1. Основы процесса переключения
Мощные полупроводниковые проборы используются в основном для коммутационных процессов, кроме некоторых особых случаев применения. Поэтому некоторые основные принципы и режимы работы характерны для всех мощных электронных схем. Главной задачей при разработке продукции в области мощных полупроводниковых приборов и их использовании является достижение минимальных потерь мощности. Предельные состояния идеального ключа характеризуются следующими показателями:
- Идеальный ключ
- - Ключ замкнут: Vs = 0; -
 < is <
- - Ключ разомкнут: is = 0; - < vs <
- - Режим переключения: отсутствие преобразования энергии в течение активного времени включения/выключения
Применение такого идеального ключа и естественно использование мощных полупроводниковых приборов является темой для ограничения условий переключения.
Коммутация цепей с индуктивностью (подаваемый ток)
Ключ в цепи с индуктивностью (Рис.0.1) может быть включен в любой момент времени. Потери при бесконечном времени переключения отсутствуют, так как напряжение может падать непосредственно на линейной индуктивности. Если цепь работает, выключение без преобразования энергии невозможно пока не рассеется энергия, накопленная в индуктивности L. Поэтому выключение ключа без преобразований энергии возможно только при is = 0. Это также называется пассивным выключением, так как момент переключения зависит от значения тока в цепи. Ключ, работающий с такими условиями переключения, называется ключ нулевого тока (ZCS).
Рис. 0.1. Ключ в цепи с индуктивностью
- Ключ замкнут: Vs = 0; - < is <
- Ключ разомкнут: is = 0; - < vs <
Режим переключения: активное включение при |vs| > 0, пассивное выключение при is = 0
Ключ между узлами с емкостью (подаваемое напряжение)
Замыкание ключа без потерь при подаваемом напряжении возможно только при vs = 0. Это называется пассивным включением, так как форма напряжения и таким образом нулевое падение определяется внешней цепью. Активное выключение, однако, возможно в любой момент времени. Ключи, работающие в таком режиме, называют ключами нулевого напряжения (ZVS).
Рис. 0.2. Ключ в цепи с емкостями
- Ключ замкнут: Vs = 0; - < is <
- Ключ разомкнут: is = 0; - < vs <
Режим переключения: активное включение при | is | > 0, пассивное выключение при vs = 0
На рис. 0.3 показаны формы напряжений и токов во время основного процесса переключения, описанного выше. Использование мощных полупроводниковых приборов в качестве ключей к следующим состояниям. До активного включения полупроводниковый прибор находится под воздействием положительного напряжения. При поступлении переключающего сигнала напряжение падает, ток увеличивается по закону, определяемому механизмом включения силового полупроводника. Этот механизм вместе с последовательно соединенной индуктивностью ограничивается ростом тока и распределенным напряжением в цепи между полупроводником и индуктивностью. Потери при включении для данного силового полупроводника снижаются до минимальных значений с увеличением индуктивности. В процессе пассивного включения работающий силовой полупроводник проводит ток в прямом направлении, ток падает до нулевого значения благодаря изменению полярности напряжения на внешней цепи. Проходящий в обратном направлении ток обеспечивается сохраненными в полупроводнике носителями заряда до тех пор, пока полупроводник не восстановит свою способность блокировать отрицательное напряжение. Активное выключение силового полупроводника будет в первую очередь производить рост напряжения в прямом направлении, устанавливаемом контроллером. Тогда эффективная параллельная емкость будет принимать ток, данный механизмом переключения силового полупроводника. Потери энергии, вызванные операцией выключения, уменьшаются с возрастанием емкости для данного силового полупроводника.
Пассивно переключенный силовой полупроводник находится под отрицательным напряжением до включения. Если напряжение изменяет полярность благодаря процессам во внешней цепи, силовой полупроводник будет проводить ток в прямом направлении, которое приведет к перенапряжениям в случае увеличения подаваемого импульса тока.
Каждая силовая электронная система работает в соответствии с двумя основными функциональными принципами:
- включение и выключение связи между цепями с разными энергетическими характеристиками при помощи одного ключа называется циклом переключения одиночных ключей.
- попеременное переключение двух ключей, пропускание переменного тока и напряжения называется коммутацией.
Оба базовых принципа можно интегрировать в одной цепи и в цепи с несколькими режимами работы.
Рис. 0.3
| 
