Применение мощных полупроводниковых ключей в силовых схемах

Несмотря на то, что современные ключевые приборы не являются идеальными, не существует принципиальных ограничений для разработки высокоэффективных силовых устройств постоянного и переменного тока в самом широком диапазоне мощностей (от единиц ватт до десятков мегаватт). Мощные полевые транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором, обладая лучшими характеристиками с точки зрения коммутационных потерь, высоких скоростей переключения и стойкости к режимам перегрузки, практически вытеснили силовые биполярные транзисторы из традиционных областей их применения. Биполярные транзисторы применяются в импульсных источниках питания с рабочей частотой 20…60 кГц. В импульсных источниках с частотой преобразования 75…200 кГц и выходной мощностью от сотен ватт до единиц киловатт самое широкое применение находят в основном мощные МДП-транзисторы и дискретные типы высокочастотных IGBT.

Основными задачами улучшения энергетических показателей источников питания являются:

1. Уменьшение габаритных размеров и массы радиаторов силовых ключей за счёт повышения к.п.д. схемы.

2. Уменьшение массо-габаритных характеристик реактивных элементов преобразователя за счёт увеличения частоты преобразования.

3. Исключение из схемы низкочастотных трансформаторов.

Однако увеличение рабочей частоты преобразователя при близкой к прямоугольной форме тока и напряжения приводит к росту динамических потерь в ключах из-за рассеивания дополнительной энергии в паразитных индуктивностях и ёмкостях силовой схемы. Поэтому всё большее применение находят схемы электропитания, построенные на основе резонансных преобразователей, у которых силовые ключи коммутируются либо при нулевом токе, либо при нулевом напряжении, что уменьшает динамические потери и электрические перегрузки элементов преобразователя.

При выборе ключевых приборов в системах управления электродвигателями необходимо учитывать особенности нагрузки:

1. Индуктивный характер.

2. Наличие противонаправленной э.д.с. вращения.

3. Кратковременные, но многократные перегрузки по току.

4. Близость пусковых режимов к режиму короткого замыкания.

Запираемые тиристоры и биполярные транзисторы с изолированным затвором находят основное применение в энергетических установках высоковольтных линий передач постоянного тока, сверхмощных электроприводах и системах электрифицированного транспорта, где требуется преобразование мощности в сотни киловатт - единицы мегаватт.

Основными критериями, использующимися при выборе типа ключа для любого силового устройства являются:

1. Достаточные для получения требуемой мощности преобразования номинальные токи и напряжения.

2. Прямое падение напряжения в открытом состоянии.

3. Значения усилительных параметров, обеспечивающих эффективность ключевых свойств.

4. Времена переключения.

5. Энергия потерь и температура структуры.

6.

7.

,

*