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 предмет электроники, электронный компонент, 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 (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 базирующаяся на операционном определении ключа через его действия в цепи (коммутационные процессы ), убирает "зоопарк приборов". Она основывается на способности ключей либо инициировать коммутацию электричества (ток/напряжение), либо реагировать своим переключением на изменение параметров (ток/напряжение) цепи. Ключ выступает неразрывным компонентом электрической цепи. Ключ может проявлять себя пассивно, когда самоуправляемо, под действием процессов в цепи, меняет своё 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 . 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, ёмкость 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 своё 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 четвёртой 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 может иметь как резистивный характер (полупроводник, вакуумная или газонаполненная лампа, и др.), так индуктивный (дроссель насыщения, Saturable reactor), или ёмкостной (конденсатор насыщения — Вариконд, и полупроводниковый диод, с диффузионной и барьерной ёмкостями p-n-перехода). См. рисунок (кликнув по нему, можно прочитать пояснение):

Ещё 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 четырёх групп собраны в таблицу: ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИНазвание группыАКТИВНЫЕ КЛЮЧИ (active switches, on-off- switches,)ЗАМЫКАТЕЛИ (turn-on switches)РАЗМЫКАТЕЛИ ( turn-off switches)ПАССИВНЫЕ КЛЮЧИ (passive switches, zero on- off- switches)Отображение принципа работы электронного ключа   Исходное состояниеЗамкнут или разомкнут, зависит от видаНормально-разомкнут, (высокий импеданс)*Нормально-замкнут, (низкий импеданс)*Замкнут или разомкнут, зависит от предыстории и внешних условий*Траектория рабочей точки в координатах V—IБез обязательного захода в точку V=0, I=0С обязательным заходом в точку I=0С обязательным заходом в точку V=0С обязательным заходом в точки V=0, I=0Атрибутивный режим переключенийЖёсткий, hard или мягкий, soft, но с неизбежными потерями переключенияПереключение при нулевом токе, Zero Current Switching (ZCS) Потери размыкания равны нулюПереключение при нулевом напряжении, Zero Voltage Switching (ZVS) Потери замыкания равны нулюПереключение при нулевых значениях тока и напряжения (ZCS and ZVS) Коммутационные потери отсутствуютУсловная траектория рабочей точкиХарактерные диаграммы переключенияХарактерные свойства и особенности ключаВнешнее управление замыканием и размыканием при подаче сигнала на вход управленияСамоуправляемое размыкание при нуле тока, самоуправляемое замыкание при пороговом напряжении (или при limit ∫Udt) на ключе. Внешнее управление замыканием ключа. Положительная о.с. по току, отрицательное сопротивление, триггерный эффект**Самоуправляемое замыкание при нуле напряжения, самоуправляемое размыкание при пороговом токе (или при limit ∫Idt) ключа. Внешнее управление размыканием ключа. Положительная о.с. по напряжению, отрицательное сопротивление, триггерный эффект**Отсутствие внешнего управления. Поочередное самоуправляемое замыкание и размыкание при нуле тока и напряжения на ключе. Вариант ключа. Популярные ключиПолевые и биполярные транзисторы, IGBT, GTO, электровакуумный триод Тиристор, симистор, TRIAC, тиратрон, дроссель насыщения, saturable inductorДуальный тиристор, конденсатор насыщения, SOS-, SRD-диод, Лямбда-диод, Circiut-Breaker Диод, РВД — реверсивно-включаемый динистор * —  это исходное состояние ключа в статическом режиме работы, а также квази-состояние «динамических» ключей после инициации. ** — для ключа на основе транзисторов, образующих триггер Активные ключи ИНИЦИИРУЮТ коммутацию в преобразователе, в то время как пассивные ключи РЕАГИРУЮТ на происходящую в цепи коммутацию .

Ключи первой группы (Активные) работают в жёстком (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 приведённая к ключу ёмкость схемы не позволяет мгновенно снизить напряжение на ключе, и даже небольшое снижение напряжения вызывает всплеск тока. А в момент размыкания из точки On приведённая 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.

Самоуправляемаяя коммутация Замыкателей и Размыкателей не сопровождается потерями. "Легко ограничить потери также и при управляемой коммутации, с помощью последовательного дросселя для режима ZCS, и параллельного конденсатора для режима ZVS. Эти реактивные элементы (демпферы) естественным образом отдадут накопленную энергию (рекуперируют) при следующей коммутации, которая будет самоуправляемой." . То есть не сложно обеспечить одновременно режим ZVS/ZCS и Soft switching, без необходимости рассеяния энергии демпферов-снабберов в резисторах.

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 (четвёртый вариант) совпадает с осями координат .

У ключей четвёртой 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 ёмкость. 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 . 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  , .

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

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 .