Область безопасной работы ключа

Область допустимых значений электрических параметров ключа, при которых ключ работает без повреждений, называют областью безопасной работы (ОБР).

Общепринятым является графическое представление ОБР на плоскости в координатах тока iS в ключе и падения напряжения uS на ключе. Учитываются допустимые значения ISдоп , USдоп параметров iS , uS , а также допустимое значение PSдоп рассеиваемой мощности pS= iSuS . Они определяют границы ОБР (рис. 4.12).

iS ISдоп
iS=PSдоп /uS
USдопuS
ОБР
Рис. 4.12. Область безопасной работы ключа (ОБР)

В зависимости от типа ключевого прибора число и характер ограничений, определяющих ОБР, могут изменяться, могут появляться дополнительные границы ОБР. Кроме того, границы ОБР зависят от продолжительности нахождения ключа во включенном состоянии и от частоты коммутации.

Мгновенные значения iS и uS в любой момент времени во всех режимах работы ключа, включая процесс коммутации, не должны выходить за пределы ОБР по определению. Это значит, что статические и динамические ВАХ ключа должны находиться внутри ОБР. В противном случае надежная работа ключа не гарантируется.

Полное соответствие ВАХ и ОБР сложно обеспечить без принятия специальных мер защиты ключевого прибора. Поэтому в схему устройства коммутации включают дополнительные элементы, например конденсаторы или реакторы, с помощью которых достигается соответствие динамических ВАХ ключа и его ОБР. Совокупность таких дополнительных элементов, определенным образом подключенных в схему устройства коммутации, называют цепью формирования траектории переключения (ЦФТП) или снаббером (снабберной цепью). По существу снаббер является устройством защиты ключа в динамических режимах.

Обобщенные показатели полупроводниковых приборов,

Используемых в силовых электронных ключах

Обобщенные показатели полупроводниковых приборов, используемых в силовых электронных ключах, приведены в табл. 4.120.

Обобщенные показатели полупроводниковых приборов

Таблица 4.1

    Вид прибора Предельное коммутиру- емое напряже- ние, В Предель- ный коммути- руемый ток, А Прямое падение напря- жения, В Частота комму- тации, Гц Ток утечки не более, мА Вид управ- ления
Тиристор (тир.) < 1,9 < 400 ток
Симистор < 1,4 < 400 ток
Запираемый тир. < 4,0 < 2000 ток
МОП-транзистор < 3,2 < 105 0,3 напр.
МОПБТ < 3,0 < 5 .104 напр.
Запираемый тир. с МОП-управлением       < 1,5   < 2,5. 104     напр.

Сравнительная характеристика силовых ключей

Показатели функционирования силовых ключей

Коммутирующие контакты обладают рядом преимуществ по сравнению с электронными ключами. Они в большей степени приближаются к «идеальному» ключу по таким показателям как устойчивость к токам перегрузки, короткого замыкания и к воздействию перенапряжения; тепловые потери на замкнутом контакте; остаточное напряжение (падение напряжения на замкнутом контакте); гальваническая развязка силовых и вспомогательных цепей («сухие» контакты). Существенные недостатки: возникновение электрической дуги и вытекающие из этого отрицательные последствия (они рассмотрены в разделе 2), а также низкая частота коммутации.

Количественные оценки некоторых показателей, удобных для сравнения силовых ключей, приведены в табл. 4.2.

Показатели функционирования силовых ключей

Таблица 4.2

  Показатель «Идеальный» ключ Коммутирующий контакт Электронный ключ
Быстродействие, мс τ = 0 τ > 10 τ< 1
Ресурс работы, число циклов N = ∞ N < 107 N = ∞
Наличие электрической дуги нет есть нет
Возникновение перенапряжений и сверхтоков нет почти нет есть
Тепловые потери на ключе нет почти нет есть
Остаточное напряжениена ключе, В ΔU= 0 ΔU ≈ 0 ΔU ≤ 3
Гальваническая развязка между цепями, Ом Rизоляции = ∞ Rизоляции → ∞ Rизоляции< 109
Затраты мощности на включение и удержание во включенном состоянии, Вт   Р = 0   Р> 10   Р ≤ 1

В тех применениях ключей, где требуется большая частота коммутации электрической цепи, инерционность коммутирующих контактов ограничивает, либо делает невозможным их применение. К тому же износ массы контактного материала зависит от количества циклов «включить-выключить» и от силы коммутируемого тока. Например, такой износ у сильноточных контакторов и пускателей оценивают по пропорциональной зависимости от количества циклов «включить-выключить» и по квадратичной зависимости от силы отключаемого тока. Поэтому при больших значениях отключаемого тока и количестве циклов появляется необходимость в частой замене коммутационного контактного аппарата.

Существенный недостаток электронных ключей – это слабая устойчивость к перенапряжениям и сверхтокам. Поэтому для обеспечения их работоспособности приходится применять дополнительные элементы и узлы, например, снабберные цепи, что приводит к усложнению конструкции и удорожанию аппарата.

Сопоставление свойств коммутирующих контактов

И электронных ключей

Свойства коммутирующих контактов и электронных ключей

Таблица 4.3

Особенность, свойство Коммутирующие Электронные
контакты ключи
Возможность плавного изменения тока в управляемой цепи (усилительный режим) с переходом в скачкообразное его изменение (коммутационный режим) Нет возможности плавного управления, работают только в коммутационном режиме   Работают надежно в любом режиме    
Возможность непосредственного использования слабых электрических сигналов для управления ключом Энергопотребление приводов контактных систем сравнительно велико (P> 10 Вт)   Легко осуществляется управление слабыми электрическими сигналами  
Тепловые потери и нагрев в ключе при токах нагрузки Потери и нагрев небольшие, т.к. падение напряжения на ключе при включенном состоянии обычно составляет единицы милливольт Потери высокие, т.к. падение напряжения на ключе при включенном состоянии достигает одного и более вольт
Устойчивость к перенапряжениям Выдерживают значительные перенапряжения; пробивное напряжение – до десятков киловольт Требуется специальная защита от перенапряжений; допустимые обратные напряжения обычно составляют сотни вольт
Устойчивость к токовым перегрузкам Допустима перегрузка сверхтоком примерно в 700 раз большим по отношению к номинальному току при времени его действия до 0,01 с Необходима специальная защита от сверхтоков; допустимая перегрузка может достигать лишь примерно 30-кратного значения номинального тока при времени действия до 0,01 с
Стойкость к ударным нагрузкам и вибрации Подвержены влиянию ударных нагрузок и вибрации Практически не подвержены влиянию ударных нагрузок и вибрации за исключением элементов подсоединения.
Надежность Надежность высокая, но зависит от качества обслуживания Надежность высокая и почти не зависит от обслуживания
Звуковые эффекты Шум при работе, возможно гудение электромагнита Отсутствуют шумы

Продолжение табл. 4.3

Восприимчивость к искажениям сигнала управления   Практически невосприимчивы к искажениям сигнала управления приводом контактной системы Возможны ложные срабатывания, в том числе от случайных импульсных помех малой продолжительности
Размеры аппарата Компактные аппараты Размеры аппарата значительно больше, чем контактного аппарата (при одинаковой коммутационной способности)
Стоимость аппарата Стоимость контактных аппаратов относительно невысокая Стоимость бесконтактных аппаратов значительно выше в сравнении с контактными аппаратами; стоимость снижается благодаря совершенствованию технологии производства и увеличению масштабов выпуска

Наши рекомендации