4.1.3 Область безопасной работы и защита ключей

Область допустимых значений электрических параметров ключа, при которых он может работать без повреждения, называется областью безопасной работы (ОБР). Эта область ограничивается пре­дельными значениями тока, напряжения и допустимой мощности потерь ключа, которые определяются электронными и тепловыми процессами, протекающими в конкретном приборе с учетом условий его эксплуатации. Иногда эту область называют областью максимальных режимов.

Общепринятым является графическое изображение этой области в прямоугольных координатах, по оси ординат которых откладывается ток ключа, а по оси абсцисс – напряжение.

На рис. 4.1.2 представлена область безопасной работы ключа, ограниченная допустимыми значениями I_S, U_S, и Р_S. ОБР ограничена тремя линейными участками: аб – предельным значением тока I_{S max}, бв – предельной мощностью потерь P_{S max}, и вг – предельным значением напряжения U_{S max}.

Рис. 4.1.2 Область безопасной работы ключа

Границы ОБР зависят от длительности включенного состоя­ния и частоты коммутации ключа. Например, граница ОБР при редких импульсах включения будет проходить выше границы при длительных включениях (на рис. 4.1.2 эта граница показана штриховой линией).

По определению ОБР мгновенные значения u_S и i_S ключа в любой момент времени во всех режимах работы, включая процесс коммутации, не должны выходить из области ОБР. Это значит, что статические и динамические ВАХ ключа должны находиться внутри ОБР. В противном случае надежная работа ключевого прибора будет невозможна. Наличие емкостей в коммутируемых цепях приводит к существенному всплеску тока, а при включении индуктивностей – к всплеску напряжения при выключении. Поэтому для надежной работы ключа необходимо обеспечить соответствие динамической ВАХ и ОБР.

Так как динамическая ВАХ представляет собой траекторию переключения ключа в координатах i_S и u_S , то включение дополнительных элементов в целях изменения динамической ВАХ можно рассматривать как формирование желаемой (в соответствии с ОБР) траектории переключения. Совокупность элементов, введенных для формирования желаемой траектории переключения, называется цепью формирования траектории переключения (ЦФТП). Таким образом, ЦФТП является устройством защиты ключа в динамических работы.

Схемотехника ЦФТП определяется типом полупроводникового прибора, а также топологией и параметрами коммутируемой цепи. Основой ЦФТП являются реактивные элементы емкостного или индуктивного характера. Это обусловлено тем, что конденсатор способен ограничивать значение и скорость нарастания напряжения на ключе в процессе коммутации, а индуктивность – значение и скорость изменения коммутируемого тока. При этом реактивные элементы поглощают энергию за время коммутации. Эта энергия рассеивается в активных элементах ЦФТП, либо возвращается в источник или цепь нагрузки.

На рис. 4.1.3 представлены упрощенные схемы ЦФТП. Схемы а) и в) используются для формирования требуемых ВАХ при коммутации активно-емкостной нагрузки. Соответствующие динамические ВАХ в схеме с ЦФТП и без неё представлены на рис. 4.1.3., б,г.

Рис. 4.1.3. Цепи формирования траектории переключения

Обычно применяются цепи формирования траектории переключения с более сложными схемотехническими решениями, что позволяет сформировать требуемые ВАХ как при включении, так и при выключении силовых электронных ключей.