Лекція 2. Види силових ключів статичних перетворювачів та види їх комутації

Залежно від можливих комбінацій з напрямків струму ввімкненого ключа і напруги вимкненого можна виділити одно-, дво- та чотириквадрантні ключі. Припускаючи позитивну напругу на ключі збіжною за напрямком зі струмом (рис. 1.3, а), відобразимо можливі сполучення напрямків струму і напруги на діаграмі рис. 1.3, б.

Властивості керованого одноквадрантного ключа має, наприклад, біполярний транзистор, він діє в першому квадранті, властивості некерованого – діод, він працює в четвертому квадранті. Змінити напрямок струму в транзисторі не дає низький інверсний коефіцієнт підсилювання, а полярність напруги, що вимикається, – низька пробивна напруга емітерного p-n-переходу і труднощі керування при зміні полярності напруги.

Одноквадрантні ключі найбільш прості, однак їх недоліком є те, що неможливо змінити ні напрямку потоку потужності, ні полярності напруги джерела живлення.

В двоквадрантних ключах одна з двох величин – струм або напруга – є знакозмінною, а друга – напрямку не змінює. На рис. 1.4, б дано варіанти ключів із знакозмінним струмом (вони працюють в першому та другому квадрантах), а на рис. 1.4, в – із знакозмінною напругою (перший і четвертий квадранти). В ключах рис. 1.4, б можна змінити напрямок струму, але полярність напруги змінити не можна, тому що діод при цьому вмикається, а це з’єднає виводи ключа накоротко. Ключами рис. 1.4, в, навпаки, можна вимкнути коло при будь-якій полярності прикладеної напруги, але неможливо змінити напрямок струму.

Двоквадрантні ключі дозволяють зробити схему зворотною, що дає можливість здійснювати обмін енергією між джерелом живлення та навантаженням, наприклад, при навантаженні з реактивною компонентою. В чотириквадрантних ключах знакозмінними є обидві величини (рис. 1.4, г), що дозволяє додатково змінювати полярність джерела живлення та робить схему реверсивною.

За можливостями керування виділяють одноопераційні (не повністю керовані) та двоопераційні (повністю керовані ключі). У перших за допомогою системи керування можна виконати тільки одну з двох комутаційних операцій: ввімкнення або вимикання, у других – доступні для керування обидві операції. Одноопераційним ключем, який по колу керування можна тільки ввімкнути, є одноопераційний тиристор. Для вимикання тиристорів по колу керування потрібні дуже великі струми, порівнювані зі струмом у силовому колі, що у звичайних тиристорах не використовується. Дуальним одноопераційним ключем є так званий l-діод. Як і тиристор, цей ключ має внутрішній зворотний зв’язок, який діє, однак, на вимикання. Його еквівалентна схема (рис. 1.5) містить два нормально відкриті польові транзистори різного типу провідності: n-канальний VT1 та р-канальний VT2. Транзистори охоплені внутрішнім зворотним зв’язком: вихід першого пов’язаний зі входом

У перетворювачах реалізуються два види комутації: примусова та природна. Вони відрізняються залежно від того, відбувається зміна миттєвої провідності комутувального елемента під напругою або без неї. У першому випадку комутація примусова (інші назви: штучна та жорстка), у другому – природна (м’яка). Примусова комутація є значно важчою для напівпровідникового приладу, ніж природна, тому що супроводжується виділенням теплової енергії та нагріванням. Дійсно, оскільки під час примусової комутації є напруга на приладі та через нього тече струм, то його електрична потужність відрізняється від нуля. Якщо напруга живлення и у схемі з послідовно ввімкненим транзистором та навантаженням g_н постійна, то при будь-яких змінах провідності g транзистора між нулем та нескінченністю є і напруга на приладі, і струм у ньому, тому що u_s = u - і_s / g_н. Отже, комутація у даному прикладі є примусовою як при вимиканні, так і при ввімкненні.

Назва “примусова комутація” обумовлена тим, що комутувальний прилад протидіє в процесі комутації джерелу живлення. При вимиканні джерело перешкоджає спадові струму, а транзистор робить це всупереч джерелу. При ввімкненні джерело прагне збільшити струм, а комутувальний прилад стримує цей процес. У ладу до розглянутого є така механічна аналогія. Якщо водопровідний кран закривається та відкривається під великим тиском, то він робить це всупереч насосу, який цей тиск створює, а тому швидко при цьому спрацьовується. Формальною ознакою примусової комутації є збіжність знаків напруги та струму ліворуч та праворуч від точки комутації (t₁ та t₂ на рис. 1.6).

Двоопераційні прилади можуть виконувати примусову комутацію як при ввімкненні, так і при вимиканні. Однак ця можливість обмежена тепловиділеннями в приладі (енергією комутаційних втрат). Тому реально примусову комутацію напівпровідникових приладів використовують при невеликих потужностях перетворення, приблизно до декількох сотень ВА. При більших потужностях інколи переходять до природної комутації шляхом запровадження пристроїв комутаційного захисту силових приладів – снаберів (від англійського терміну snubber). В найбільшій мірі це відноситься до біполярних транзисторів та тиристорів.

Дія снаберів ґрунтується на тому, що властивість змінювати свою миттєву провідність під напругою мають не тільки керовані напівпровідникові прилади, але й реактивні елементи. Наприклад, якщо шунтувати ключ, що вимикається, конденсатором С (рис. 1.7, а), то струм ключа перейде до конденсатора. Конденсатор, який заряджається,

створює все більшу протиЕРС для зовнішнього кола, миттєва провідність конденсатора

Але складений ключ як сукупність елементів VT і C виконує примусову комутацію. Однак ця функція переходить від транзистора до конденсатора. Тепер вже конденсатор працює протягом часу комутації t_кв активному режимі, при відмінних від нуля напрузі та струмі. Проте енергія під час комутації не виділяється як тепло, а тимчасово накопичується в електричному полі конденсатора.

Таким чином, природна комутація відбувається за відсутності електричної потужності в комутуючому приладі, інакше кажучи, в нулі потужності. Порівнюючи схеми рис. 1.7, а і рис. 1.7, в, можна пояснити поділ природної комутації на види. У схемі рис. 1.7, а напруга на транзисторі, який вимикається, змінюється, починаючи з нуля, повільно, якщо, звичайно, ємність конденсатора С достатньо велика. Струм транзистора змінюється значно скоріше, та, коли нехтувати часом комутації t_к′, ця зміна відбувається стрибкоподібно. Таку природну комутацію називають комутацією в нулях напруги. Взагалі розподіл природної комутації на види роблять залежно від того, яка з двох величин – напруга або струм – безперервна (при t_к′→0) в момент комутації. Зрозуміло, що в реальних умовах при скінченних значеннях С та L комутація відрізняється від природної. Але цією різницею нехтують, коли енергія комутації в ключі знижується на порядок або й більше у порівнянні з енергією комутації при примусовій комутації.

Назва “природна комутація” підкреслює той факт, що зміну потужності електричного кола виконують зовнішні, по відношенню до комутувального приладу, об’єкти: реактивні елементи або джерела живлення. Комутацію, що повторюється, якщо хоча б частина її операцій здійснюється примусово, можна поділити на два види: двоопераційна (неоднорідна) та одноопераційна (однорідна). Ясно, що при періодичній комутації дві комутаційних операції – ввімкнення та вимикання – повинні чергуватися. Коли під напругою здійснюються обидві операції, то комутація двоопераційна (неоднорідна). Коли ж під напругою відбувається тільки одна з двох операцій, а протилежна відбувається без напруги, то комутація одноопераційна (однорідна). Одноопераційна комутація створює більш сприятливі умови для комутувального приладу та його снаберів. По-перше, потрібен тільки однорідний снабер – індуктивний при комутації першого роду і ємнісний при комутації другого роду. По-друге, не виникає проблеми з вилученням енергії, яка накопичується в реактивних елементах снаберів.

Щоб при вмиканні транзистор VT не потрапив під перевантаження струмом розряду конденсатора С (рис. 1.7, а), потрібно ввести в схему ємнісного снабера додаткові елементи для поглинання або повернення енергії, яка була накопичена при комутації. Найпростіше рішення полягає у тому, що послідовно з конденсатором вмикають резистор R, який обмежує струм розряду конденсатора при ввімкненні транзистора (рис. 1.17, г). Недоліком такого RC-снабера є те, що падіння напруги на резисторі, яке виникає після переходу струму транзистора на снабер, підвищує напругу на транзисторі, що вимикається. Щоб подолати цей недолік, потрібно шунтувати резистор додатковим діодом VD, одержуючи типовий RCD-снабер. Діод замикає резистор накоротко при протіканні прямого струму, але вимикається при протіканні зворотного, що дозволяє резистору обмежити струм розряду конденсатора. Недоліком RCD-снабера є додаткові втрати енергії в резисторі при розряді конденсатора.

При одноопераційній комутації цієї проблеми не виникає, тому що енергія комутації при цьому повертається до джерела живлення або навантаження сама, без додаткових пристроїв. Дійсно, оскільки при комутації другого роду ввімкнення транзистора відбувається без напруги, то конденсатор до цього моменту вже розряджений і енергії комутації у ньому вже немає. Наприклад, якщо струм навантаження і після вимикання транзистора змінює напрямок, то він переходить від діода VD1 до діода VD2, яким у такому разі потрібно шунтувати транзистор (пунктир на рис. 1.17, а). Діод VD2 вмикається тільки тоді, коли струмом зворотного напрямку конденсатор С розрядиться до нуля. Якщо транзистор VТ вмикається після цього моменту, то напруги на ньому немає.

Дуальні схеми снаберів використовуються для одержання природної комутації при ввімкненні силового ключа. При цьому достатньо послідовно з тиристором VS встановити дросель L (рис. 1.17, в). Одноопераційна комутація досягається, якщо напруга и після ввімкнення тиристора змінює полярність. Тоді струм у тиристорі природним чином спадає до нуля, що приводить до звільнення енергії, накопиченої у дроселі та природного вимикання тиристора. При двоопераційній комутації, яка можлива при використанні двоопераційного ключа VS, потрібно шунтувати дросель резистором R, який обмежує ЕРС самоіндукції дроселя в перебігу примусового вимикання VS. Щоб завадити протіканню додаткового струму в тиристорі при його ввімкненні, потрібно ввести додатковий діод VD послідовно з резистором, одержуючи RLD-снабер (рис. 1.17, д).