3. Силовые электронные ключи

Силовые электронные ключи - это комбинация силовых электронных компонентов или силовых полупроводников и драйвера для них. Внутренние функциональные связи и взаимодействия определяют некоторые характеристики ключа. На рис. 0.5 показана силовая электронная система с интерфейсом, внешней электронной цепью (высокого потенциала) и с устройством управления (обработка информации, дополнительный источник питания). Необходимое разделение потенциалов производится при помощи оптопар или индуктивной связи. Возможные комбинации силовых полупроводников, отличающихся током ключа и направлением напряжения, показаны на рис. 0.6.

Рис. 0.5. Силовая электронная система переключения

С одной стороны, параметры целого ключа являются результатом режима переключения полупроводника, которые, в зависимости от конструкции кристалла полупроводника, должны адаптироваться к виду операций ключа в целом. С другой стороны, драйвер отвечает за все главные параметры ключа и контролирует важные защитные функции.

Рис. 0.6. Возможные комбинации силовых полупроводников

Основные типы силовых электронных ключей

Благодаря принципу работы силовых полупроводников, которые отвечают за основные характеристики цепей, силовые электронные ключи можно разделить на следующие основные типы. Ток и направление напряжения являются результатом конкретных требований к цепи.

Жесткий ключ (HS, рис.0.7)

За исключением теоретического случая чисто активной нагрузки, одиночный ключ с жестким включением и выключением можно использовать только вместе с нейтрально переключающим силовым полупроводником в цепи коммутации с минимальным пассивным запасом энергии (Ckmin, Lkmin). По сравнению с нейтральным ключом без возможности контроля, жесткий ключ может иметь два способа контроля, а именно индивидуально настраиваемое включение и выключение. На рис.0.7 показана возможная конфигурация ключа. Что касается симметричного расположения ключей, то только один ключ, проводящий переменный ток будет активным с двумя возможностями контроля, пока другой ключ нейтрально переключается.

Рис. 0.7. Цепи коммутации HS

Рис. 0.8. Цепи коммутации ZCS

Ключ нулевого тока (ZCS, рис.0.8)

Силовые полупроводниковые приборы в ключах нулевого тока включаются активно и выключаются пассивно. Принимая потери на возможность контроля по сравнению с HS, активное переключение может происходить со значительно меньшими потерями благодаря достаточной последовательной индуктивности. На рис.0.8 показаны возможные конструкции ключа ZCS в эквивалентной коммутируемой цепи, которые также могут применяться в цепях с периодическим переключением без коммутации. Такие цепи характеризуются продолжительными индуктивными процессами коммутации. То есть активное включение следует за пассивным выключением.

Ключ нулевого напряжения (ZVS, рис.0.9)

Ключи нулевого напряжения разрабатывались таким образом, чтобы они могли включаться и выключаться пассивно когда напряжение коммутации падает до нуля. Активное выключение может вызвать только очень малые потери, если параллельно включенная емкость будет достаточно большой. По сравнению с HS уменьшение потерь мощности возможно при учете потерь на возможность контроля. На рис.0.9 приведены возможные конструкции ключей нулевого напряжения, коммутирующие емкостные цепи. Ключи нулевого напряжения также можно применять в цепях без коммутации, где можно выбирать активное выключение и пассивное включение одного и того же ключа.

Рис. 0.9. Цепи коммутации ZVS

Резонансный ключ нулевого тока (ZCRS, рис.0.10)

Если ключ нулевого тока управляется так, что активное включение начинается точно во время пересечения током нулевого значения, тогда не будет коммутации тока. Следовательно, даже при минимальной коммутационной индуктивности, потери мощности ниже, чем в ключе нулевого тока, они вызваны лишь необходимым изменением заряда емкости перехода силового полупроводника. В то же время требуется дальнейшее снижение потерь мощности по сравнению с ZCS, других потерь с возможностью контроля, так как с момента включения контроль невозможен, но срабатывание при пересечении током нулевого значения дается внешней цепью. Рост энергии можно контролировать только в одном направлении с ZCRS, в проводящем или в запертом состоянии за несколько периодов тока.

Рис. 0.10. Цепь коммутации ZCRS

Резонансный ключ нулевого напряжения (ZVRS, рис.0.11)

Этот основной тип ключей является предельным случаем ZVS. Если ZVS активно выключается в момент пересечения приложенного переменного напряжения нуля, рост напряжения будет переключать процесс коммутации тока. Даже в случае минимальной емкости в коммутируемой цепи потери мощности снижаются , хотя и существуют потери на активный контроль. Однонаправленный контроль также возможен и для ZVRS, если несколько периодов напряжения соединяются или запираются.

Рис. 0.11. Цепь коммутации ZVRS

Нейтральный ключ(NS, рис.0.12)

Процесс коммутации заканчивается нейтральным включением или выключением ключа. В этом случае ток и напряжение падает до нулевого значения. Вообще, диоды уже включают в себя это свойство. Нейтральный ключ с активно переключаемым силовым полупроводником иногда необходим для специальных драйверов.

Рис. 0.12. Цепи коммутации NS

На рис. 0.13 приведена общая таблица всех основных типов электронных ключей. Пустые ячейки - модификации основных типов, которые необходимы практически во всех приложениях. Если резонансные условия в цепи, работающей с мягким или резонансным ключом, нарушаются, ключ должен справиться с жесткой коммутацией за исключением своих свойственных изменений (измененный ZVS = MZVS; измененный ZCS = MZCS), при сохранении работоспособности всей системы в целом (см. также п. 3.8). В основном, в таком режиме ключи могут работать только очень короткое время. В случае жесткого выключения ZVS или жесткого активного включения ZCS ключи работают как ZVHS и ZCHS соответственно.

Рис. 0.13. Силовые электронные ключи