Динамические режимы работы электронного ключа

Электротехника в последнее время характеризуется расширением области
применения силовых электронных ключей, работающих в режимах
преиодической коммутации на повышенных частотах. К примеру, они могут
применяться в качестве устройств для повышения качества электроэнергии
(компенсаторы реактивной мощности, импульсные регуляторы, гибридные
фильтры).
Силовой электрический ключ — это устройство, предназначенное для
размыкания или замыкания электрической цепи, и содержащее как минимум
один полностью управляемый прибор, например транзистор или тиристор.
В электронике чаще всего используют более общий термин «электронный
вентильный прибор». Он представляет собой неделимый электронный прибор
для преобразования или прерывания электрической цепи, который неуправляем
или управляем ключевым способом. Простейшим примером неуправляемого
вентильного прибора является диод.
Электронные ключи постоянно включаются и выключаются с высокой частотой
по зданным алгоритмам.
Динамический режим работы ключа — это такой режим, при котором
происходит переход из одного состояния в другое (из включенного в
выключенное и наоборот). Динамический режим также называют
коммутационным процессом.
При анализе электрических цепей, содержащих электронные ключи, следует
различать обозначения времени для динамических и статических режимов. В
статических (установившихся) режимах время /вкл и /выкл соответствует
времени, в течение которого ключ находится во включенном или выключенном
состоянии. В динамических (переходных) режимах время tвкл и tвыкл
соответствует времени перехода из выключенного состояния во включенное и
наоборот.
Аналитически описать динамические процессы достаточно сложно, ведь они
учитывают физические процессы в полупроводниковых приборах. Для
упрощения анализа процессов пользуются матемитическими моделями,
которые позволяют получать результаты с достаточной точностью.
Например, общепринятым является идеализированное представление
электронного ключа на интервале включения источником линейно спадающего
напряжения, а на интервале выключения — источником линейно спадающего
тока. Длительности спада напряжения и тока до нуля принимаются равными
времени включения t вкл и выключения t выкл электронного ключа.
Диаграммы напряжения us и тока is модели ключа в динамических режимах
представлены на рис. 1

Рис.1. Диаграммы напряжения и тока на интервалах включения и выключения

Из диаграмм видно, что при включении ЭК напряжение падает от уровня
Us до нуля. При выключении ключа ток Is за момент времени tвыкл
падает до нуля.
Реакция коммутируемой цепи на изменение состояния ЭК характеризуется
током ключа и его напряжением. Если коммутируемая цепь включает в себя
индуктивные или емкостные реактивные элементы, то они оказывают влияние
на процессы переключения ключей. Так, при вкючении меняется ток, а при
выключении — напряжение. Поэтому динамические ВАХ ключа напрямую
зависят от параметров коммутируемой цепи.
Рассмотрим, что происходит при подключении активной нагрузки. Коммутация
активной нагрузки происходит посредством подключения в электрическую цепь
резистора R. На рис.2. Представлена простейшая схема с ключом и резистором.

Рис.2. Простейшая схема с ключом и активной нагрузкой
В данной схеме с активной нагрузкой цепь коммутируется ключом S.
При этом на интервалах выключенного состояния ключа us= Е(напряжение на
ключе равно напряжению ЭДС. При включении ключа S на интервалах
включенного состояния напряжение падает до нуля us=0.
В то же время на интервале выключенного состояния ключа ток is отсутствует,
так как цепь разомкнута. При включении ключа за время tвкл ток is ключа
становится равным Is. На рис.3. Показано изменение тока и напряжения на
ключе при коммутации ключа за время tвкл.

Рис.3. Изменение тока и напряжения на ЭК во время коммутации

На интервале включения ЭК выделяется энергия Wвкл и мгновенная мощность

р вкл. Они определяются из следующих соотношений:

Как видно из формул, энергия и мгновенная мощность обратно
пропорциональны значению сопротивления активной нагрузки.

Рис.4. Изменение мгновенной мощности при коммутации ключа

На рис.4. Показана диаграмма изменения мгновенной мощности при
коммутации ключа (за время t вкл).
Теперь стоит рассмотреть диаграммы тока, напряжения и мгновенной
мощности при выключении электронного ключа. На рис.5. Представлена
диаграмма изменения напряжения и тока при отключении ключа S.

Рис.5. Диаграмма изменения напряжения и тока при отключении ключа
Как видно из диаграммы, до момента t0 по ключу протекал ток is, который
в момент выключения tвыкл=t1-t0 снизился до нуля.
Во включенном состоянии напряжение на ключе отсутствовало (us=0), за
момент выключения tвыкл оно увеличилось и стало равно Us
(напряжению цепи). После момент времени t1 напряжение остается
постоянным.
Так же, как и при включении, выключение ЭК характеризуется выделением
мгновенной мощности и энергии. На рисунке 6 представлена диаграмма
изменения мгновенной мощности р выкл.

Рис.6. Диаграмма изменения мгновенной мощности при выключении ключа
Для определения параметров мгновенной мощности и выделяемой энергии при
выключении ЭК необходимо заменить t вкл на t выкл.
В этих схемах принято допущение идеальности статической ВАХ ключа S. На
интервалах переключения используется динамическая модель ключа. Из
приведенных временных диаграмм us(t), is(t) могут быть рассчитаны
мгновенные мощности динамических потерь при переключении с учетом их
нагрузки.
В рассматриваемом примере статические ВАХ приняты идеальными и поэтому
потери мощности существуют только на интервалах переключения. Кроме того,
источники напряжения, питающие коммутируемые цепи, также считаются
идеальными, т.е. внутреннее сопротивление источников равно нулю.

Динамическая ВАХ ключа

Одной из основных характеристик работы ключа в динамическом режиме
является динамическая вольт-амперная характеристика ВАХ, т.е. зависимость

напряжения на ключе us от тока is в процессе переключения.
Динамическая ВАХ представляет собой траекторию переключения
(коммутации) электронного ключа. Переходные процессы в ключах зависят от
его быстродействия и параметров элементов коммутируемой электрической
цепи.
Соответственно, динамические ВАХ также зависят от указанных
факторов и поэтому могут отличаться друг от друга Динамические ВАХ
обычно представляют на плоскости параметров тока is и напряжения us ,
определенных для конкретных условий коммутации на интервале
переключения ключа.

Рис.7. Динамическая ВАХ ключа

На рис.7 представлена динамическая ВАХ ключа при коммутации резистивной
нагрузки. Линейный характер динамической ВАХ обусловлен отсутствием
реактивных элементов в схеме. При этом справедливо соотношение:

us(t) = Е - is(t)R.

Потери мощности в ключе при периодической коммутации
Наиболее распространенным режимом работы электронных ключей является
режим периодической коммутации, обусловленный переходом из включенного
состояния в выключенное и наоборот. При этом статические и динамические
режимы чередуются. Рассмотрим выделение мощности при периодическом
режиме работы транзисторного ключа с частотой fк. Предположим, что ключ

коммутирует активную нагрузку R.
За период коммутации ключа Tк в нем происходит выделении мощности
статических потерь p ст вкл и р ст выкл, а также мощность динамических
потерь p п вкл и р п выкл.

Рис.8. Диаграммы напряжения, тока и мощности ключа при периодической
коммутации активной нагрузки
При этом на диаграммах видно, что на самом деле напряжение на транзисторе
равно Δuf во включенном состоянии, а в выключенном положении через него
протекает ток утечки Ifº.
Потери активной мощности в ключе можно определить по формуле:

Динамические потери зависят от частоты. Поэтому при работе на повышенных
частотах необходимо использовать быстродействующие ключи с малым

временем переключения.

Список использованной литературы

1.  Розанов, Ю. К. Силовая электроника / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий,
А.А. Кваснюк. - М.: МЭИ, 2009. - 632 c.
2. Зиновьев, Г.С. Силовая электроника: учебное пособие для бакалавров/Г.С.
Зиновьев; Новосибирский государственный технический университет (НГТУ).
— 5-е изд., испр. и доп. — Москва: Юрайт, 2012. — 667 с.: ил.
3. Уильямс Б. Силовая электроника: приборы применение, управления.
Справочное пособие: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с.: ил.