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 |