Типичные характеристики тока и напряжения / нагрузки силового полупроводника при мягкой коммутации

Другой возможностью уменьшить потери в силовых электронных ключах является мягкая коммутация. Реальная работа силовых электронных ключей в ZVS-режиме (ключ с нулевым напряжением) или ZCS-режиме (ключ с нулевым током) называется «мягкая коммутация» (см. п. 0).

Разнообразие схем преобразователей, которые работают по такому принципу, основаны в основном на резонансной или квазирезонансной технологии.

ZVS:

• процесс коммутации начался при активном выключении, потери уменьшены параллельным подключением к ключу коммутационной емкости С_К,
• заканчивается процесс коммутации пассивным включением с малыми потерями и напряжением на ключе v_s 0;
• минимизирована коммутационная индуктивность L_K.

ZCS:

• процесс коммутации начался при активном включении, потери уменьшены последовательным подключением коммутационной индуктивности L_К к ключу,
• заканчивается процесс коммутации пассивным выключением с малыми потерями и током через ключ i_s 0;
• минимизирована коммутационная емкость C_K.

Соответствующие схемы коммутации смотрите в п. 0.

Мягкая коммутация базируется на условии, что только один коммутационный процесс - индуктивная ZCS или емкостная коммутация ZVS - происходит в преобразователе. При таком ограничении нужно допустить потерю одной из возможностей управления, по сравнению с жесткой коммутацией.

Мягкая коммутация может осуществляться, только если полярность управляемого напряжения коммутации v_K или выходной коммутируемый ток i_L противоположны между двумя процессами коммутации одного типа. В случае обратной полярности напряжения коммутации, инверсное напряжение приложено к ключу в закрытом состоянии. В случае обратной полярности тока, инверсный ток протекает через ключ в открытом состоянии.

Выпускаемые IGBT, MOSFET и диоды были разработаны и оптимизированы только для условий жесткой работы, с похожими особенностями характеристик. С другой стороны, всесторонние испытания за последние несколько лет ([433], [44]) показали, что разные структуры и технологии компонентов при мягкой коммутации ведут себя по-разному в большинстве аспектов (см.п. 3.8.3.3). Однако эти отличия не различимы пользователем по обычным справочным данным.

На рис.3.79 представлен пример системы преобразователя с малыми потерями, ZVS и ZCS, включая ВЧ трансформатор, функции которого пригодятся в фотоэлектронике, при заряде аккумуляторов или ИБП-устройствах.

Система состоит из ZVS DC/AC преобразователя, ВЧ ферритного трансформатора и ZCS циклоконвертора, который способен преобразовать ВЧ переменное напряжение трансформатора (напр. 20 кГц, трапециидальное) в низкочастотное напряжение (напр. 50 Гц, синусоидальное). Времясдвигающие переменные ключи ZVS и ZCS гарантируют постоянную мягкую коммутацию в системе.

На рис.3.80 показаны типичные характеристики тока и напряжения а также нагрузка ZVS и ZCS на этом примере преобразователя.

ZVS (ключ S1), 1 направление напряжения, 2 направления тока:

1. Пассивное включение ZVS (диод) всегда без потерь при условии v_s 0 в момент t2 (конец емкостного процесса коммутации из S2 к S1),
2. Обратное направление тока в ZVS между t₃ и t₄, из-за процесса коммутации в циклоконвертере. Ток ключа, который поступает из диода, подается в непараллельные IGBT, которые уже готовы его принимать - т.е. затвор включен - с di/dt, определенной внешними цепями. Потери мощности в IGBT вызваны процессом модуляции проводимости.
3. Активное выключение ZVS (IGBT) в момент t₆: при этом потери мощности уменьшены эффективностью параллельной коммутационной емкостью СК (быстрая коммутация тока к С_К и ограничение dv_CE/dt).

Рис. 3.79. Система преобразователя с ZVS и ZCS [49]

Рис. 3.80. Типичные характеристики для схемы на рис.3.79 [49]

ZCS (ключ S5), 2 направления напряжения, 1 направление тока:

1. Активное включение ZCS (IGBT) в момент t₃: при этом потери мощности уменьшены эффективностью последовательной коммутационной индуктивностью L_К (в этом случае внутренняя индуктивность трансформатора; быстрая коммутация напряжения к L_К и ограничение di/dt).
2. Пассивное выключение ZCS сопровождается коммутационными потерями при обратном восстановлении di/dt последовательного диода в момент t₉. Ток в связанном IGBT падает до нуля. В этот момент потерь при коммутации в IGBT не происходит.
3. Обратное направление напряжения в ZCS между t₁₁ и t₁₃, из-за процесса коммутации в DC/AC преобразователе: напряжение на ключе, которое поступает из последовательно включенного с IGBT диода, подается с dv/dt, определенной преобразователем. Потери мощности в IGBT вызваны процессом разряда сохраненного в n^--ячейке заряда. Потери в основном определены разностью времени t_H (вызванное время выхода из синхронизма) а также временем жизни носителей заряда. Если время выхода из синхронизма очень мало, возникновение потерь можно сравнить с мощностями, рассеиваемыми при хвостовом токе и жесткой коммутации.