Динамические режимы работы ключей. 
Расчет динамических потерь

Одна из основных характеристик работы ключа в динамическом режиме — динамическая ВАХ (траектория переключения) — зависимость напряжения на ключе u_s от протекающего через него тока i_s в переходном процессе переключения. Процессы коммутации зависят от быстродействия ключа и параметров элементов коммутируемой электрической цепи. Соответственно, динамические ВАХ также зависят от указанных факторов и поэтому отличаются многообразием. На практике динамические ВАХ представляются на плоскости параметров тока i_s и напряжения u_s, определенных для конкретных условий коммутации на интервале переходного процесса.

Аналитическое описание динамических процессов, адекватно учитывающее физические явления в полупроводниковых приборах, является сложной задачей. В этой связи при анализе процессов переключения в электронных ключах используются упрощенные математические модели, позволяющие во многих случаях получать результаты с достаточной для практических целей точностью. Общепринятым является 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 соответственно принимаются равными времени включения и выключения ключа. Такие модели соответствуют идеализированному представлению ключей в динамических режимах работы при переключении из одного состояния в другое. Соответствующие диаграммы напряжения и тока ключа представлены на рис. 10.20, а эквивалентные напряжение и ток записываются как.

где U_sQ, I_so — установившиеся значения напряжения на ключе и тока ключа до момента начала коммутации; t_on, t₀* — время включения и выключения полупроводникового прибора.

Рис. 10.20. Диаграммы напряжения и тока ключа при коммутации:

а — напряжение при включении; б — ток в процессе выключения Ток ключа при включении и напряжение на нем при выключении будут характеризовать реакцию коммутируемой цепи на изменение состояния ключа. Если в коммутируемой цепи содержатся реактивные элементы (индуктивные или емкостные), то их инерционность будет вызывать медленное изменение тока при включении индуктивной цепи и медленное изменение напряжения при выключении емкостной цепи. В этих случаях динамические ВАХ ключа будут существенно отличаться от траектории переключения при коммутации цепи, содержащей только резистивные элементы.

На рис. 10.21 и 10.22 представлены примеры простейших схем коммутации активной и активно-индуктивной нагрузок. При этом принято допущение об идеальности статической ВАХ (см. рис. 10.18) ключа S, а на интервалах переключения используются модели ключа в соответствии с выражением (10.5).

Рис. 10.21. Коммутация резистивной нагрузки:

а — схема; диаграммы тока, напряжения и мгновенной мощности: б — при включении; в — выключении; г — динамическая ВАХ ключа Диаграммы u_s(t), i_s(t) и мгновенных мощностей при включении p_on(t) и выключении p₀jj (t), а также динамические ВАХ могут быть использованы для оценки различных параметров ключа при переключении и позволяют рассчитать потери мощности в ключе с учетом характера нагрузки. Для схемы с активной нагрузкой мгновенное значение мощности р_оп(1) и выделяемая энергия в процессе включения W_on могут быть определены из следующих соотношений, принимая t₀ = 0:

На интервале выключения процессы изменения тока и напряжения на ключе тоже линейны (рис. 10.21, в), поэтому выражения для p₀jj (t) и W₍₎jj аналогичны:

При коммутации активной нагрузки динамические ВАХ ключа при включении и выключении являются линейными (рис. 10.21, г):

Таким образом, представляя полупроводниковый ключ эквивалентным источником линейно спадающего напряжения на интервале включения и источником линейно спадающего тока на интервале выключения, определяют динамические потери — потери мощности в ключе на интервалах его включения и выключения, которые рассчитываются как отношение энергии, выделяемой в процессе включения и выключения, к периоду переключения ключа:

Наличие индуктивности в коммутируемой цепи приводит к повышению напряжения на ключе на интервале выключения и затягиванию процесса нарастания тока при включении ключа (рис. 10.22, а—в). При снижении напряжения на интервале включения зависимость i_s(t) представляет собой сумму линейной и экспоненциальной функций. Повышение напряжения при снижении тока в процессе выключения связано с возникновением ЭДС самоиндукции в катушке (E_L = -Ldi_s/dt), максимальное значение напряжения на ключе f/_5max = Е + E_L. В результате потери мощности в ключе и динамические ВАХ существенно изменяются по сравнению с потерями и характеристиками при коммутации 7?-нагрузки (рис. 10.22, г, д). Энергия, выделяемая при включении /?1-нагрузки, уменьшится вследствие замедления нарастания тока. В процессе выключения активно-индуктивной нагрузки энергия и потери будут значительно больше, чем при выключении 7?-нагрузки, поскольку возникает скачкообразное увеличение напряжения на ключе, значение которого зависит от индуктивности и времени выключения. Динамическая ВАХ ключа при выключении определяется как u_s = Е-i_sR + E_l (см. рис. 10.22, д).

При коммутации нагрузки, содержащей емкость, процессы включения и выключения ключа идентичны процессам при RL-нагрузке, только при включении возникает всплеск тока, а на интервале выключения напряжение на ключе увеличивается медленнее по сравнению с процессом выключения /?-нагрузки. Поэтому динамические потери при включении существенно возрастают, а энергия, выделяемая в процессе выключения, снижается.

Рис. 10.22. Коммутация активно-индуктивной нагрузки:

а — схема; диаграммы напряжения, тока и мгновенной мощности:

6 — при включении; в — выключении; динамические ВАХ ключа: г — при включении; д — выключении Наиболее распространенный режим работы электронных ключей — периодическая коммутация — переход из включенного состояния в выключенное, и наоборот, с частотой /. При этом происходит чередование статических и динамических режимов. Рассмотрим в качестве примера определение потерь мощности в ключе при периодической коммутации R-нагрузки (см. рис. 10.21, а), статическая ВАХ ключа представлена на рис. 10.23, причем AU «Е, a i?_BbIK, » R.

С учетом принятых допущений процессы изменения тока и напряжения будут соответствовать диаграммам, приведенным на рис. 10.24, которые позволяют определить суммарные потери мощности в ключе. Можно выделить следующие составляющие потерь: статические потери во включенном и выключенном состояниях (Р_{с вкл} и Р_{с выкл}) и динамические потери при включении и выключении (Р_{л вкл} и Р_{л выкл}). Каждая из составляющих потерь определяется как среднее значение мгновенной мощности за период коммутации (см. рис. 10.24):

Рис. 10.23. Пример аппроксимированной ВАХ электронного ключа для расчета статических потерь.

Из полученных выражений очевидно, что если отношение t_BKJl/T постоянно, то значение статических потерь в ключе не зависит от частоты. Динамические же потери возрастают с увеличением частоты коммутации. Поэтому при работе на повышенных частотах необходимо использовать быстродействующие ключи с малым временем переключения.