Обеспечение безопасной работы силовых электронных ключей

В технических характеристиках полупроводниковых приборов указываются параметры для различных условий использования. Область допустимых электрических параметров ключа, при которых он должен работать без повреждения, называется областью безопасной работы (ОБР). Рассматривают максимально допустимые значения тока, напряжения и мощности. Общепринятым является графическое представление ОБР в виде зависимости тока ключа (is) от напряжения на ключе (us) в логарифмическом масштабе (рис. 1.25):

Диаграммы напряжения, тока и мощности ключа при периодической коммутации /{-нагрузки

Рис. 1.24. Диаграммы напряжения, тока и мощности ключа при периодической коммутации /{-нагрузки

где Ps max — максимально допустимое значение выделяемой мощности. В логарифмическом масштабе границы допустимой мощности представляются отрезками линейных функций is(us)y а предельные значения тока и напряжения (/$-П1ах, Us max) ~ соответствующими постоянными границами, как показано на рис. 1.25. В зависимости от типа прибора количество и характер ограничений могут изменяться. Также допустимые значения параметров ключа зависят от длительности включенного состояния и частоты коммутации: граница ОБР при коротких импульсах включения будет проходить выше границы для длительных включений — ОБР расширяется.

Область безопасной работы полупроводникового ключа

Рис. 1.25. Область безопасной работы полупроводникового ключа:

--длительное включение;-----импульсное включение

Обеспечение соответствия ОБР выходных параметров ключей и их реальных ВАХ является основным фактором, определяющим энергетические показатели и надежность силового электронного устройства в целом. На практике чаще всего используются ОБР для открытого состояния ключа, но могут использоваться и ОБР для закрытого состояния, характеризующие допустимые значения обратного напряжения и тока. Область допустимых параметров сигнала управления ключом характеризуется ОБР по управлению, но используется реже.

Мгновенные значения тока и напряжения ключа во всех режимах работы, включая процесс коммутации, не должны выходить за границы ОБР. Это означает, что статические и динамические ВАХ ключа должны находиться внутри ОБР. В противном случае надежная работа полупроводникового прибора не гарантируется, он может выйти из строя. Но обеспечить полное соответствие ОБР и динамических ВАХ ключа сложно, поскольку они зависят от характера и параметров коммутируемой цепи. Поэтому для защиты прибора часто приходится включать дополнительные элементы емкостного и индуктивного характера, что позволяет необходимым образом скорректировать динамические ВАХ ключа. Совокупность введенных элементов, обеспечивающих требуемую траекторию переключения (динамическую ВАХ) ключа, называют цепью формирования траектории переключения (ЦФТП) (от англ, snubber — «снаббер»). По существу, ЦФТП является устройством защиты ключа в динамических режимах работы.

Схемотехника ЦФТП определяется типом полупроводникового прибора, а также схемой и параметрами коммутируемой цепи. Основой ЦФТП являются реактивные элементы емкостного или индуктивного характера, так как конденсатор ограничивает значение и скорость нарастания напряжения на ключе в процессе коммутации, а индуктивность — значение и скорость изменения тока ключа. При этом реактивные элементы не поглощают энергию за время коммутации. Эта энергия рассеивается в активных элементах ЦФТП (диссипативные ЦФТП) либо возвращается в источник или цепь нагрузки (не диссипативные ЦФТП).

На рис. 1.26 представлены упрощенные схемы ЦФТП и их влияние на динамические ВЛХ ключа. Схема на рис. 1.26, а позволяет изменить траекторию выключения при активно-индуктивной нагрузке за счет снижения напряжения на ключе посредством параллельного подключения конденсатора. Схема на рис. 1.26, б обеспечивает снижение тока при включении активно-емкостной нагрузки посредством подключения катушки индуктивности последовательно с ключом. Обычно на практике используются более сложные схемы ЦФТП, формирующие требуемые динамические ВАХ как при включении, так и при выключении ключа. В таких цепях помимо активных и реактивных элементов могут использоваться трансформаторы, а также дополнительные полупроводниковые элементы, например стабилитроны.

Цепи формирования траектории переключения (ЦФТП)

Рис. 1.26. Цепи формирования траектории переключения (ЦФТП):

а — схема с ЦФТП и динамические ВЛХ при выключении /?1-нагрузки; б — схема с ЦФТП и динамические ВЛХ при включении /?С-нагрузки

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >