Область допустимых значений электрических параметров ключа, при которых он может работать без повреждения, называется областью безопасной работы (ОБР). Эта область ограничивается предельными значениями тока, напряжения и допустимой мощности потерь ключа, которые определяются электронными и тепловыми процессами, протекающими в конкретном приборе с учетом условий его эксплуатации. Иногда эту область называют областью максимальных режимов.
Общепринятым является графическое изображение этой области в прямоугольных координатах, по оси ординат которых откладывается ток ключа, а по оси абсцисс – напряжение.
На рис. 6.2 представлена область безопасной работы ключа, ограниченная допустимыми значениями IS, US, и РS. ОБР ограничена тремя линейными участками: аб – предельным значением тока IS max, бв – предельной мощностью потерь PS max, и вг – предельным значением напряжения US max.
Рис. 6.2. Область безопасной работы ключа
Границы ОБР зависят от длительности включенного состояния и частоты коммутации ключа. Например, граница ОБР при редких импульсах включения будет проходить выше границы при длительных включениях (на рис. 6.2 эта граница показана штриховой линией).
|
|
По определению ОБР мгновенные значения uS и iS ключа в любой момент времени во всех режимах работы, включая процесс коммутации, не должны выходить из области ОБР. Это значит, что статические и динамические ВАХ ключа должны находиться внутри ОБР. В противном случае надежная работа ключевого прибора будет невозможна. Наличие емкостей в коммутируемых цепях приводит к существенному всплеску тока, а при включении индуктивностей – к всплеску напряжения при выключении. Поэтому для надежной работы ключа необходимо обеспечить соответствие динамической ВАХ и ОБР.
Так как динамическая ВАХ представляет собой траекторию переключения ключа в координатах iS и uS,то включение дополнительных элементов в целях изменения динамической ВАХ можно рассматривать как формирование желаемой (в соответствии с ОБР) траектории переключения. Совокупность элементов, введенных для формирования желаемой траектории переключения, называется цепью формирования траектории переключения (ЦФТП). Таким образом, ЦФТП является устройством защиты ключа в динамических работы.
Схемотехника ЦФТП определяется типом полупроводникового прибора, а также топологией и параметрами коммутируемой цепи. Основой ЦФТП являются реактивные элементы емкостного или индуктивного характера. 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 поглощают энергию за время коммутации. Эта энергия рассеивается в активных элементах ЦФТП, либо возвращается в источник или цепь нагрузки.
|
|
На рис. 6.3 представлены упрощенные схемы ЦФТП. Схемы а) и в) используются для формирования требуемых ВАХ при коммутации активно-емкостной нагрузки. Соответствующие динамические ВАХ в схеме с ЦФТП и без неё представлены на рис. 6.3., б,г.
Рис. 6.3. Цепи формирования траектории переключения
Обычно применяются цепи формирования траектории переключения с более сложными схемотехническими решениями, что позволяет сформировать требуемые ВАХ как при включении, так и при выключении силовых электронных ключей.