Электронные ключи силовой электроники

Силовые электронные ключи — это элементы электрической цепи, предназначенные для работы в двух устойчивых состояниях проводимости: Замкнуто/Разомкнуто. Переход между состояниями осуществляется либо внешним управляющим сигналом, либо самоуправляемо, как реакция ключа на изменение электрических параметров (ток, напряжение) цепи.

Электронные ключи, в отличие от электрических — это статические (немеханические, часто твердотельные полупроводниковые) устройства. Работа их принципиально основана на проявлении нелинейных свойств материи (полупроводник, активный диэлектрик, ферромагнетик, ионизированный газ) при воздействии электрического, магнитного поля, излучения. (Так, например, индуктивность, обычный дроссель — это электротехнический компонент, основная роль которого заключается в накоплении и передаче энергии. В то время как нелинейный дроссель насыщения — это уже электронный компонент, компонент электроники, индуктивный ключ, который, в идеале, энергию не накапливает).

Силовые ключи предназначены для импульсного преобразования параметров электроэнергии, не зависимо от мощности (милливатты или мегаватты).

Традиционная антропоцентричная классификация [13] (с разделением ключей на управляемые, частично-управляемые и неуправляемые) помещает разные по режимам переключения ключи в одну и ту же группу, не находит места новым ключам, и не замечает связи между свойствами ключей и коммутационными режимами (hard switching, soft switching, ZVS-, ZCS- mode).

Классификация [1] базируется на физике коммутационных процессов в цепи, и основывается на способности ключей либо инициировать коммутацию тока/напряжения, либо реагировать на изменение параметров (ток/напряжение) внешней цепи. Ключ в ней выступает неразрывным компонентом электрической цепи. Ключ может проявлять себя пассивно, когда самоуправляемо, под действием процессов в цепи, меняет свое состояние, завершая этим коммутацию, и, с другой стороны, своим переключением может инициировать и активно начать новую коммутацию. Ключ определён траекторией рабочей точки в координатах: Напряжение-Ток. В классификации [1, 2] ключи объединяются не по сходству внешнего управления, а по подобию траекторий переключения в электрической цепи. А потому в одну группу помещены, например, столь непохожие внешне ключи, как динистор и дроссель насыщения (магнитный ключ), которые имеют сходство коммутационных режимов и взаимозаменяемость в электрических схемах.

Для ключей возможны четыре варианта сочетаний атрибутов функционирования (Замыкание/Разомыкание и Управление/Самоуправление) (turn-on/turn-off и Controlled/Self-Controlled), что разделяет ключи на четыре группы, отличающееся особенностями перехода ключа между его двумя состояниями [1]. Это иллюстративно подтверждается четырьмя исчерпывающими (возможными и независимыми) траекториями переключения в электрических цепях. А потому, все уже созданные электронные ключи и те, которые будут созданы, попадают в хотя бы одну из указанных групп.

Это четыре группы ключей, которые

1. коммутируют как ток, так и напряжение (то есть производят размыкание и замыкание цепи, это активные ключи, типа обычного транзистора или вакуумного триода),

2. коммутируют только напряжение, но не могут прервать ток (тиристоры, тиратрона, индуктивности насыщения), это ЗАМЫКАТЕЛИ,

3. коммутируют только ток, но не способны замкнуться, находясь под напряжением (дуальный тиристор, емкость насыщения), это РАЗМЫКАТЕЛИ,

4. ключи, без способности управлять потоком электричества, т.е. полностью пассивные элементы, которые не коммутируют ни ток, ни напряжение, но имеют замкнутое и разомкнутое состояния (как полупроводниковый диод, и схожие с диодом, но одноквадрантные пассивные ключи, которые формально изменяют свое состояние при нулевых условиях, то есть при К.З. ключа внешней цепью, либо при Х.Х. ).

Ключи первой группы обязательно имеют вход (электрод) управления. С поступлением сигналов на вход, эти ключи инициируют коммутацию как тока, так и напряжения в цепи. Т.о. это полностью активные ключи. Ключи второй и третьей и четвертой группы реагируют на эволюции тока и/или напряжения во внешней цепи своим замыканием и размыканием без поступления на них сигналов управления. Их относят к активно/пассивным, самоуправляемым ключам.

Импеданс ключей [3] может иметь как резистивный характер (полупроводник, вакуумная или газонаполненная лампа, и др.), так индуктивный (дроссель насыщения, Saturable reactor), или емкостной (конденсатор насыщения — Вариконд, и полупроводниковый диод, с диффузионной и барьерной емкостями p-n-перехода). См. рисунок (кликнув по нему, можно прочитать пояснение):

Еще одной особенностью электронных ключей силовой электроники является их работа на высокой частоте, как правило, выше частоты промышленной сети переменного тока, вплоть до мегагерц.

Важными параметрами электронных ключей силовой электроники являются малые потери в статическом (квазистатическом) состоянии и в динамике. Это обеспечивается низким импедансом в замкнутом состоянии, высоким — в разомкнутом, и быстротой переключения. Ввиду значительных статических потерь электронные вакуумные лампы в качестве управляемых ключей и выпрямителей применяются ограниченно, лишь в случае экстремальных условий: напряжения, температуры, радиации и т. п. Ограниченно, лишь для коммутации экстремальных напряжений и токов применяются и современные газоразрядные лампы (мощные тиратроны).

Некоторые сведения о ключах всех четырех групп собраны в таблицу:

Активные ключи ИНИЦИИРУЮТ коммутацию в преобразователе, в то время как пассивные ключи РЕАГИРУЮТ на произошедшую в цепи коммутацию [10].

Ключи первой группы (Активные) работают в жестком (hard switching) режиме (см. Таблицу) с большими коммутационными потерями и большой мгновенной мощностью замыкания и размыкания. Это демонстрирует "Условная траектория рабочей точки" в таблице. В момент замыкания ключа из точки Off приведенная к ключу емкость схемы не позволяет мгновенно снизить напряжение на ключе, и даже небольшое снижение напряжения вызывает всплеск тока. А в момент размыкания из точки On приведенная к ключу индуктивность вызывает всплеск напряжения. Диаграмма переключения показывает наличие значительного тока и напряжения (а, значит, потерь энергии) на интервале переключения. В случае использования специальных демпферов (snubber, Снабер), эти ключи функционируют в смягченном (Soft Switching) режиме. Однако, даже при этом коммутационные потери имеются принципиально.

У ключей второй группы (Замыкатели) принципиально, атрибутивно отсутствуют потери размыкания, ибо переход к разомкнутому (исходному) состоянию происходит самоуправляемо, когда ток ключа становится равным нулю (ZCS- mode).

У ключей третьей группы (Размыкатели) принципиально, атрибутивно отсутствуют потери замыкания, ибо переход к замкнутому (исходному) состоянию происходит самоуправляемо, когда напряжение на ключе становится равным нулю (ZVS-mode). Траектория переключения подобна предыдущей, но отличается направлением (тут по часовой стрелке) движения. Это и есть проявление дуальности.

Четыре рисунка траекторий переключения  демонстрируют все четыре возможных варианта переключения, а именно, когда траектория лежит между осями абсцисс и ординат, как для первого случая ( I≠0, U≠0), так и когда траектория частично или полностью (четвертый вариант) совпадает с осями координат [1].

У ключей четвертой группы (пассивные), по сути вообще отсутствуют коммутационные потери, поскольку смена состояний происходит попеременно самоуправляемо, в моменты, когда и ток ключа, и напряжение становятся равными нулю. Это режим естественной коммутации, присущий также (частично) и ключам второй и третьей группы.

Полупроводниковые ключи имеют заметную паразитную емкость. Потому режим импульсного преобразователя с переключением при нулевом напряжении (Zero voltage switching, ZVC) для большинства применений является предпочтительным. Атрибутивным ключом этого режима являются ключи третьей группы, в том числе, дуальный тиристор [4]. Преимущество этих ключей состоит в том, что они не нуждаются в управлении замыканием (так как имеют самоуправляемое замыкание при снижении напряжения на них до нуля). Вторым достоинством этих ключей является самоуправляемое размыкание при пороговом токе, то есть самозащита от перегрузок по току. Вышеуказанные свойства неизбежно появляются у ключа, составленного из транзисторов с положительной обратной связью по напряжению между ними, например, комплементарных, нормально-замкнутых, как  [11], [12].

Известны различные реализации дуального тиристора, например, как мощный монолитный твердотельный ключ [5], в том числе Circuit Breaker [12].

Во второй и третьей группах ключей выделены «чистые» ключи. Это ключи на основе двух, и более транзисторов, охваченных положительной обратной связью по току или напряжению, являющиеся, по сути, триггерами с гистерезисом. Указанные ключи имеют СТАТИЧЕСКИЕ Вольт-Амперные Характеристики. В ВАХ этих ключей есть область с отрицательным сопротивлением, Negative resistance, NDR, то есть они являются Негатронами [6].

Эти ключи обладают атрибутивными свойствами самоуправления не только при нулевых значениях тока или напряжения (соответственно, для второй и третьей группы это возврат к исходному состоянию), но и самоуправляемым замыканием при достижении порогового напряжения для тиристора, и размыканием, при достижении порогового тока, для дуального тиристора. Уникальной особенностью указанных двух ключей (а это S- и N- негатроны, соответственно) является возможность создания на них крайне простых силовых ключевых L-C автогенераторов-инверторов с высокими энергетическими характеристиками.

Остальные ключи второй, третьей и четвертой групп приобретают свои свойства лишь в режиме переключений, при котором в каждом такте работы осуществляется их подготовка (активация, накачка). Потому они имеют не статические, а квази-статические ВАХ, что, впрочем, не мешает с успехом использовать их в импульсных преобразователях.

Ключи второй группы (Замыкатели) на основе индуктивностей насыщения (т. н. магнитный усилитель, Magnetic amplifier) были первыми статическими ключами, обеспечившими управление, а не только преобразование параметров электроэнергии, как ртутный выпрямитель (1902 год). Они появились в 1912 году, породив этим саму Силовую Электронику,Thomas G. Wilson [3]. Такие ключи в схемах переменного тока могут быть с успехом заменены на другие ключи этой же группы, например, на управляемые газоразрядные лампы или тиристоры, без какого-либо заметного изменения функционирования самого преобразователя [2].

Полупроводниковые ключи (тиристоры и т. п.) уже давно вытеснили из рядового использования ключи на основе индуктивности насыщения типа Magnetic amplifier в сетях переменного тока. Вместе с тем есть сведения [9] об эффективности использования магнитных ключей (магнитных усилителей) на повышенных частотах в регуляторах многоканальных источников вторичного питания с сильноточными низковольтными регулируемыми каналами. Кроме того, индуктивные ключи (Magnetic switch, saturable inductor) до сих пор не потеряли своей актуальности, как ключи, принципиально имеющие значительно меньшие физические ограничения по мгновенным значениям напряжения и тока, нежели полупроводниковые [7]. А потому они незаменимы в выходных каскадах генераторов мощных импульсов (magnetic pulse compression).

В третью группу ключей (Размыкатели) входят, в том числе, и насыщающиеся конденсаторы (вариконд). В настоящее время вариконды в качестве ключей не нашли применения из-за низких электрических характеристик известных сегнетоэлектриков. Но схожие с варикондом свойства и, вдобавок, с высокими характеристиками имеет насыщенный p-n переход полупроводникового диода (и транзистора), при прикладывании к нему запирающего напряжения [1]. Ключи на основе SOS, SRD-диодов относятся к этой группе. Свойства силового ключа, «размыкателя», p-n переход полупроводниковых диодов приобретает лишь в динамике (в режиме переключений, после активации).

Ключи первой группы имеют электромеханический аналог, это рубильник, тумблер. Электрические реле с самоблокировкой (самоподхватом) функционально являются электромеханическими аналогами ключей второй и третьей группы.

Ключи четвертой группы (Пассивные) могут, на первый взгляд, показаться бесполезными, поскольку не могут ни закоротить электрическую цепь под напряжением для обеспечения протекания тока, ни прервать протекание тока. Тем не менее, и они с успехом находят применение в мощных генераторах микросекундного диапазона (РВД), [8].

Понятно, что ключи первой группы могут, в принципе, работать в любом режиме функционирования импульсного преобразователя (Hard-, Soft- Switching, ZCS, ZVS и т. д.). Но, во-первых, среди них не всегда имеются ключи с необходимыми электрическими характеристиками, а, во-вторых, им необходимо достаточно сложное, синхронизированное с процессами в преобразователе, внешнее управление, в то время как самоуправляемые ключи остальных трех групп часто не нуждаются в таковом.

Литература

[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.

[9] Силовая электроника : учебник для вузов / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк. 2-е изд., стереотипное. — М. : Издательский дом МЭИ, 2009. — 632 с.: ил. (Раздел 6.5.2. Магнитно-полупроводниковые регуляторы, стр. 338-342).

[10] H.Foch, P.Marty, J.Roux, «The use of duality rules in the conception of transistorized converters.», PCI Proceedings, Munich 1980, pp4B3 1-11.

[11], Гото К. Лямбда-диод - многофункциональный прибор с отрицательным сопротивлением/ К. Гото, И. Хитоо, Т. Хиромицу, Т. Ивао // Электроника. -1975.-№13.- С.48-53.

[12] https://www.iisb.fraunhofer.de/content/dam/iisb2014/en/Documents/Research-Areas/Technology_and_Manufacturing/Monolithically-Integrated-SiC-Circiut-Breaker_Product-Sheet_1V1_WWW.pdf

[13] Mohan, N., Undeland, T. M., & Robbins, W. P. (2002). Power electronics: Converters, applications, and design (3rd ed.). Wiley.

Mohan N., Undeland T. M., Robbins W. P. Power Electronics: Converters, Applications, and Design. — 3rd ed. — Wiley, 2003.