
- •Электроника
- •Силовая электроника
- •Предисловие
- •Тема 1. Элементная база силовой электроники 25
- •Тема 2. Управление силовыми полупроводниковыми
- •Тема 3. Методы и схемы защиты полупроводниковых
- •Тема 4. Применение мощных полупроводниковых
- •Предисловие
- •Развитие полупроводниковых ключей
- •Тема 1. Элементная база силовой электроники
- •1.1 Транзисторы
- •1.1.1 Основные виды силовых электронных ключей
- •1.1.2. Силовые биполярные транзисторы
- •1.1.3. Мощные мдп-транзисторы
- •1.1.4. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (igbt)
- •1.1.5. Статические индукционные транзисторы
- •1.2. Тиристоры
- •1.2.1. Однооперационные тиристоры
- •1.2.2. Запираемые тиристоры
- •1.2.3. Индукционные тиристоры
- •1.2.4. Полевые тиристоры
- •1.2.5. Модули силовых электронных ключей.
- •1.2.6 Элементная база и типовые узлы систем управления
- •1.2.7. Формирователи импульсов управления
- •1.2.8. Микропроцессоры в системах управления
- •Тема 2. Управление силовыми полупроводниковыми
- •2.1. Функции и структура систем управления преобразователями
- •2.2. Основные типы формирователей импульсов управления
- •2.3. Формирователи импульсов управления с совместной передачей энергии и формы управляющего сигнала
- •2.3.1. Трансформаторные фиу биполярных транзисторов
- •2.3.2. Трансформаторные фиу для ключей с изолированным затвором
- •2.3.3. Трансформаторные фиу тиристоров
- •2.4. Формирователи импульсов управления с раздельной передачей питания и информационного сигнала
- •2.4.1. Потенциальная развязка информационного сигнала
- •2.4.2. Драйверы силовых транзисторов
- •2.4.3. Подключение драйверов к входным цепям силовых транзисторов
- •2.4.4. Драйверы тиристоров
- •2.5. Источники питания драйверов
- •Тема 3. Методы и схемы защиты полупроводниковых ключей
- •3.1. Основные виды перегрузок по напряжению и току
- •3.2. Методы защиты от помех
- •3.3. Защитные цепи силовых ключей
- •3.3.1. Цепи формирования траектории рабочей точки транзисторов
- •3.3.2. Защитные цепи тиристорных ключей
- •3.3.3. Защитные цепи силовых модулей
- •3.4. Защита силовых ключей от режимов короткого замыкания
- •3.5. Силовые ключи с интегрированной системой защиты
- •Тема 4. Приминение мощных полупроводниковых ключей в силовых схемах
- •4.1. Основные области применения ключевых приборов
- •4.2. Типовые схемы транзисторных ключей
- •4.2.1. Ключ на биполярном транзисторе
- •4.2.2. Ключ на мощном мдп-транзисторе
- •4.2.3. Ключ на биполярном транзисторе с изолированным затвором
- •4.2.4. Ключ на статическом индукционном транзисторе
- •4.3. Тиристорные ключи
- •4.3.1. Ключ на тиристоре с электростатическим управлением
- •4.3.2. Ключи на тиристорах с регенеративным включением
- •4.3.3. Особенности запирания тиристорных ключей
- •4.4. Применение ключевых транзисторов в схемах электронных балластов
- •4.5. Применение мощных мдп-транзисторов в импульсных источниках питания
- •4.6. Применение мощных ключей в схемах управления электродвигателями переменного тока
- •4.6.1. Основные режимы работы силовых ключей в шим-инверторах для асинхронных электродвигателей
- •4.6.2. Особенности применения igbt в схемах с индуктивной нагрузкой
- •4.6.3. Переключение полевых тиристоров мст в мостовых схемах
- •Заключение
- •Литература
- •Учебное пособие
- •Силовая электроника
4.2.2. Ключ на мощном мдп-транзисторе
Рис.4.13 |
Поскольку все мощные МДП-транзисторы имеют структуру с индуцированным каналом, при выполнении условия:
(4.22)
где Vo — пороговое напряжение на проходной характеристике транзистора, ключ заперт, а напряжение в цепи стока равно напряжению питания ключа Е. Обычно в закрытом состоянии ключа VGS = 0. Однако для высоковольтных транзисторов с целью защиты от всплесков стокового напряжения рекомендуется устанавливать небольшое отрицательное смещение EIN-, порядка (2...5 В) [2,3]. Отпирание ключа осуществляется подачей положительного входного импульса EIN-. Амплитуду EIN+ выбирают из условия:
(4.23)
где S — силовая крутизна транзистора.
Для стандартных схем управления EIN+ составляет 12...15 В.
Переходный процесс включения состоит из трех этапов: задержки включения, фронта нарастания тока и установления напряжения во входной цепи транзистора. На первом этапе при постоянном напряжении в цепи стока (VDS= E) осуществляется заряд входной емкости транзистора от цепи генератора:
(4.24)
Где CIN = CGS+CGD
Задержка включения tD(on) определяется при условии VGS = VO:
(4.25)
На
втором этапе включения транзистор
отпирается и по цепи нагрузки начинает
протекать ток. Из-за действия отрицательной
обратной связи через проходную емкость
ключа CGD
напряжение во входной цепи транзистора
практически не изменяется (немного
возрастает от значения V0
до порогового значения
).
Таким образом, изменение напряжения на
транзисторе на данном этапе определяется
перезарядом проходной емкости входным
током затвора:
(4.26)
Переходя к конечным приращениям:
(4.27)
Для временного интервала tr, характеризующего длительность нарастания тока (и спада напряжения), можно записать:
(4.28)
На последнем этапе процесса включения транзистор находится в открытом состоянии:
(4.29)
Где RON – сопротивление открытого канала.
При этом входное напряжение возрастает с постоянной времени RINCIN до максимального значения E+IN. Длительность этапа установления оценивается выражением:
(4.30)
Переходный процесс выключения также проходит в три этапа. Сначала, при переключении напряжения входного генератора, происходит разряд входной емкости:
(4.31)
На
данном этапе ток ключа не изменяется
,
а длительность задержки выключения
tD(off)
определяется при условии уменьшения
входного напряжения до порогового
уровня:
(4.32)
Затем
наступает этап активного выключения
тока стока при действии сильной
отрицательной обратной связи через
проходную емкость CGD-
Длительность этапа спада тока можно
также оценить, как и при включении,
приравняв ток в цепи затвора
к току перезаряда проходной емкости:
(4.33)
При этом длительность спада:
(4.34)
На заключительном этапе выключения происходит установление входного напряжения до отрицательного значения E¯IN с постоянной времени RINCIN. Длительность этапа установления:
(4.35)
Основные диаграммы переключения МДП-транзистора представлены на рис. 4.14.
Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:
Рис. 4.14 |
2. Фронты переключения слабо зависят от емкостей CGS и CDS и пропорциональны величине проходной емкости. Влияние тока нагрузки на параметры tR и tF определяется изменением порогового напряжения (рис. 4.15). 3. Скорость изменения напряжения на ключе ΔV/Δt не зависит от напряжения питания и определяется режимом входной цепи. При постоянном входном токе изменение напряжения на ключе практически линейно.
4. Временные параметры пропорциональны величине сопротивления цепи генератора RIN.
Рис. 4.15