.

Динамический режим – процесс перехода ключа из одного состояния в другое. При этом одной из важных характеристик является динамическая ВАХ ключа. Она описывает зависимость напряжения на ключе от тока при переходе. Общее время переключения определяет быстродействие ключа и является еще одним его важным параметром.

Бездуговая коммутация позволяет обеспечить неограниченный ресурс работы в ключевых режимах при высокой частоте. Реализация этих возможностей зависит от выполнения определенных требований и учета всех факторов, влияющих на них. Динамическая ВАХ зависит от внутренних параметров ключа и от параметров коммутируемой цепи. При анализе динамических режимов пользуются упрощенными математическими моделями. Включение и отключение представляется линейным изменением тока и напряжения:

u_s(t) = E (1 – t/t_вкл) . (11.1)

i_s (t) = I_s (1 – t/t_выкл) . (11.2)

Характер нагрузки и ее параметры существенно влияют на ВАХ ключа и потери энергии в нем при коммутации. При коммутации активной нагрузки

изменения токов и напряжений описываются линейными соотношениями. При включении динамическая ВАХ описывается уравнением

u_s(t) = E – i_sR .(11.3)

Отсюда следует, что время включения на ВАХ не влияет. Аналогичная ситуация при выключении.

Процесс коммутации нагрузки, содержащей реактивные элементы, протекает иначе. При включении индуктивной нагрузки рост тока происходит по экспоненте

i_s = [t - (1 - )] ,(11.4)

где τ = L/R.

Рис.11.23. Диаграммы напряжения и тока при включении

и отключении

Очевидно, что наличие индуктивности замедляет нарастание тока при включении и уменьшает значение мгновенной энергии, выделяющейся в ключе. При выключении индуктивной нагрузки получаем зависимость для напряжения

u_s(t) = + 1) . (11.5)

Уравнение свидетельствует о том, что при отключении возникает перенапряжение.

При коммутации емкостной нагрузки в период включения образуется всплеск тока

i_s = ( + 1 ) . (11.6)

Область допустимых значений электрических параметров ключа, при которых он может работать без повреждений, называется областью

Рис. 11.24. Область безопасной работы ключа

безопасной работы (ОБР). Эта область ограничена предельными значениями тока, напряжения и допустимой мощностью потерь, которые определяют-

ся электронными и тепловыми процессами, протекающими в конкретном приборе с учетом условий его эксплуатации. Границы ОБР зависят от режима работы: чем дольше ключ замкнут, тем меньше ток и мощность. При работе в статическом или динамическом режимах значения тока и напряжения не должны выходить за пределы ОБР. Для приведения в соответствие дина-мических ВАХ и ОБР приходится включать дополнительные емкости и индуктивности, которые образуют цепи формирования траектории переключения (ЦФТП), иногда называемые в технической литературе снабберами (snubber). Схемотехника ЦФТП определяется типом полупроводникового прибора и параметрами коммутируемой цепи. Основой ЦФТП является емкость или индуктивность. Конденсатор ограничивает значение и скорость нарастания напряжения, а индуктивность – тока. Реактивные элементы поглощают энергию за время коммутации, которая рассеивается в активных элементах (диссипативные ЦФТП) или возвращается в источник питания или цепь нагрузки (недиссипативные ЦФТП). Конкретные исполнения ЦФТП определяются типом применяемых полупроводниковых приборов.

1. Силовые диоды. Для определения мер защиты диода целесообразно

вначале рассмотреть диаграммы тока и напряжения при его включении и отключении.

Включение. Диод включен в цепь с индуктивностью. Первоначально он выключен обратным напряжением. При подаче прямого напряжения он отпирается (t = t₀ ). Происходит разряд емкости p-n перехода и ток растет со скоростью, определяемой индуктивностью L . В момент времени t₁ напряжение на диоде достигает установившегося значения. При большой скорости нарастания тока di/dt возможно превышение прямого напряжения за счет

а)

б)

Рис. 11.25. Диаграммы тока и напряжения цепи с диодом: а – при

включении; б – при выключении

влияния индуктивности выводов диода.

Выключение. При подаче обратного напряжения происходит выключение

диода. Ток спадает со скоростью, определяемой L. В момент времени t₀ диод был в проводящем состоянии, в нем накоплен избыточный запас носителей заряда. С момента времени t₀ ток спадает со скоростью di_r/dt, определяемой L. В момент времени t₁ ток проходит через 0 и начинает течь обратный ток i_RR. В момент времени t₂ заканчивается процесс рассасывания избыточных носителей и диод восстанавливает запирающие свойства, блокируя протекание i_RR. Спад обратного тока вызывает появление перенапряжений. При достижении током величины ¼ I_RR процесс запирания заканчивается.

Защита силовых диодов. Причиной выхода силовых диодов из строя является высокое значение di/dt при включении и перенапряжение при отключении. При высоких скоростях роста тока возникает неравномерная концентрация носителей заряда в структуре диода и, как следствие, местные перегревы. Производная di/dt тем выше, чем меньше индуктивность цепи. Для снижения di/dt целесообразно включать последовательно с диодом линейный реактор. Если при этом использовать реактор насыщающийся, то ограничение изменения тока наступает именно на первом этапе включения, когда это наиболее опасно.

Для снижения перенапряжения целесообразно шунтировать диод резистором и емкостью. При этом R_s и С_s поглощают энергию, накопленную в L_s , ограничивая перенапряжение. При R_s = 0 процесс становится колебательным.

Для защиты диодов от перегрузок по току используют быстродействующие автоматы или предохранители.

Силовые транзисторы. Для определения особенностей ЦФТП для транзисторов рассмотрим их поведение в переходных режимах (см.

рис. 11.26).

Включение биполярного транзистора. В момент времени t₀ на базу транзистора поступил импульс тока больше граничного. Ток в цепи эмиттер – коллектор начинает расти после заряда входной емкости, что

приводит к задержке на включение (t₀ – t₁ ). При t = t₂ наступает режим насыщения. Ток коллектора не растет, но происходит накопление избыточного заряда в базе. Этот заряд определяется коэффициентом насыщения. Выключение биполярного транзистора. В момент времени t₄ на базу подается запирающий сигнал. Начинается интенсивное рассеивание избыточного за-

ряда. В момент времени t₅ транзистор выходит из насыщения и происходит

Рис. 11.26. Динамические процессы в биполярном транзисторе

его запирание.

Из рассмотренного ясно, что на быстродействие биполярного транзистора сильно влияют коэффициент насыщения S и ток базы.

Включение полевого МОП-транзистора. Процесс включения МОП- транзистора происходит аналогично рассмотренному ранее. Главное отличие – отсутствие явления накопления и рассасывания избыточных носителей заряда.

Рис. 11.27. ЦФТП на выключение активно-индуктивной нагрузки:

а – на основе обратного диода; б –стабилитрона; в –конденсатора;

г –трансформатора

Это приводит к более высокому быстродействию. Главным фактором является скорость заряда входной емкости, которая определяется параметрами источника сигнала управления.

Выключение полевого МОП-транзистора. При выключении МОП-транзистора после снижения сигнала управления до нуля также возникает интервал задерж-

ки, обусловленный снижением напряжения на затворе до граничного. Далее транзистор переходит в закрытое состояние.

в б а

Рис. 11.28. ЦФТП на включение: а – принципиальная схема;б – диаграмма тока, напряжения и мгновенной мощности при L_s = 0; в – диаграмма тока, напряжения, мгновенной мощности при недостаточной величине L_s

Обеспечение безопасной работы транзисторов. Область безопасной работы

транзисторов ограничена максимальным током, напряжением и рассеиваемой мощностью. В динамических режимах происходят те же процессы, что и во

всех ключах. При активно-индуктивной нагрузке возможно возникновение перенапряжений, гасить которые можно несколькими способами (рис. 11.27):

1. Шунтирование нагрузки диодом. В этом случае при выключении энергия,

запасенная в индуктивности, рассеивается в R_н через диод.

Шунтирование транзистора стабилитроном. При определенной величине перенапряжения стабилитрон пробивается и энергия рассеивается в R_н.

2. Шунтирование транзистора диодом и конденсатором. Энергия, запасенная в

индуктивности, рассеивается через емкость.

4. Ограничение перенапряжений в схеме рис. 11.27, г происходит посредством

введения дополнительной цепи с диодом VD, имеющей трансформаторную

связь с нагрузкой. При выключении ключа S в обмотке наводится ЭДС, под

воздействием которой включается диод и энергия, накопленная в индуктив-

ности, рекуперирует в источник питания.

ЦФТП для снижения потерь при включении показана на рис. 11.29.

Увеличение емкости C_s приводит к затягиванию нарастания напряжения и уменьшению мощности потерь. Накопленная в емкости энергия рассеивается в R_s при включении ключа.

Для ограничения перегрузок по току при включении используются реакторы, включаемые последовательно с нагрузкой. При отсутствии реактора при включении возникает бросок тока. Увеличение индуктивности реактора приводит к снижению потерь энергии в ключе, но растет запас энергии в L_s. Снижение потерь происходит за счет присутствия R_s и VD_s. Для воздействия на процессы при включении и отключении схемы ЦФТП совмещают. При этом нарастание тока при включении ограничивается индуктивностью, а нарастание напряжения при отключении – емкостью (рис. 11.29). В схемах с МОП-транзисторами для снятия перенапряжений, обусловленных паразитными индуктивностями монтажа и высокими значениями di_н/dt, их шунтируют RC

цепями. Аналогично производится защита биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ).

а б

Рис. 11.29. Пример схемы ЦФТП на включение и выключение

биполяного транзистора (а) и МОП- транзистора (б)

2. Тиристоры. При включении тиристора в цепь его управления подается

управляющий импульс (рис. 11.30). Время включения состоит из времени задержки и времени нарастания анодного тока. Этот процесс завершается в момент времени t₂ , когда напряжение анод-катод снижается до 10% от начального. На длительность переходного процесса влияет характер нагрузки, амплитуда и скорость нарастания импульса управления, температура, напряжение и ток нагрузки. При этом не должно возникать недопустимых скоростей нарастания прямого напряжения dU_АК/dt, которое может привести к несанкционированному открытию тиристора. Не должно быть и

недопустимых значений di_АК/dt. Процесс отключения тиристора аналогичен отключению диода. Вначале ток снижается до нуля со скоростью, определяе-

а б

Рис. 11.30. Диаграммы процессов включения (а)

и выключения (б) тиристора

мой параметрами цепи. Затем в течение времени t_RR происходит процесс восстановления. При отключении возможна естественная коммутация, когда запирание происходит под воздействием напряжения сети, и принудительная, когда запирание тиристора происходит за счет разряда конденсатора.

Защита тиристоров. Тиристоры критичны к скоростям нарастания тока и напряжения. При этом резкое спадание тока восстановления может привести к перенапряжениям. Обычно используются схемы ЦФТП, которые в динамическом режиме защищают от недопустимых значений di_АК/dt и dU_АК/dt. Для защиты могут использоваться последовательно включенные реакторы и параллельно включенные RC цепи. Однако

в большинстве случаев индуктивности коммутируемой цепи оказывается достаточно, чтобы не вводить дополнительную индуктивность.