Користувач:Анатолий Довгалевский/Чернетка

ЕЛЕКТРОННІ КЛЮЧІ СИЛОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ

Ключі – це пристрої, які по черзі знаходяться в одному з двох крайніх станів: пропускання електричного струму або блокування напруги. (Це безумовна властивість усіх ключів). Крім того, певні ключі при зміні стану можуть або не можуть комутувати струм і/або напруга. (Особисті властивості).

Електронні ключі, на відміну від електричних, – це статичні (немеханічні, часто напівпровідникові) пристрої. Робота їх принципово заснована на прояві нелінійних властивостей матерії (напівпровідник, активний діелектрик, феромагнетик, іонізований газ) під впливом електричного, магнітного поля, випромінювання. (Так, наприклад, індуктивність, звичайний дросель – це електротехнічний компонент. А нелінійний дросель насичення – це вже електронний компонент, компонент електроніки, ключ).

Силові ключі призначені для імпульсного перетворення параметрів електроенергії, незалежно від потужності (мілівати або мегавати).

Можливі чотири варіанти поєднань вищевказаних особистих властивостей ключа, що дає чотири групи ключів, що відрізняються особливостями переходу ключа між двома його станами [1], [2].

Це ключі, які

1. комутують як струм, так і напругу (тобто мають активне розмикання та замикання, це ключі, типу звичайного транзистора або вакуумного тріода),

2. комутують тільки напругу (подібно тиристору, тиратрону),

3. комутують тільки струм (типу дуального тиристора),

4. ключі, що не мають можливості комутації і струму, і напруги, але мають замкнутий і розімкнений стан (як напівпровідниковий діод, і схожі з діодом, але одноквадрантні пасивні ключі).

Ключі першої групи обов'язково мають вхід (електрод) керування. З надходженням сигналів на вхід, ці ключі ініціюють в ланцюзі комутацію як струму, так і напруги. Т. ч. це активні ключі. Ключі другої та третьої та четвертої групи реагують на комутацію струму та/або напруги зовнішнього ланцюга своїм замиканням та розмиканням без надходження на них сигналів управління. Їх відносять до пасивних, самоврядних ключів.

Важливо відзначити, що імпеданс ключів може мати як резистивний характер (напівпровідник, вакуумна або газонаповнена лампа та ін), так індуктивний (дросель насичення), або ємнісний (конденсатор насичення) [3].

Ще однією особливістю електронних ключів силової електроніки є їхня робота на високій частоті, як правило, вища за частоту промислової мережі змінного струму, аж до мегагерц.

Важливими параметрами електронних ключів силової електроніки є малі втрати у статичному (квазістатичному) стані та динаміці. Це забезпечується низьким імпедансом у замкнутому стані, високим – у розімкнутому, та швидкістю перемикання. Зважаючи на значні статичні втрати електронні вакуумні лампи як керовані ключі та випрямлячі застосовуються обмежено, лише у разі екстремальних умов: напруги, температури, радіації тощо і т.п. Обмежено лише для комутації екстремальних напругі і струмів застосовуються і сучасні газорозрядні лампи (потужні тиратрони).

Деякі відомості про ключі всіх чотирьох груп зібрані до таблиці.

	ЕЛЕКТРОННІ КЛЮЧІ СИЛОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ
Назва групи	АКТИВНІ КЛЮЧІ (active switches, on-off-switches,)	Замикачі (connectors, On-make switches, turn-on switches)	РОЗМИКАЧІ (disconnectors, breakers, Off-make switches, turn-off switches)	ПАСИВНІ КЛЮЧІ (passive switches, zero on-, off-switches)
Початковий стан	Замкнуто, розімкнуто або проміжне, залежить від виду	Нормально-розімкнути, (високий імпеданс)*	Нормально-замкнуті, (Низький імпеданс) *	Замкнуто або розімкнуто, залежить від передісторії або зовнішніх умов*
Траєкторія робочої точки в координатах VI	Без обов'язкового заходу до точки V=0, I=0	З обов'язковим заходом до точки I=0	З обов'язковим заходом до точки V=0	З обов'язковим заходом точки V=0, I=0
Атрибутивний режим перемикань	Жорсткий, hard (або м'який, soft), але з неминучими втратами перемикання	Перемикання при нульовому струмі, Zero Current Switching (ZCS) Втрати розмикання дорівнюють нулю	Перемикання при нульовій напрузі, Zero Voltage Switching (ZVS) Втрати замикання дорівнюють нулю	Перемикання при нульових значеннях струму та напруги (ZCS and ZVS) Комутаційні втрати відсутні
Характерні властивості та особливості ключа	Зовнішнє керування замиканням та розмиканням при подачі сигналу на вхід керування	Самокероване розмикання при нулі струму, Самокероване замикання при пороговій напрузі (або при limit ∫Udt) на ключі. Зовнішнє керування замиканням ключа. Позитивна о. с. по струму, негативний опір, тригерний ефект**	Самокероване замикання при нулі напруги, Самокероване розмикання при пороговому струмі (або при limit ∫Idt) через ключ. Зовнішнє керування розмиканням ключа. Позитивна о. с. по напрузі, негативний опір, тригерний ефект**	Відсутність зовнішнього керування. Почергове Самокероване замикання та розмикання при нулі струму та напруги на ключі. Позитивна о. с. як за струмом, так і за напругою. **
Варіант ключа. Популярні ключі	Польові та біполярні транзистори, IGBT	Тиристор, симистор, TRIAC, тиратрон, дросель насичення, saturable inductor	Дуальний тиристор, конденсатор насичення, SOS-діод	Діод, РВД - диністор, що реверсно-включається [8]
* - це вихідний стан ключа у статичному режимі роботи, а також квазі-стан «динамічних» ключів після ініціації. ** - для "чистого" ключа на основі транзисторів, що утворюють тригер

Як видно з таблиці, ключі першої групи (Активні) працюють у жорсткому (hard switching) режимі з великими комутаційними втратами та великою миттєвою потужністю замикання та розмикання. У разі використання спеціальних демпферів (snubber) ці ключі функціонують у пом'якшеному (Soft Switching) режимі. Проте, навіть у своїй комутаційні втрати є принципово.

У ключів другої групи (Замикачі) принципово, атрибутивно відсутні втрати розмикання, бо перехід до розімкнутого (вихідного) стану відбувається, коли струм ключа стає рівним нулю.

У ключів третьої групи (Розмикачі) принципово, атрибутивно відсутні втрати замикання, бо перехід до замкнутого (вихідного) стану відбувається, коли напруга на ключі стає рівною нулю.

У ключів четвертої групи, по суті взагалі відсутні комутаційні втрати, оскільки зміна станів відбувається поперемінно, у моменти, коли струм ключа, і напруга стають рівними нулю.

Напівпровідникові ключі мають помітну паразитну ємність. Тому режим імпульсного перетворювача з перемиканням при нульовій напрузі (Zero voltage switching, ZVC) для більшості застосувань є кращим. Атрибутивним ключем цього режиму є ключі третьої групи, зокрема дуальний тиристор [4]. Перевага цих ключів полягає в тому, що вони не потребують управління замиканням (бо мають самоврядне замикання при зниженні напруги на них до нуля). Перевагою цих ключів є також самокероване розмикання при пороговому струмі, що забезпечує самозахист від перевантажень струмом.

Відомі різні реалізації дуального тиристора, в тому числі потужного монолітного, розробленого J.-L. Sanchez та інші. [5].

У другій та третій групах ключів виділено «чисті» ключі. Це ключі на основі двох, і більше транзисторів, охоплених позитивним зворотним зв'язком по струму або напрузі, що є, по суті, тригерами з гістерезисом. Зазначені ключі мають СТАТИЧНІ Вольт-амперні характеристики. У цих ключів є область з негативним опором, тобто вони є Негатронами [6]. Ці ключі мають атрибутивні властивості самокерування не тільки при нульових значеннях струму або напруги (відповідно, для другої і третьої групи), але і самокерованим замиканням при досягненні порогової напруги для тиристора, і розмиканням, при досягненні порогового струму, для дуального тиристора. Тому унікальною особливістю цих ключів є можливість створення найпростіших параметричних перетворювачів-автогенераторів з високими енергетичними характеристиками.

Інші ключі другої, третьої та четвертої груп набувають свої властивості лише в режимі перемикань, при якому в кожному такті роботи здійснюється їхня підготовка (активація, накачування). Тому вони мають не статичні, а квазістатичні ВАХ, що, втім, не заважає з успіхом використовувати їх в імпульсних перетворювачах.

Ключі другої групи (Замикачі) на основі індуктивності насичення (т. н. магнітний підсилювач, Magnetic amplifier) були першими статичними ключами, що забезпечують не тільки перетворення параметрів електроенергії, як ртутний випрямляч (1902 рік), а ще й керування. Вони з'явилися 1912 року, породивши цим саму Силову Електроніку на думку автора [3]. Цікаво, що такі ключі в схемах змінного струму можуть бути успішно замінені на інші ключі цієї ж групи, наприклад, на керовані газорозрядні лампи або тиристори, без помітної зміни функціонування самого перетворювача.

Напівпровідникові ключі (тиристори та т. п. ) вже давно витіснили з рядового використання ключі на базі індуктивності насичення типу Magnetic amplifier у мережах змінного струму. Разом з тим, індуктивні ключі (Magnetic switch, saturable inductor) досі не втратили своєї актуальності як ключі, які принципово мають значно менші фізичні обмеження з миттєвих значень напруги та струму, ніж напівпровідникові [7]. А тому вони незамінні у вихідних каскадах потужних генераторів імпульсів (magnetic pulse compression).

У третю групу ключів (Розмикачі) входять, у тому числі, і конденсатори, що насичуються (вариконди). Однак, в даний час вариконди як ключі не знайшли застосування через низькі електричні характеристики відомих сегнетоелектриків. Але схожі з варикондом властивості і, до того ж, з високими характеристиками має насичений p-n перехід напівпровідникового діода (і транзистора), при прикладанні до нього зворотної напруги [1]. Ключі на основі SOS-діодів належать до цієї групи. Зрозуміло, що властивості «розмикача» напівпровідникові діоди набувають лише динаміці (у режимі перемикань, після активації).

Ключі четвертої групи (Пасивні) можуть, на перший погляд, здатися марними, оскільки не можуть ні замкнути електричний ланцюг під напругою для забезпечення протікання струму, ні перервати протікання струму. Тим не менш, і вони з успіхом знаходять застосування, не тільки як допоміжні ключі в рекупераційних схемах демпфування, але і як основні (РВД), в потужних генераторах мікро секундного діапазону [8].

Зрозуміло, що ключі першої групи можуть, у принципі, працювати у будь-якому режимі функціонування імпульсного перетворювача (Hard-, Soft-Switching, ZCS, ZVS ). Але, по-перше, серед них не завжди є ключі з необхідними електричними характеристиками, а, по-друге, їм необхідно досить складне, синхронізоване з процесами в перетворювачі, зовнішнє управління, в той час як самокеровані ключі інших трьох груп цього не потребують.

Література:

[1] И.В. Волков., А.Ю. Довгалевский. «Систематизация и классификация ключей силовой электроники».// Технічна електродинаміка, тем. вип. „Проблеми сучасної електротехніки”, Част. 2, 2006, -с. 123-128.

[2] Магнитно-полупроводниковые импульсные устройства преобразовательной техники : [монография] / И. В. Волков, В. И. Зозулев, Д. А. Шолох; НАН Украины, Ин-т электродинамики. - Киев : Наук. думка, 2016. - 228, [1] c. - (Проект "Наук. кн."). - Библиогр.: с. 221-226 - рус., (см. Глава  3)

[3] Thomas G. Wilson, «The Evolution of Power Electronics» IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 15, NO. 3, pp. 439-446, MAY 2000

[4] Y. Cheron, «Soft Commutation», Springer Science & Business Media, 31 мая 1992 г. - Всего страниц: 233

[5] Sanchez J.-L, Breil M., Austin P., Laur J.-P., Jalade J.f ROUSSET В., Foch H., "A new high voltage integrated switch: the 'thyristor dual' function", International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, ISPSD'99, p. 157-160, Toronto, Canada, 26-28 May 1999.

[6] Николай ФИЛИНЮК «Негатроника. Исторический обзор», см. http://n-t.ru/tp/in/nt.htm

[7] Jaegu Choi «Introduction of the Magnetic Pulse Compressor (MPC) - Fundamental Review and Practical Application», Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol. 5, No. 3, pp. 484~492, 2010

[8] В.М. Тучкевич, И.В. Грехов. «Новые принципы коммутации больших мощностей», Л.: Наука, 1988, 177 с.