Введение

Основная структура в силовой электронике

Коммутационная ячейка является основной структурой в силовой электронике. Она состоит из двух электронных ключей (в настоящее время – мощные полупроводниковые приборы, а не механические переключатели). Традиционно её называли "чоппером", но поскольку импульсные источники питания стали основной формой преобразования энергии, этот термин стал более распространенным. Назначение коммутационной ячейки – преобразовывать постоянный ток в прямоугольные импульсы переменного тока. Это делается для того, чтобы индуктор и конденсатор могли быть использованы в LC-цепи для изменения напряжения. В теории это процесс без потерь, а на практике достигается эффективность выше 80–90%. Выходной сигнал обычно проходит через фильтр для получения стабильного постоянного напряжения. Регулируя время включения и выключения (скважность) ключа в коммутационной ячейке, можно регулировать выходное напряжение. Этот базовый принцип лежит в основе большинства современных источников питания, от миниатюрных DC-DC преобразователей в портативных устройствах до крупных преобразовательных подстанций для передачи энергии постоянного тока высокого напряжения.

Структура коммутационной ячейки

Как упоминалось выше, коммутационная ячейка должна быть расположена между источниками напряжения и тока. В зависимости от состояния ячейки, оба источника либо соединены, либо изолированы. При изоляции источник тока должен быть закорочен, поскольку невозможно создать ток в разомкнутой цепи. Базовая схема коммутационной ячейки приведена на рисунке 3 (сверху). Она использует два переключателя с противоположными состояниями: в конфигурации, изображенной на рисунке 3, оба источника изолированы, а источник тока закорочен. Оба источника соединяются, когда верхний переключатель включен (а нижний выключен). Невозможно добиться идеальной синхронизации между переключателями. В какой-то момент во время коммутации они будут либо включены (тем самым замыкая источник напряжения на короткое замыкание), либо выключены (тем самым оставляя источник тока в разомкнутой цепи). Поэтому один из переключателей необходимо заменить диодом. Диод является естественным коммутирующим элементом, то есть его состояние контролируется самой схемой. Он включается или выключается в тот момент, когда это необходимо. Следствием использования диода в коммутационной ячейке является то, что она становится однонаправленной (см. рисунок 3). Двунаправленную ячейку можно построить, но она эквивалентна двум однонаправленным ячейкам, соединенным параллельно.

Коммутационная ячейка в конверторах

Коммутационная ячейка встречается в любом силовом электронном преобразователе. Некоторые примеры приведены на рисунке 4. Как видно, между средней точкой и одним из внешних выводов коммутационной ячейки всегда подключен "источник тока" (фактически контур, содержащий индуктивность), а к двум внешним выводам всегда подключен источник напряжения (или конденсатор, или последовательное соединение источника напряжения и конденсатора).