Обеспечение безопасной работы силовых электронных ключей

Областью безопасной работы (ОБР) называется область допустимых электрических параметров ключа, при которых он должен работать без повреждения. Общепринятым является графическое представление ОБР в прямоугольных координатах, но которым откладываются токи и напряжения ключа, обычно в логарифмическом масштабе. Последнее связано с тем, что границы допустимой мощности в логарифмическом масштабе представляются отрезками линейных функций. Так, например, мощность, выделяемая в ключе S, не должна превышать максимально допустимого значения

Выражение (1.2) соответствует гиперболической зависимости тока is и напряжения us. В логарифмическом масштабе это соответствует линейной зависимости

На рис. 1.16 представлена ОБР ключа, ограниченная тремя линейными участками, соответствующими предельному значению тока /5п1ах, максимальному значению напряжения f/5max и допустимому значению мощности Р5тах.

В зависимости от типа прибора количество и характер ограничений могут изменяться. Кроме того, 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 (см. рис. 1.16), т.е. с уменьшением длительности импульсов происходит расширение ОБР.

На практике чаще всего используется ОБР для прямой проводимости прибора (открытого состояния ключа), но могут использоваться и ОБР для приборов, работающих в режиме обратного напряжения (для закрытого состояния). ОБР по параметрам сигнала управления используется реже.

Puc. 1.16. Область безопасной работы полупроводникового ключа:

1 — длительное включение; 2 — импульсное включение

Обеспечение соответствия ОБР выходных параметров ключей и их реальных характеристик является основным фактором, определяющим энергетические показатели и надежность силового электронного устройства в целом. Мгновенные значения тока и напряжения ключа во всех режимах работы, включая процесс коммутации, не должны выходить за границы ОБР. Это означит, что статические и динамические ВАХ ключа должны находиться внутри ОБР. В противном случае надежная работа ключевого прибора не гарантируется. Но динамические ВАХ ключа зависят от параметров коммутируемой цепи. Наличие емкостей в коммутируемой цени может приводить к существенному всплеску тока при включении, а индуктивности — к скачку напряжения при выключении. Поэтому обеспечить соответствие динамической ВАХ и ОБР сложно. Для этого принимают специальные меры защиты прибора. Например, включают дополнительные электрические элементы, в частности, конденсаторы и дроссели, обеспечивающие корректировку динамических ВАХ. Использование дополнительных элементов в целях изменения тока ключа и напряжения на ключе в процессе коммутации можно рассматривать как формирование желаемой (в соответствии с ОБР) траектории переключения. Совокупность введенных с этой целью элементов называют цепью формирования траектории переключения (ЦФТП). В технической литературе ЦФТП часто называют снаббером (от англ, snubber — «демпфер»). По существу ЦФТП является устройством защиты ключа в динамических режимах работы.

Схемотехника ЦФТП определяется типом полупроводникового прибора, а также топологией и параметрами коммутируемой цепи. Основой ЦФТП являются реактивные элементы емкостного или индуктивного ха-

Упрощенные схемы ЦФТП

Рис. 1.17. Упрощенные схемы ЦФТП:

а — на выключение; в — на включение; б, г — соответствующие динамические ВАХ рактсра. Это обусловлено тем, что конденсатор способен ограничивать 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 или цепь нагрузки (не диссипативные ЦФТП).

На рис. 1.17 представлены упрощенные схемы ЦФТП. Схема на рис. 1.17, а может быть использована для формирования требуемой ВАХ при выключении активно-индуктивной нагрузки, а на рис. 1.17, в — при включении активно-емкостной нагрузки. Соответствующие динамические ВАХ в схеме с ЦФТП и без нее представлены на рис. 1.17, б, г. Обычно на практике используются ЦФТП с более сложной схемотехникой, что позволяет обеспечивать требуемые ВАХ как при включении, так и при выключении.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >