Основные виды и классификация ключей

Силовым электронным ключом называется устройство для размыкания или замыкания электрической цени, содержащее, по крайней мере, один управляемый электронный прибор [1]. Понятие «силовой» означает, что осуществляется управление потоком электроэнергии. К силовым приборам обычно относят приборы со средним значением тока более 10 А и импульсным значением свыше 100 А. Функции силовых электронных ключей выполняют силовые полупроводниковые приборы, физической основой которых являются полупроводниковые структуры различных типов электронной проводимости.

Принцип действия большинства видов электронных ключей основан на изменении их проводимости при поступлении на них сигналов управления и соблюдении определенных правил подключения к электрической цепи. В результате происходит включение электронного ключа. Способ выключения ключа определяется не только отсутствием на нем управляющего сигнала, но и другими условиями, зависящими от его вида. По своим основным функциям силовые электронные ключи близки к широко применяемым электромеханическим выключателям электрических цепей. Главное и принципиальное их отличие состоит в том, что они статические и обладают большим быстродействием, позволяющим им работать с высокой частотой переключения.

Силовые электронные ключи обычно классифицируют по принципу действия, конструктивному исполнению, применению и другим признакам. По принципу действия в настоящее время выделяют три вида: диоды, транзисторы и тиристоры. Каждый из них подразделяют на ряд подгрупп по различным параметрам и характеристикам:

• — рабочей частоте (низкочастотные, высокочастотные, импульсные и др.);
• — коммутируемой мощности (малой, средней, большой мощности).

Существуют и другие показатели для классификации электронных ключей. По типу исходного полупроводникового материала ключи делятся на кремниевые (Si), германиевые (Ge) и приборы на основе арсенида галлия (GaAs). Большинство силовых ключей изготавливается на основе кремния. В последнее время применяются и другие полупроводниковые материалы: соединения индия (InP, InAs), карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Наиболее перспективным материалом является карбид кремния, использование которого позволит в несколько раз снизить потери в силовых ключах [2].

По сравнению с электромеханическими ключами основным преимуществом электронных ключей является высокое быстродействие, превышающее более чем на порядок быстродействие электромеханических ключей. Это дает возможность осуществлять периодическое их переключение с высокой частотой и осуществлять импульсную модуляцию токов и напряжений с целью управления формой токов и напряжений, что позволяет создавать принципиально новые и перспективные методы управления электрической энергией. Другим важным преимуществом электронных ключей перед электромеханическими является их практически неограниченный ресурс работы.