2. Принципы функционирования силовых полупроводниковых приборов

Принципы функционирования силовых полупроводниковых приборов описаны выше для активной и пассивной коммутации при периодическом переключении одиночных ключей с индуктивной или емкостной нагрузкой. На рис. 0.4 показаны общие соотношения между током и напряжением при различных режимах коммутации.

Жесткое переключение (HS, рис.0.7)

Жесткое переключение характеризуется практически полным падением напряжения v_k на проводящем ключе S₁ в течение времени коммутации t_k что приводит к значительным импульсным потерям энергии в силовом полупроводнике. Индуктивность коммутации в этот момент равна своему минимальному значению, то есть включенный полупроводник определяет возрастание тока. Коммутация тока прекращается пассивным выключением ключа S₂. Время коммутации и переключения практически идентичны. В случае жесткого выключения напряжение на S₁ поднимается к значению, превышающему напряжение v_k пока ток продолжает расти. Только после этого начинается пассивное включение S₂ коммутационная емкость очень мала, поэтому увеличение напряжения главным образом определяется устройством полупроводника. Таким образом, время переключения и коммутации почти одинаковы и существуют очень высокие потери энергии в ключе.

Рис. 0.4 Процессы переключения (v_k - коммутируемое напряжение, i_L - ток нагрузки)

Мягкое переключение (ZCS, ZVS, рис.0.8 и 0.9)

В случае мягкого переключения ключа нулевого тока, напряжение на нем будет падать относительно быстро к значению прямого падения напряжения, если L_k имеет достаточную величину. Таким образом, потери мощности во время коммутации можно практически избежать. Увеличение тока определяется индуктивностью L_k. Коммутация тока прекращается пассивным выключением S₂, что приведет к увеличению времени коммутации t_k по сравнению с временем переключения t_s. Активное выключение S₁ будет начинаться мягким выключение ключа нулевого напряжения. Емкость С_k больше, чем С_kmin, которая в значительной степени зависит от скорости нарастания напряжения. Потери мощности будут уменьшены задержкой нарастания напряжения на ключе.

Резонансное переключение (ZCRS, ZVRS, рис.0.10 и 0.11)

Мы говорим о резонансном переключении, если ключ нулевого тока включается в момент, когда ток i_L почти упал до нуля. Потери на переключение уменьшаются по сравнению с мягким переключением. Так как в ключе нельзя определить время пересечения током нулевого значения, возможность контроля немного ограничена. С другой стороны, мы говорим о резонансном переключении ключа нулевого напряжения, если напряжение коммутации практически снизилось до нуля во время выключения. Потери на переключение уменьшаются по сравнению с мягким выключением ключа нулевого напряжения, принимая потери как одну из возможностей контроля.

Нейтральное переключение (NS, рис.0.12)

Если напряжение а также ток через ключ равны нулю в момент переключения, то это называется нейтральным переключением. В этом случае чаще применяют диоды.