рис.1 Бустерная схема

Так называемое "жесткое" переключение коммутационных элементов возникает при коммутациях на индуктивную нагрузку. Активный импульсный корректор коэффициента мощности - именно тот самый случай "жесткой" коммутации. Принципиальная схема корректора коэффициента мощности приведена в книге "Силовая электроника". Чтобы читателю было удобнее, на рис.1 приведена схема силовой части корректора. Транзистор MOSFET работает в такой схеме на высокой частоте. На рис.2 показаны идеализированные формы тока и напряжения в данной схеме. Диод, использующийся в схемах корректоров, должен иметь высокое обратное напряжение при хороших динамических параметрах, поэтому иногда применяется метод последовательного включения более низковольтных диодов. Однако в таком случае может возникнуть неравное распределение напряжения по диодам, поэтому для выравнивания потенциалов используют RC-снабберы, включаемые параллельно каждому из диодов. В последнее время на рынке появились диоды с большим значением обратного напряжения (свыше 1200 В) при времени обратного восстановления, составляющем десятки наносекунд, что позволяет отказаться от последовательного соединения низковольтных диодов и исключить снабберы. Динамические характеристики схем, построенных с применением этих диодов, определяются только собственными характеристиками этих диодов.

рис.2 Диаграммы коммутационных сигналов

Первый момент, связанный с расчетом схемы, связан с определением тепловых потерь элементов и обеспечению допустимой температуры p-n переходов. Дело в том, что (как было сказано в книге) диод, проводящий электрический ток, нуждается в определенном времени, чтобы восстановить свои запирающие свойства. Пока p-n-переходу не будет передан определенный заряд Qrr, называемый зарядом обратного восстановления, диод будет вести себя как проводник, через который будет протекать электрический ток в обратном направлении. Естественно, что ток обратного восстановления Irrm добавится к току индуктивного элемента (току нагрузки) IL, поэтому ток через транзистор MOSFET будет составлять сумму токов Irrm+IL. Это отражено на рис.2. Как мы знаем, на выходе бустерной схемы имеется конденсатор, напряжение на котором имеет значение Vout. Естественно, низкое сопротивление диода и включенного транзистора создают большой ток и большие мгновенные перегрузки. Поскольку процесс этот повторяется с частотой fsw (рабочей частотой), динамические коммутационные потери добавляются к другим потерям. Температура кристалла транзистора и диода полупроводника растет с повышением fsw, что в конечном итоге приводит к существованию предельных частот, при которых данные компоненты могут быть использованы.

Как читателю хорошо известно, с повышением частоты преобразования уменьшаются габариты пассивных элементов - катушек индуктивности и конденсаторов. Естественно, разработчик заинтересован разработать аппаратуру с минимальными массогабаритными показателями, поэтому он вынужден повышать частоту преобразования, учитывая граничную частоту коммутации. Полные тепловые потери могут быть значительно сокращены при уменьшении времени обратного восстановления диода, а это невозможно реализовать методами схемотехники - здесь вступает в силу технология производства полупроводниковых элементов.

Оценка коммутационных потерь может быть выполнена с помощью следующей методики.
Энергия (Дж), рассеиваемая на этапе обратного восстановления диода:

рис.3 Аппроксимация характеристики реального диода

1 Выбор диодов для импульсных высокочастотных схем однозначно зависит от частоты работы импульсного устройства. На низких частотах обычно преобладают так называемые потери на открытых переходах (статические потери), на высоких частотах начинают преобладать динамические потери (потери коммутации).
2 Определяющим в технологии выбора диода является температура его кристалла. Снижение этой температуры достигается разработчиком при помощи выбора соответствующего типономинала диода и проектирования радиатора. Разработчики элементной базы улучшают динамические характеристики кристаллов диодов и снижают тепловые сопротивления "переход-корпус". Различные фирмы решают этот вопрос по-разному, и мы не будем останавливаться на технологических производственных особеннстях.

Мы рассмотрим способ выбора оптимального диода на примере продукции фирмы IXYS. Естественно, продукция других фирм имеет близкие параметры, поэтому методика может быть аналогичной. Рассматриваем схему однофазного корректора коэффициента мощности, которая получает питание от сети 230 В переменного тока при выходном токе 7 А (среднеквадратическое значение, RMS) и выходной мощности 1,6 кВт. Чтобы упростить вычисления, форма тока принята прямоугоьной с коэффициентом заполнения D=0,5 и пиковой амплитудой (Ipeak) 10 А. Среднеквадратическое и пиковое значения связаны формулой:

Таблица 1
If=10 А, Vr=400 В, di/dt=100 А/мкс, Tj=150 C
Тип диода	Vf, В	Irm, А	ta, нс	tb, нс
DSEP 8-06A	1,24	15	37	43
DSEP 9-06CR	3,09	10	28	11
DSEP 30-06B	0,99	19	47	20

На рис.4 показана зависимость общих потерь от частоты переключения для трех типов диодов, приведенных в таблице 1. На рис.5 - зависимость температуры кристалла от частоты переключения. Самый большой диод (с максимальным размером кристалла) типа DSEP 30-06B требует наименьшего охлаждения, поэтому такой прибор (достаточно крупногабаритный и дорогой) разумнее использовать там, где ожидается высокая температура окружающей среды и возникают проблемы с дополнительным охлаждением. Диод DSEP 9-06CR, состоящий из нескольких последовательно соединенных диодов, превосходит меньший по быстродействию одиночный диод DSEP 8-06A на частотах выше 80 кГц. Наименее дешевый эффект ожидается от применения диода DSEP 8-06A.

рис.4 Зависимость общих потерь от частоты переключения

рис.5 Зависимость температуры кристалла от частоты переключения

Интересно также отметить, что некоторые диоды с большим временем обратного восстановления в этой фазе ведут себя подобно колебательным контурам. Это может стать большой проблемой в связи с обеспечением электромагнитной совместимостью прибора (будут излучаться высокие помехи). Данный характер восстановления показан на рис.6. На рис.7 показаны формы кривой тока обратного восстановления для рассматриваемых диодов. Хорошо видно, что DSEP 9-06CR обладает более мягкой характеристикой обратного восстановления.

рис.6 Колебательный процесс при обратном восстановлении	рис.7 Обратное восстановление разных диодов

Итак, нам удалось установить, что выбор конкретного типа диода зависит от частоты переключения. В низкочастотном диапазоне одиночные диоды обладают наиболее предпочтительными характеристиками из-за их минимальных статических потерь. В диапазоне средних частот разработчик должен выбрать подходящий диод, руководствуясь различными критериями. Если ставится задача удешевления изделия, необходимо провести сравнение одиночных и последовательных диодов. Высокая температура окружающего воздуха или недостаточная способность охлаждения ведут к выбору крупногабаритного диода с хорошей характеристикой теплопередачи. Высокий КПД схемы достигается при использовании последовательно включенных диодов с хорошими динамическими параметрами.