Безопасная работа и защита полупроводниковых ключей

Динамические режимы работы ключей – коммутационные процессы перехода из отключенного состояния во включенное состояние и наоборот так же, как и статические режимы характеризуются вольт-амперными характеристиками. Динамическую ВАХ ключа называют также траекторией переключения (коммутации). В практических приложениях она обычно представляется в координатах анодного напряжения u_S и анодного тока i_S, протекающего через прибор. Их определяют на интервале переходного процесса с учетом параметров коммутируемой цепи. Используются упрощенные математические модели, например (рис. 6.12): линейно спадающее напряжение на интервале времени включения и линейно спадающий ток на интервале времени отключения.

Ток i_Sвкл ключа при включении и падение напряжения ∆ u_Sотк на нем при отключении зависят от параметров коммутируемой цепи и соответствующим образом изменяются во времени на интервалах включения (t_вкл1, t_вкл2) и интервалах отключения (t_отк1, t_отк2).

Мощность потерь электроэнергии в ключе на цикле Т «включить / отключить» может быть представлена двумя составляющими:

в статике:

,

в динамике:

,

где τ_вкл и τ_отк - соответственно продолжительность включенного и продолжительность отключенного состояния ключа на цикле Т.

Сумма Р_с + Р_д определяет среднее значение мощности потерь электроэнергии, расходуемой на нагрев ключа.

При малой частоте коммутации f=1/T динамическими потерями можно пренебречь, и среднее значение потерь мощности на нагрев будет определяться только соотношением длин интервалов τ_вкл «включено» и τ_отк «отключено».

При увеличении частоты f возрастают динамические потери в ключе по отношению к статическим потерям. Динамические потери становятся определяющими на высоких частотах коммутации.

Область допустимых значений электрических параметров ключа, при которых ключ работает без повреждений, называют областью безопасной работы (ОБР).

Общепринятым является графическое представление ОБР на плоскости в координатах тока i_S в ключе и падения напряжения u_S на ключе. Учитываются допустимые значения I_Sдоп , U_Sдоп параметров i_S, u_S, а также допустимое значение P_Sдоп рассеиваемой мощности p_S = i_S u_S. Они определяют границы ОБР (рис. 6.12).

В зависимости от типа ключевого прибора число и характер ограничений, определяющих ОБР, могут изменяться, могут появляться дополнительные границы ОБР. Кроме того, границы ОБР зависят от продолжительности нахождения ключа во включенном состоянии и от частоты коммутации.

Мгновенные значения i_S и u_S в любой момент времени во всех режимах работы ключа, включая процесс коммутации, не должны выходить за пределы ОБР по определению. Это значит, что статические и динамические ВАХ ключа должны находиться внутри ОБР. В противном случае надежная работа ключа не гарантируется.

Полное соответствие ВАХ и ОБР сложно обеспечить без принятия специальных мер защиты ключевого прибора. Поэтому в схему устройства коммутации включают дополнительные элементы, например конденсаторы или реакторы, с помощью которых достигается соответствие динамических ВАХ ключа и его ОБР. Совокупность таких дополнительных элементов, определенным образом подключенных в схему устройства коммутации, называют цепью формирования траектории переключения (ЦФТП) или снаббером (снабберной цепью). По существу снаббер является устройством защиты ключа в динамических режимах.