Образования республики узбекистан

ЛЕКЦИЯ № 9
Реальные ключи и их отличие от идеальных ключей.

В последнее время в электротехнике существенно расширяются области использования силовых электронных ключей, работающих в режимах периодической коммутации на повышенных частотах. Примером могут служить устройства для улучшения качества электроэнергии (силовые активные и гибридные фильтры, компенсаторы реактивной мощности, импульсные регуляторы и др.) на основе силовых электронных преобразователей переменного/постоянного тока с импульсным управлением. При этом электронные ключи периодически включаются и выключаются с высокой частотой по заданным алгоритмам — происходит чередование статических (установившихся) режимов работы, соответствующих проводящему (замкнутому) и непроводящему (разомкнутому) состояниям ключа. Процессы изменения состояний проводимости (из включенного в выключенное и наоборот) называются динамическими (переходными) режимами или коммутационными процессами. Как в статическом, так и в динамическом режиме в полупроводниковом ключе возникают потери мощности, зависящие от статических и динамических ВАХ. Рассмотрим эти процессы более подробно.

Основная характеристика ключа в установившихся режимах — его статическая ВАХ, т.е. зависимость тока ключа i_s от напряжения на нем u_s, полученная при бесконечно медленном изменении тока и напряжения. На рис. 1.18 представлены условное обозначение идеального ключа S и его ВАХ. Прямые (положительные) токи и напряжения часто обозначают как i_SF и u_SF, а обратные — как i_SR и u_SR. Согласно ВАХ идеального ключа во включенном состоянии u_s = 0 при любом значении тока i_s, и наоборот, в выключенном состоянии i_s = 0 при любом значении напряжения u_s. Следует отметить, что время включения и выключения ключа, а также мощность, затрачиваемая на управление, тоже принимаются равными нулю.

Рис. 1.18. Идеальный ключ:
а — условное обозначение идеального ключа; б — ВАХ идеального ключа
В отличие от идеального ключа все виды реальных ключей в проводящем состоянии имеют падение напряжения, а в выключенном — пропускают прямой или обратный ток утечки. В общем случае статическая ВАХ реального ключа имеет нелинейный характер и описывается аналитическими уравнениями трансцендентного вида. Для упрощения анализа цепей, содержащих электронные ключи, ВАХ последних аппроксимируются более простыми математическими функциями, что позволяет произвести предварительную оценку установившихся электрических параметров цепи, содержащей такие идеализированные ключи. Наиболее простой и распространенной аппроксимацией ВАХ электронных приборов является их представление в виде кусочно-линейных функций. На рис. 1.19, а показана типовая ВАХ диода, а на рис. 1.19, б — один из вариантов аппроксимированной (линеаризованной) характеристики. Соответственно схемы замещения ключа в установившихся режимах при различных значениях напряжения могут быть представлены схемами линейных цепей, состоящих из сопротивлений и источников напряжения и тока. Для рассматриваемой ВАХ во включенном состоянии (при u_s> AU) диод заменяется источником напряжения AU и резистором (рис. 1.19, в), сопротивление которого определяется наклоном соответствующего участка ВАХ: /?_вкл пропорционально ctga; протекает прямой ток i_SF. В выключенном состоянии при 0 < u_s < AU диод не пропускает ток, а его схема замещения представляет собой разомкнутый ключ. В закрытом состоянии при отрицательном напряжении диод заменяется сопротивлением /?_ВЬШ1, величина которого зависит от угла наклона (3 соответствующего линейного участка ВАХ (см. рис. 1.19, б, в), через выключенный диод протекает обратный ток утечки i_SR.
Таким образом, представляя полупроводниковый ключ схемами замещения на интервалах включенного и выключенного состояний, можно рассчитать статические потери — потери мощности в ключе во включенном и выключенном состояниях при его периодическом переключении, которые определяются как среднее значение мгновенной мощности ключа:

где Т — период переключения; ?_вкл — время включенного состояния ключа; ^выкл = (Т - ^вкл) ^— интервал времени, в течение которого ключ выключен;
%,вкл ^{— ток ключа и} напряжение на ключе на интервале ?_вкл; i_s выкл, и $ выкл “ ^{Т()К и} напряжение на интервале ?_выкл.
Следует отметить, что в схемах с источником переменного напряжения, меняющегося с частотой /= 1 /Т, включение диода происходит в момент, когда напряжение на диоде становится больше порогового значения AU, а момент включения тиристора определяется моментом подачи сигнала управления. Выключение диода (тиристора) происходит в момент снижения тока до нуля, следовательно, зависит от характера коммутируемой нагрузки. Для рассматриваемой ВАХ диода (см. рис. 1.19, б) выражение (1.4) запишется следующим образом:

где Т= i/f— период изменения напряжения; t_x — момент включения диода; ?_вкл — интервал времени, в течение которого диод находитея во включенном состоянии; t₂ - момент выключения; ?_выкл — время выключенного состояния (при отрицательном напряжении на диоде).

Рис. 1.19. Пример аппроксимации ВАХ диода и схемы его замещения:
а — реальная ВАХ диода; б — линеаризованная ВАХ; в — схемы замещения диода