Выводы. 
Электронные аппараты

Рассмотрены основные виды силовых электронных ключей (диоды, тиристоры, транзисторы), их характеристики и режимы работы. Даны понятия статических и динамических потерь в полупроводниковых ключах при их периодической коммутации, приведены методы и модели для расчета потерь. Показано влияние характера коммутируемой нагрузки и быстродействия электронного прибора на величину динамических потерь. Описаны назначение и принцип действия цепей формирования траектории переключения (снабберов). Решены типовые задачи на определение статических и динамических потерь в ключах в разных схемах.

Задачи для самостоятельного решения

• 1. Определите статические потери в диоде при воздействии напряжения прямоугольной формы с амплитудой ?= 100 В и частотой/= 50 Гц, если диод коммутирует активную нагрузку R = 0,5 Ом. Статическая ВАХ диода аппроксимируется источником напряжения AU = 2 В с внутренним сопротивлением R_BKJl = 0,1 Ом. Обратный ток диода равен нулю.
• 2. Определите мощность статических потерь и среднее значение тока в транзисторе. Схема и идеализированная ВЛХ транзистора представлены на рис. 1.42, а. Напряжение источникаЕ= 100 В, сопротивление нагрузки R= 10 Ом, индуктивность нагрузки 1=1 мГн, сопротивление транзистора в проводящем состоянии R_BKJl = 0,1 Ом, частота переключения/= 1 кГц, транзистор включен в течение половины периода. За время выключенного состояния транзистора ток нагрузки снижается до нуля. Диод считать идеальным. Постройте диаграммы тока и напряжения на транзисторе.
• 3. Определите мощность статических потерь в транзисторе. Схема и ВАХ транзистора показаны на рис. 1.42, б. Напряжение источника Е= 100 В, сопротивление нагрузки R = 10 Ом, емкость нагрузки С= 10 мкФ, сопротивление транзистора в проводящем состоянии /?_вкл = 0,1 Ом, ток утечки в выключенном состоянии /_у = 10 мкА, частота переключения/= 1 кГц, транзистор включен в течение половины периода. За время выключенного состояния транзистора конденсатор разряжается до установившегося значения напряжения. Постройте диаграммы тока и напряжения на транзисторе.
• 4. Рассчитайте энергию, выделяющуюся в ключе при отключении активной нагрузки сопротивлением R = 3 Ом от источника напряжения Е= 1200 В, если время выключения ключа 3 мкс, а период коммутации Т= 1 мс.
• 5. Определите энергию, выделяющуюся в транзисторе при включении в цепи с напряжением ?=600 В и сопротивлением R= 1 Ом. Время включения транзистора t_on = 1 мкс, а частота коммутации / = 5 кГц.
• 6. Определите динамические потери в транзисторе при выключении активно-индуктивной нагрузки (рис. 1.43, а). Транзистор выключается при установившемся токе нагрузки. Напряжение источника ?= 500 В, сопротивление нагрузки? = 20 Ом, индуктивность нагрузки ?= 10 мГн, частота переключения/= 2 кГц, время выключения транзистора t₀g- 100 мкс. Постройте диаграммы тока и напряжения на транзисторе.
• 7. Определите динамические потери в транзисторе при включении активноемкостной нагрузки (см. рис. 1.43, б). Напряжение на конденсаторе на интервале включения принять равным ?₀ = 0,5?. Напряжение источника? = 500 В, сопротивление нагрузки R = 20 Ом, емкость нагрузки С= 10 мкФ, индуктивность снаббера L_s= 10 мГн, частота переключения/=2 кГц, время включения транзистора t_fm = 50 мкс. Постройте диаграммы тока и напряжения на транзисторе.

Рис. 1.42. Схемы и ВАХ для расчета статических потерь:

а — при коммутации активно-индуктивной нагрузки; б — при коммутации активно-емкостной нагрузки.

Рис. 1.43. Схемы для расчета динамических потерь:

а — при выключении RL-нагрузки; б — при включении ДС-нагрузки с ЦФ’ГП Вопросы и задания для самоконтроля.

• 1. По каким признакам классифицируют силовые электронные ключи?
• 2. Что такое диод и какова его вольт-амперная характеристика?
• 3. Назовите условия включения и выключения диода.
• 4. Перечислите основные виды транзисторов.
• 5. Что такое биполярный транзистор? Назовите типы биполярных транзисторов.
• 6. Поясните режимы работы биполярного транзистора по его вольт-амперной характеристике.
• 7. Поясните принцип образования проводящего канала в структуре полевого (МОП) транзистора.
• 8. Сравните полевой и биполярный транзисторы по коммутируемой мощности и мощности управления. Какие основные различия биполярных и полевых транзисторов следует учитывать при использовании их в качестве электронных ключей?
• 9. Назовите основные отличия биполярных транзистров с изолированным затвором (IGBT) от полевых и биполярных транзисторов.
• 10. Каковы структура и эквивалентная схема замещения тиристора?
• 11. Какие условия необходимо создать для перехода тиристора в проводящее состояние и как обеспечить его выключение?
• 12. Поясните характерные способы искусственной коммутации тиристоров.
• 13. Какими параметрами характеризуется идеальный ключ?
• 14. Для чего необходимо аппроксимировать ВАХ реальных полупроводниковых ключей?
• 15. Что такое статические режимы работы полупроводниковых ключей и статические потери?
• 16. Что такое траектория переключения и от чего она зависит?
• 17. Какие математические модели электронных ключей используют при анализе процессов переключения?
• 18. Как влияют на динамические ВАХ статических ключей реактивные элементы (индуктивности и емкости) коммутируемой цепи?
• 19. С чем связана опасносность возникновения перенапряжения на транзисторном ключе при коммутации активно-индуктивной нагрузки?
• 20. Как влияет частота переключения электронного ключа на его динамические потери?
• 21. Что такое область безопасной работы (ОБР) электронного ключа? Что необходимо предпринять, если траектория переключения ключа выходит за границу его ОБР?
• 22. Что представляет собой цепь формирования траектории переключения (снаббер)?
• 23. Поясните основные способы ограничения напряжения при выключении ДЛ-нагрузки и снижения тока транзистора при включении ЛС-нагрузки.

Рекомендуемая литература

• 1. Розанов, Ю. К. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю. К. Розанов, М. В. Рябчицкий, А. А. Кваснюк. — М.: Издательский дом МЭИ, 2007.
• 2. RabkowskiJ. Silicon Carbide Power Transistors: A New Era in Power Electronics Is Initiated / J. Rabkowski, D. Peftitsis, H.-P. Nee // IEEE Industrial Electronics Magazine. — 2012. — Vol. 6. — № 2. — P. 17−26.
• 3. Воронин, П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение / П. А. Воронин. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2005.
• 4. Розанов, 10. К. Справочник по силовой электронике / Ю. К. Розанов [и др.]; под ред. Ю. К. Розанова. — М.: Издательский дом МЭИ, 2014.