Каким способом электронный ключ осуществляет переключение электрических цепей

Обновлено: 05.07.2024

Контур заземления и зануления замыкается с помощью грунта. Иначе ток в цепи протекать не будет.

Электронные элементы, используемые в ключевых схемах, по своим ключевым свойствам можно разделить на два класса: — элементы, ключевые свойства которых обеспечиваются заданием их режима работы; — элементы, ключевые свойства которых определяются самим принципом их работы.
ЧИТАЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ С ТРАНЗИСТОРОМ — 3 ЧАСТЬ

Иначе ток в цепи протекать не. Основные элементы во время проведения расчетов для электрических цепей Они используются в сложных конструкциях, чтобы проверить, что и как будет работать: Ветвь.

Номинальный режим Такой режим необходим для создания технических свойств всей цепи и отдельных компонентов. Заключение Итак, мы рассмотрели электрические цепи, элементы электрических цепей и практические особенности взаимодействия с ними.

Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой, т. Схема электрической цепи Вопросы Каково назначение источника тока в электрической цепи?

Учет реактивных параметров прибора делает динамическую эквивалентную схему пригодной для анализа быстрых процессов, в частности для анализа процессов, возникающих при воздействии на нелинейную цепь фронта импульса.

Упражнение 23 Мы уже выяснили, что для использования электроэнергии нужны такие вещи, как источник тока, проводники, приборы и т.

Электрические цепи (часть 1)

Нюансы графической маркировки

Эта вольт-амперная характеристика строится по двум точкам 1 и 2 рис. При изменении тока в пределах активной двухполюсник эквивалентный источник отдает энергию во внешнюю цепь участок I вольт-амперной характеристики на рис. Схема электрической цепи Вопросы Каково назначение источника тока в электрической цепи? Чтобы избежать искрения, в электрическую цепь добавляются дроссели, а в выключатель устанавливают контакты специального вида.

Для того, чтобы понять как будет работать система при переключении контакта необходимо мысленно переместить элемент контакта, от одной линии связи к другой.

Первую используют как в статическом режиме, так и при медленно изменяющихся процессах. Для того, чтобы все эти вещи взаимодействовали, нужно построить электрическую цепь, с помощью которой энергия будет доставляться потребителям от источника тока.

Упражнение 23 Мы уже выяснили, что для использования электроэнергии нужны такие вещи, как источник тока, проводники, приборы и т.

На этом и основано действие выключателей.

Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой.

Схема электрической цепи нужна прежде всего при сборке любого электрического прибора, и при эксплуатации без нее тоже не обойтись. Важными в этом плане являются специальные детали схем, которые обладают сопротивлением, что характеризуется вольт-амперной зависимостью, поскольку они взаимно влияют друг на друга.
Как проверить полевой транзистор с помощью тестера.

Обозначение линий связи на электрических схемах

Но для их работы необходимо соблюдение целого ряда требований.

Найти на электрической схеме электродвигатели, определить их систему питания.

Не все контуры считаются электрическими цепями. Активный двухполюсник содержит источники электрической энергии, а пассивный двухполюсник их не содержит.

Такой выключатель реагирует на определённое слово или тон голоса. Какую нужно построить цепь, с двумя лампочками, чтобы можно было не зажигать ни одну из них, зажечь только одну или зажечь обе? Перед выполнением следующего задания хочется напомнить китайскую мудрость: Расскажи — и я забуду… Дай мне возможность действовать самому — и я научусь. Важным отличительным свойством элементов второго класса является наличие участка вольт-амперной характеристики, имеющего отрицательное сопротивление, что обеспечивает регенеративный лавинообразный переход таких элементов из выключенного состояния во включенное практически независимо от параметров входного переключающего сигнала.

Зато на первый план выступает скорость переключения ключа, которая определяет число операций в единицу времени, т. В реальности такие идеальные источники не существуют, но практически их пытаются имитировать. Электродвигатели, лампы, плитки, всевозможные электробытовые приборы называют приёмниками или потребителями электрической энергии.

Схема электрической цепи – применение и классификация.

Дискретность разбиения определяется требуемой точностью аппроксимации и видом аппроксимируемой функции. Обсудить Редактировать статью Электротехнические устройства очень важны в жизни современного цивилизованного человека. На практике широко используются схемы замещения во время работы активных и пассивных элементов.

Выходные логические уровни, которые характеризуют цепи управления ключа и их совместимость с цифровыми ИС. Время установления выходного сигнала время, за которое выходной сигнал при переключении достигает установившегося значения с допустимой погрешностью на заданной нагрузке. Если использовать оба режима, которые были уже рассмотрены, то по их результатам могут быть определены параметры активного двухполюсника. Сложная цепь обладает, как правило, несколькими ветвями. Эта энергия восполняется в источнике тока.

В зависимости от значения источника тока низкий уровень или высокий транзистор должен быть в закрытом режим отсечки или насыщенном статическом состоянии. Элементы с такой характеристикой, используемые в электронике, весьма многочисленны и разнообразны, однако все они объединяются важнейшим качеством — способностью работать в ключевом режиме.
Задача на закон сохранения энергии в электрической цепи

Содержание

Обозначение тиристоров и операционных усилителей показано на рисунке. Задача 3.

Провести анализ работы каждой электрической цепи электросхемы, выявить на ней основные и вспомогательные аппараты, определить условия их работы, при необходимости ознакомиться с технической документацией на электрические приборы. Кроме того, аналоговые ключи характеризуются такими параметрами, как предельно допустимые режимы, напряжения питания, потребляемая мощность, диапазон рабочих температур, размеры, тип корпуса и т. Согласованный режим Он используется для обеспечения максимальной передачи активной мощности, которая идет от источника питания к потребляемому энергию.

Перечень компонентов цепи может быть довольно большим.

Первую используют как в статическом режиме, так и при медленно изменяющихся процессах. Кроме того, такие устройства, как правило, имеют два устойчивых квазиустойчивых состояния , в течение которых в схеме наблюдаются только медленно изменяющиеся процессы, что позволяет рассчитывать и анализировать эти устройства по статическим схемам замещения, составными элементами которых являются статические эквивалентные схемы приборов.

Стрелка в кружке указывает положительное направление тока источника. Согласованный режим Он используется для обеспечения максимальной передачи активной мощности, которая идет от источника питания к потребляемому энергию. Существуют два основных способа соединения источников питания: последовательное и параллельное. В бытовой сети мы имеем напряжение вольт с определенными нормированными отклонениями.

Элементы схемы электрической цепи в данном случае не используются. Не все контуры считаются электрическими цепями. Обозначение транзисторов на схеме Электрическая схема транзисторов — элементов электрической системы способных управлять током в выходной цепи при воздействий входного сигнала, показана на рисунке. Закон Ома для полной цепи Он определяет зависимость, которая устанавливается между ЭДС Е источника питания, у которого внутреннее сопротивление равно r, током и общим эквивалентом R.

Дополнительные материалы по теме: Схема электрической цепи.

Какую нужно построить цепь, с двумя лампочками, чтобы можно было не зажигать ни одну из них, зажечь только одну или зажечь обе? Возьмите листочки.

Внутренние и внешние электрические цепи Для создания упорядоченного движения электронов, нужно наличие разности потенциалов между каким-либо участком цепи. Наиболее распространены замыкающие, размыкающие и переключающие контакты, их обозначение показано на рисунке. Динамическую эквивалентную схему получают из статической путем добавления реактивных параметров прибора. Сопоставить обозначения элементов на электросхеме с перечнем элементов.
КАК РАССЧИТАТЬ ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ

Известно, что для обеспечения работы импульсных устройств и получения импульсных колебаний необходимо осуществлять коммутацию нелинейного элемента (замкнуть, разомкнуть).

Такой режим работы нелинейного элемента называется ключевым, а устройство, в состав которого входит данный нелинейный элемент - электронным ключом.

1. Общие сведения об электронных ключах.

Электронным ключом называется устройство, которое под воздействием управляющих сигналов осуществляет коммутацию электрических цепей бесконтактным способом.

Назначение электронных ключей.

В самом определении заложено назначение “Включение - выключение”, “Замыкание - размыкание” пассивных и активных элементов, источников питания и т.д.

Классификация электронных ключей.

Электронные ключи классифицируются по следующим основным признакам:

По виду коммутирующего элемента:

газонаполняемые (тиратронные, тигатронные);

По способу включения коммутирующего элемента по отношению к нагрузке.

По способу управления.

с внешним управляющим сигналом (внешним по отношению к коммутируемому сигналу);

без внешнего управляющего сигнала (сам коммутируемый сигнал и является управляющим).

По виду коммутируемого сигнала.

По характеру перепадов входного и выходного напряжений.

По состоянию электронного ключа в открытом положении.

насыщенный (электронный ключ открыт до насыщения);

ненасыщенный (электронный ключ находится в открытом режиме).

По количеству входов.

Устройство электронных ключей.

В состав электронного ключа обычно входят следующие основные элементы:

непосредственно нелинейный элемент (коммутирующий элемент);

Принцип действия электронного ключа.

Принцип действия рассмотрим на примере идеального ключа.

U_вх - напряжение, управляющее работой ключа;

R - сопротивление в цепи питания;

E - напряжение питания (коммутируемое напряжение).

В состоянии включено (ключ SA замкнут), напряжение на выходе U_вых=0 (сопротивление R замкнутого идеального ключа равно нулю).

В состоянии выключено (ключ SA разомкнут), напряжение на выходе U_вых=Е (сопротивление R разомкнутого идеального ключа равно бесконечности).

Такой идеальный ключ производит полное размыкание и замыкание цепи, так, что перепад напряжения на выходе равен Е.

Однако реальный электронный ключ далек от идеального.

Он имеет конечное сопротивление в замкнутом состоянии -R_{вкл зам}, и в разомкнутом состоянии - R_{выкл разом}. Т.е. R_{вкл зам}>0, R_{выкл разом} 0 (остальное напряжение падает на ключе).

В разомкнутом состоянии U_вых > R_{вкл зам}.

Основные характеристики электронных ключей.

Это зависимость выходного напряжения U_вых от входного U_вх: U_вых=f(U_вх).

Если нет внешнего управляющего сигнала, то U_вых=f(E).

Такие характеристики показывают насколько близок электронный ключ к идеальному.

Быстродействие электронного ключа - время переключения электронного ключа.

Сопротивление в разомкнутом состоянии R_{выкл разом} и сопротивление в замкнутом состоянии R_{вкл зам.}

Остаточное напряжение U_ост.

Пороговое напряжение, т.е. напряжение, когда сопротивление электронного ключа резко меняется.

Чувствительность - минимальный перепад сигнала, в результате которого происходит бесперебойное переключение электронного ключа.

Помехоустойчивость - чувствительность электронного ключа к воздействию импульсов помех.

Падение напряжение на электронном ключе в открытом состоянии.

Ток утечки в закрытом состоянии.

Применение электронных ключей.

Электронные ключи применяются:

В простейших схемах формирования импульсов.

Для построения основных типов логических элементов и основных импульсных устройств.

Таким образом, электронные ключи это устройства, осуществляющие коммутацию бесконтактным способом.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Микроконтроллерами можно производить управление мощными устройствами – лампами накаливания, нагревательными ТЭНами, даже электроприводами. Для этого используются транзисторные ключи – устройства для коммутации цепи. Это универсальные приборы, которые можно применить буквально в любой сфере деятельности – как в быту, так и в автомобильной технике.

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Коммутация нагрузки

Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15. 14 А, напряжений 50. 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.

Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

Электромагнитное реле

Реле – это электромагнит, которым производится управление группой контактов. Можно провести аналогию с обычным кнопочным выключателем. Только в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения. Контактами можно коммутировать очень большую нагрузку – все зависит от типа электромагнитного реле. Очень большое распространение эти устройства получили в автомобильной технике – с их помощью производится включение всех мощных потребителей электроэнергии.

Это позволяет разделить все электрооборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток потребления у обмотки возбуждения реле очень маленький. А силовые контакты имеют напыление из драгоценных или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность появления дуги. Схемы транзисторных ключей на 12 вольт можно применять вместо реле. При этом улучшается функциональность устройства – включение бесшумное, контакты не щелкают.

Выводы электромагнитного реле

Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:

Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
Три контакта, предназначенных для коммутации. Один общий контакт, который нормально замкнут и нормально разомкнут с остальными.

В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.

Как работает электромагнитное реле

Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:

Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
Подается ток на потребителя.

Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.

Проводимость транзисторов

Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:

К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

Транзистор в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

От микроконтроллера через переход "база - эмиттер".
При этом канал "коллектор - эмиттер" открывается.
Через канал "коллектор - эмиттер" можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов - около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

Принцип работы транзистора

Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.

В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Поэтому, если вам нужно определить выводы элемента, нужно обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, можно воспользоваться справочниками для определения выводов. Еще есть особенность у транзисторов – они могут не полностью открываться. Реле, например, могут находиться в двух состояниях – замкнутом и разомкнутом. А вот у транзистора сопротивление канала "эмиттер - коллектор" может меняться в больших пределах.

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу "эмиттер - коллектор", выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h_21Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе "коллектор - эмиттер" он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

Режим насыщения

У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах "база - эмиттер" может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером. Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

Практические конструкции

Работа с микроконтроллерами

При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

Биполярный транзистор.
Резистор для ограничения входного тока.
Электромагнитное реле.
Источник питания 12 вольт.

Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

Сигнал управления вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и усиливается. При этом происходит подача питания на обмотку электромагнитного реле – канал "коллектор - эмиттер" открывается. При замыкании силовых контактов происходит включение нагрузки. Управление транзисторным ключом происходит в полностью автоматическом режиме – участие человека практически не требуется. Главное – правильно запрограммировать микроконтроллер и подключить к нему датчики, кнопки, исполнительные устройства.

Использование транзисторов в конструкциях

Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки. Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

Базовые режимы коммутации силовых ключей

Коммутация силового ключа в индуктивной цепи должна производиться активным способом в любой определенный момент времени. При бесконечно коротком времени переключения динамические потери мощности отсутствуют, и все напряжение падает непосредственно на индуктивности L коммутируемой цепи. В реальных схемах размыкание ключа, пропускающего ток I_S, невозможно без преобразования энергии, запасенной в индукторе. Преобразование не происходит только в том случае, когда I_S = 0. Такое состояние называется пассивным выключением, так как момент перехода через ноль зависит от характера протекания тока в конкретной цепи, а участвующий в нем транзистор является коммутатором нулевого тока ZCS (Zero Current Switch).

На рис. 1 показаны эпюры токов и напряжений для базовых режимов коммутации, рассматриваемых в данной статье. Использование полупроводниковых элементов вносит в процесс переключения ряд существенных особенностей. Перед активным включением на транзисторе присутствует напряжение положительной полярности. Чтобы оно снизилось до минимального значения, ток управляемого ключа должен возрасти до величины, определяемой параметрами полупроводника и условиями нагрузки. Характеристика включения и индуктивность цепи коммутации ограничивают скорость нарастания тока и распределение напряжения между транзистором и индуктивностью, с увеличением которой потери на включение убывают.

Рис. 1. Базовые режимы коммутации

При пассивном запирании ключа, проводящего в положительном направлении, ток падает до нулевой величины вследствие переполюсовки напряжения на внешней цепи. В результате этого он меняет полярность и начинает течь в обратном направлении за счет накопленных в зоне перехода носителей; это продолжается до тех пор, пока не восстановится блокирующая способность полупроводника. Данный процесс называется обратным восстановлением (reverse recovery).

Полупроводник, блокируемый в пассивном режиме, перед включением находится под отрицательным напряжением. Если оно меняет полярность вследствие процессов, происходящих во внешней цепи, то силовой ключ будет проводить ток в положительном направлении; при его резком возрастании это может привести к перенапряжению включения (прямое восстановление).

Базовые принципы работы силовых полупроводниковых приборов могут быть четко описаны в терминах активной и пассивной коммутации отдельных ключей (включение и выключение цепи между преобразующими энергию схемами), а также индуктивностей и емкостей (элементов, проводящих ток и находящихся под напряжением). На рис. 2 показаны основные соотношения между током и напряжением в различных режимах коммутации.

Рис. 2. Виды процессов переключения (vK = напряжение коммутации, iL = коммутируемый ток нагрузки)

Жесткое переключение (HS)

Мягкое переключение (ZCS, ZVS)

Активное блокирование S₁ инициирует процесс плавного выключения транзистора ZVS. Уменьшающийся коммутационный ток переходит в конденсатор C_K, установленный параллельно силовому ключу. Величина C_K определяет процесс нарастания напряжения в зависимости от коммутируемого тока, динамические потери снижаются при затягивании фронта напряжения на силовом транзисторе.

Резонансное переключение (ZCRS, ZVRS)

Нейтральное переключение (NS)

Нейтральная коммутация (рис. 2 и 10) происходит в случае, когда оба ключа (тока и напряжения) находятся в нулевом состоянии. Как правило, такая ситуация наблюдается в пассивных диодных выпрямителях.

Электронные силовые ключи

На рис. 3 показана электронная система, содержащая интерфейс для подключения внешних высоковольтных цепей, низковольтной схемы управления (контроллера) и источника питания. Для развязки низковольтных и высоковольтных каскадов, как правило, используются оптическая или трансформаторная гальваническая изоляция. Возможные комбинации силовых ключей, работающих при различной полярности тока и напряжения, представлены на рис. 4.

Рис. 3. Структура силового электронного ключа

Рис. 4. Возможные комбинации силовых ключей в электронной системе

Параметры полупроводникового ключа должны быть адаптированы для конкретного применения за счет выбора вида и технологии производства силовых кристаллов. Доминирующие характеристики электронной системы во многом определяются свойствами и структурой полупроводниковых элементов, соответственно силовые ключи подразделяются на несколько базовых видов. Выбор типа полупроводника определяется требованиями к конкретной схеме, способом переключения, полярностью напряжения и тока в коммутируемой цепи.

Жесткое переключение (HS)

Для идеальной схемы с чисто активной нагрузкой может быть использован ключ с жесткой характеристикой включения и выключения. При этом в коммутационной цепи могут находиться запасающие энергию пассивные элементы минимальной величины (C_Kmin, L_Kmin) в комбинации с силовыми полупроводниками, работающими в режиме NS.

По сравнению с неуправляемым состоянием нейтральной коммутации жесткое переключение может контролироваться в точке включения и выключения. Это дает возможность управления системой за счет широтно-импульсной модуляции (ШИМ), наиболее широко используемой в практических применениях.

На рис. 5 показаны основные конфигурации устройств с IGBT-транзисторами, работающими в режиме HS при ШИМ-управлении. На практике чаще всего используются трехфазные инверторы напряжения (VSI) и тока (CSI). В симметричных схемах только один ключ переменного тока активно работает в режиме коммутации по обоим фронтам, другой при этом переключается нейтральным способом.

Коммутация с нулевым током (ZCS)

В режиме ZCS силовой полупроводник всегда включается активно, а выключается пассивно (i_S = 0). Допуская некоторое ухудшение управляемости по сравнению с жесткой коммутацией, активное переключение здесь осуществляется с меньшими потерями мощности за счет достаточно высокой последовательной индуктивности L_K. Это делает возможной работу на больших частотах переключения, чем в режиме HS.

Рис. 6. Схемы с ZСS-коммутацией

Коммутация с нулевым напряжением (ZVS)

Рис. 7. Схемы с ZVS-коммутацией

Резонансная схема с коммутацией при нулевом токе (ZCRS)

Ключи в схеме ZCRS управляются таким образом, чтобы активное отпирание начиналось точно в тот момент, когда ток i_L переходит через нулевой уровень, т. е. без токовой коммутации. Следовательно, даже при минимальном уровне индуктивности L_K потери включения оказываются ниже, чем в случае ZCS, и они обусловлены изменением заряда емкости перехода полупроводникового ключа. В то же время дальнейшее снижение потерь, по сравнению с режимом ZCS, означает еще большее ухудшение управляемости, поскольку неконтролируемый момент времени включения определяется нулевым переходом тока, задаваемым, в свою очередь, внешней схемой. В устройствах с ZCRS возможен только косвенный контроль потоком энергии, который осуществляется открыванием и блокировкой ключей в течение нескольких периодов переменного тока. Такой метод называется PDM (Pulse Density Modulation) — модуляция плотности (или пачки) импульсов.

На рис. 8 показана коммутационная цепь ZCRS и пример схемы на IGBT. Для идеального случая переключения при нулевом переменном токе транзисторам не требуются антипараллельные диоды, однако в практических схемах они всегда устанавливаются для замыкания тока при ошибках в выборе момента коммутации.

Рис. 8. Схема с ZCRS-коммутацией

Резонансная схема с коммутацией при нулевом напряжении (ZVRS)

Базовым типом ключа для этого случая служит предельный вариант ZVS. Если он активно запирается точно в момент перехода переменного сигнала V_K через нулевой уровень, то нарастающее на транзисторе напряжение будет запускать процесс токовой коммутации (между ключами). Даже при очень низкой величине емкости C_K потери переключения будут ниже, чем в случае ZVS. При этом управляемость, как и в предыдущем случае, ухудшается, поскольку время выключения не может регулироваться независимо, оно определяется моментом перехода через ноль, зависящим от внешней схемы. Подобно режиму ZCRS, в схемах с ZVRS возможно только косвенное управление потоком энергии, осуществляемое открыванием и блокировкой ключей на несколько периодов переменного тока (PDM). Коммутационная цепь ZVRS и пример схемы с IGBT приведены на рис. 9.

Рис. 9. Пример схемы с ZVRS-коммутацией

Нейтральная коммутация (NS)

Таблица 1. Базовые типы силовых электронных ключей

Рис. 10. Схема с NS-коммутацией

Области применения и предельные возможности силовых полупроводниковых ключей

Развитие полупроводниковых технологий позволяет силовой электронике все шире вторгаться во все отрасли современной промышленности. Возрастающие требования по энергосбережению, рост популярности возобновляемых источников энергии, а также развитие электрического и гибридного тягового привода заставляет производителей элементной базы сфокусироваться на дальнейшем совершенствовании полупроводниковых ключей и росте их удельной мощности.

Ход этого процесса в значительной степени зависит от соотношения между стоимостью системы и степенью проникновения на рынок, а также уровнем потребления необходимой для производства энергии и потенциалом ее сбережения в процессе эксплуатации. В дополнение к основным задачам необходимо решать проблемы экономии материалов, снижения цены и повышения эффективности преобразования, которые становятся все более важными.

На рис. 11 показаны максимально достижимые на сегодня уровни токов и напряжений для управляемых полупроводников. Для расширения этих пределов используется последовательное и параллельное соединение как самих электронных ключей, так и готовых преобразователей, что открывает почти безграничные возможности генерации и преобразования энергии.

Рис. 11. Физические ограничения для управляемых полупроводниковых приборов

На рис. 12а приведены диапазоны рабочих частот для различных типов полупроводников, а на рис. 12б — основные области их применения и соответствующие диапазоны токов. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) являются на сегодня наиболее популярными на массовом рынке преобразователей в диапазоне мощностей от единиц киловатт до нескольких мегаватт.

Рис. 12. Диапазоны:
а) рабочих частот для различных типов полупроводников;
б) токов для различных практических применений

С середины 80-х годов началось активное использование силовых ключей новых поколений: MOSFET/IGBT, GTO (тиристор, выключаемый по затвору) и IGCT (тиристор с интегрированным затвором), заменивших традиционные тиристоры во всех применениях кроме коммутации сетевого напряжения.

Ключи с изолированным затвором IGBT и MOSFET имеют ряд эксплуатационных преимуществ, к которым в первую очередь относится активное запирание даже в режиме КЗ, возможность работы без снабберов, простое управление при очень низком токе затвора, высокая рабочая частота при относительно низком уровне динамических потерь. При производстве этих полупроводниковых приборов используются хорошо отработанные и недорогие технологии микроэлектроники. Наиболее важными применениями для MOSFET являются источники питания, низковольтные преобразователи для автоэлектроники и устройства с очень высокой частотой коммутации (50–500 кГц).

Несмотря на проблемы, связанные с односторонним отводом тепла, изолированные модули имеют гораздо более высокую популярность, чем ключи в дисковых корпусах, которые способны рассеивать на 30% больше энергии благодаря возможности охлаждения с двух сторон. Основная причина этого состоит в первую очередь в наличии потенциальной изоляции силовых кристаллов и радиатора. Конструктив изолированного модуля позволяет объединять множество различных компонентов, кроме того, они дешевле при серийном производстве.

Основные требования и направления развития силовой электроники могут быть сформулированы следующим образом:

расширение предельных режимов коммутации тока и напряжения;
снижение уровня динамических потерь в силовых ключах и драйверах;
расширение диапазона рабочих температур;
повышение надежности, улучшение стойкости компонентов в аварийных режимах, увеличение срока службы;
снижение цены.

Решение этих вопросов неотделимо от процесса совершенствования технологий полупроводниковых кристаллов:

внедрение новых полупроводниковых материалов и структур кристаллов (в том числе широкозонных SiC, GaN);
уменьшение площади чипов, повышение рабочей температуры или плотности тока;
использование тонкопленочных кристаллов;
повышение уровня интеграции чипов (резисторы затворов, измерение температуры);
внедрение новых монолитных комбинированных структур (RC-IGBT, ESBT);
повышение температурной и временной стабильности характеристик кристаллов;

…и методов корпусирования:

повышение стойкости к активному и пассивному термоциклированию;
повышение эффективности отвода тепла (изолирующие подложки, базовые платы, радиаторы);
снижение величины внутренних паразитных элементов модулей за счет оптимизации промежуточных соединений;
оптимизация конструкции силовых ключей с целью упрощения внешних соединений и уменьшения индуктивности DC-шины;
уменьшение стоимости и улучшение экологических характеристик на этапе производства, эксплуатации и утилизации;
повышение степени интеграции силовых модулей, разработка более функционально насыщенных IPM и законченных силовых систем.

Уровни интеграции силовых модулей представлены на рис. 13.

Рис. 13. Уровни интеграции силовых модулей

Применение передовых технологий изготовления и прецизионных методов контроля, уменьшение размеров полупроводниковых структур привели к тому, что свойства современных силовых полупроводниковых приборов подошли к пределам, обусловленным физическими свойствами кремния. Это является причиной поиска альтернативных полупроводниковых материалов, который ведется с начала 50-х годов и особенно активизировался в последнее время.

Рис. 14. Физические свойства полупроводниковых материалов

Нитрид галлия, обладающий несколько худшими характеристиками, чем карбид кремния, пока что большей частью используется в оптоэлектронике. В качестве материала подложки для GaN в настоящее время применяется не проводящий ток сапфир, поэтому компоненты из нитрида галлия должны иметь планарную структуру.

Поскольку разработка и совершенствование кремниевых полупроводниковых приборов по-прежнему находится в активной стадии, нет технической необходимости использовать другие материалы для MOSFET/IGBT с рабочим напряжением до 1000 В. В этом диапазоне напряжений полупроводники с широкой запрещенной зоной наиболее конкурентоспособны при производстве элементов со встроенным затвором, таких как JFET, биполярные транзисторы и тиристоры. С другой стороны, MOS-структуры однозначно переигрывают кремниевые компоненты на более высоких напряжениях.

Из-за высокой стоимости силовые полупроводники на основе широкозонных материалов используются в первую очередь в приложениях, где требуется высокая эффективность преобразования, т. е. минимальный общий уровень потерь, или там, где кремниевые элементы не могут удовлетворить требования по температурному диапазону, предельному напряжению или частоте.

Основные преимущества силовых полупроводников на основе SiC или GaN относительно кремниевых элементов:

меньшие потери проводимости и переключения;
более высокое блокирующее напряжение;
более высокая плотность мощности;
более высокая рабочая температура;
меньшее время переключения, более высокая рабочая частота.

Чтобы полностью реализовать возможности этих материалов, необходимо внедрение новых технологий, позволяющих заменить традиционную пайку (кристаллы, базовая плата) и ультразвуковую сварку (выводы кристаллов), которые являются наиболее проблемными на пути улучшения мощностных и надежностных характеристик силовых ключей.

Читайте также: