Область безопасной работы и защита ключей

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.

Контрольные вопросы:

1. Что называется областью безопасной работы?

2. Расскажите про динамическую вольт-амперную характеристику ключа.

3. Чем определяется схемотехника ЦФТП?

Дата добавления: 2014-01-11