Силові електронні ключі

Силові електронні ключі - це комбінація силових електронних компонентів або силових напівпровідників і драйвера для них. Внутрішні функціональні зв'язки і взаємодії визначають деякі характеристики ключа. На рис. 0.5 показана силова електронна система з інтерфейсом, зовнішньої електронної ланцюгом (високого потенціалу) і з пристроєм управління (обробка інформації, додаткове джерело живлення). Необхідна поділ потенціалів проводиться за допомогою оптопари або індуктивного зв'язку. Можливі комбінації силових напівпровідників, що відрізняються струмом ключа і напрямком напруги, показані на рис. 0.6.

Мал. 0.5. Силова електронна система перемикання

З одного боку, параметри цілого ключа є результатом режиму перемикання напівпровідника, які, в залежності від конструкції кристала напівпровідника, повинні адаптуватися до виду операцій ключа в цілому. З іншого боку, драйвер відповідає за все головні параметри ключа і контролює важливі захисні функції.

Мал. 0.6. Можливі комбінації силових напівпровідників

Основні типи силових електронних ключів

Завдяки принципу роботи силових напівпровідників, які відповідають за основні характеристики ланцюгів, силові електронні ключі можна розділити на наступні основні типи. Струм і напрямок напруги є результатом конкретних вимог до ланцюга.

Жорсткий ключ (HS, ріс.0.7)

За винятком теоретичного випадку чисто активного навантаження, одиночний ключ з жорстким включенням і вимиканням можна використовувати тільки разом з нейтрально переключающим силовим полупроводником в ланцюзі комутації з мінімальним пасивним запасом енергії (Ckmin, Lkmin). У порівнянні з нейтральним ключем без можливості контролю, жорсткий ключ може мати два способи контролю, а саме індивідуально настроюється включення і виключення. На ріс.0.7 показана можлива конфігурація ключа. Що стосується симетричного розташування ключів, то тільки один ключ, який проводить змінний струм буде активним з двома можливостями контролю, поки інший ключ нейтрально перемикається.

Мал. 0.7. Ланцюги комутації HS

Мал. 0.8. Ланцюги комутації ZCS

Ключ нульового струму (ZCS, ріс.0.8)

Силові напівпровідникові прилади в ключах нульового струму включаються активно і вимикаються пасивно. Беручи втрати на можливість контролю в порівнянні з HS, активне перемикання може відбуватися зі значно меншими втратами завдяки достатній послідовної індуктивності. На ріс.0.8 показані можливі конструкції ключа ZCS в еквівалентній комутованої ланцюга, які також можуть застосовуватися в ланцюгах з періодичним перемиканням без комутації. Такі ланцюга характеризуються тривалими індуктивними процесами комутації. Тобто активне включення слід за пасивним вимиканням.

Ключ нульової напруги (ZVS, ріс.0.9)

Ключі нульової напруги розроблялися таким чином, щоб вони могли включатися і вимикатися пасивно коли напруга комутації падає до нуля. Активне вимикання може викликати тільки дуже малі втрати, якщо паралельно включена ємність буде досить великий. У порівнянні з HS зменшення втрат потужності можливо при обліку втрат на можливість контролю. На ріс.0.9 наведено можливі конструкції ключів нульової напруги, комутуючі ємнісні ланцюга. Ключі нульової напруги також можна застосовувати в ланцюгах без комутації, де можна вибирати активну вимикання і пасивне включення одного й того ж ключа.

Мал. 0.9. Ланцюги комутації ZVS

Резонансний ключ нульового струму (ZCRS, ріс.0.10)

Якщо ключ нульового струму управляється так, що активне включення починається точно під час перетину струмом нульового значення, тоді не буде комутації струму. Отже, навіть при мінімальній комутаційної індуктивності, втрати потужності нижче, ніж в ключі нульового струму, вони викликані лише необхідним зміною заряду ємності переходу силового напівпровідника. У той же час потрібно подальше зниження втрат потужності в порівнянні з ZCS, інших втрат з можливістю контролю, так як з моменту включення контроль неможливий, але спрацьовування при перетині струмом нульового значення дається зовнішньої ланцюгом. Зростання енергії можна контролювати тільки в одному напрямку з ZCRS, в провідному або в закритому стані за кілька періодів струму.

Мал. 0.10. Ланцюг комутації ZCRS

Резонансний ключ нульової напруги (ZVRS, ріс.0.11)

Цей основний тип ключів є граничним випадком ZVS. Якщо ZVS активно вимикається в момент перетину прикладеного змінного напруги нуля, зростання напруги буде перемикати процес комутації струму. Навіть в разі мінімальної ємності в комутованій ланцюга втрати потужності знижуються. хоча й існують втрати на активний контроль. Односпрямований контроль також можливий і для ZVRS, якщо кілька періодів напруги з'єднуються або закриваються.

Мал. 0.11. Ланцюг комутації ZVRS

Нейтральний ключ (NS, ріс.0.12)

Процес комутації закінчується нейтральним включенням або виключенням ключа. У цьому випадку струм і напруга падає до нульового значення. Взагалі, діоди вже включають в себе це властивість. Нейтральний ключ з активно перемикається силовим полупроводником іноді необхідний для спеціальних драйверів.

Мал. 0.12. Ланцюги комутації NS

На рис. 0.13 приведена загальна таблиця всіх основних типів електронних ключів. Порожні осередки - модифікації основних типів, які необхідні практично у всіх додатках. Якщо резонансні умови в ланцюзі, що працює з м'яким або резонансним ключем, порушуються, ключ повинен впоратися з жорсткою комутацією за винятком своїх властивих змін (змінений ZVS = MZVS; змінений ZCS = MZCS), при збереженні працездатності всієї системи в цілому (див. Також п . 3.8). В основному, в такому режимі ключі можуть працювати тільки дуже короткий час. У разі жорсткого виключення ZVS або жорсткого активного включення ZCS ключі працюють як ZVHS і ZCHS відповідно.

Мал. 0.13. Силові електронні ключі