6.4 Igbt транзистор

Структура транзистора IGBT аналогична структуре MOSFET, но дополнена еще од­ним p-n-переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис.64 ) появляется еще один p-n-p-транзистор T2.

I_c=I_э(1-- ₁-- ₂).

Поскольку ток стока I_C MJSFET можно определить через крутизну S и напряжение U_З на затворе I_Э=SU_Э, определим ток IGBT транзистора

-( ₁+ ₂)] — эквивалентная крутизна биполярнозатв

Образовавшаяся структура из двух транзисторов T1 и T2 имеет глубокую внутрен­нюю положительную обратную связь, так ток коллектора транзистор влияет ток базы транзистора T1, а ток коллектора транзистора T1 определяет ток базы транзи­стора T2. Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов 71 и T2 имеют значения ₁, и ₂ соответственно, найдем I_к2=I_{2 2}, I_к1=I_{:э1 1} .

Рис. 64

Очевидно, что при ₁ + ₂ l эквивалентная крутизна значительно превышает крутизну IGBT. Регулировать значения ₁, и ₂ можно изменением сопротивлений R₁ и R₂ при изготовлении транзистора. На рис. приведены вольт-амперные характеристики IGBT транзистора, которые показывают значительное увеличение крутизны по сравнению с MOSFET. Так, например, для транзистора BUP 402 полу­чено значение крутизны 15 А/В.

Другим достоинством IGBT транзисторов является значительное снижение пос­ледовательного сопротивления и, следовательно, снижение падения напряжения на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что последовательное сопротивление канала R₂ шунтируется двумя насыщенными транзисторами T и Т2, включенными последовательно.

Условное схематическое изображение IGBT приведено на рис. 6.13. Это обо­значение подчеркивает его гибридность тем, что изолированный затвор изобра­жается как в MOSFET, а электроды коллектора и эмиттера изображаются как у биполярного транзистора.

Область безопасной работы IGBT подобна MOSFET, т. е. в ней отсутствует уча­сток вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. На рис. 6.13 б приведена область надежной (безотказной) работы (ОБР) транзистора типа IGBT с максимальным рабочим напряжением 1200 В при длительности им­пульса 10 мкс. Поскольку в основу транзисторов типа IGBT положены MOSFET с индуцированным каналом, то напряжение, подаваемое на затвор, должно быть больше порогового напряжения, которое имеет значение 5... 6 В.

Быстродействие IGBT несколько ниже быстродействия полевых транзисто­ров, но значительно выше быстродействия биполярных транзисторов. Исследова­ния показали, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения не превышают 0,5…1,0 мкс.

.

Рис. 65

Раздел 2

Источники электропитания

7. Источники питания

Первый функциональный узел источника питания – это выпрямитель: устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Необходимость в подобном преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии является источник переменного тока, например промышленная сеть [4].

Выпрямители с потребляемой нагрузкой мощностью до нескольких сотен ватт относят к классу маломощных выпрямителей. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных систем и устройств промышленной электроники, решающих задачи управления, регулирования, переработки, отображения информации и т. д. При указанной мощности нагрузки задачу преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный ток решают с помощью однофазных выпрямителей, питающихся от однофазной сети переменного тока.

Первый функциональный узел источника питания – это выпрямитель: устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Необходимость в подобном преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии является источник переменного тока, например промышленная сеть [4].

Выпрямители с потребляемой нагрузкой мощностью до нескольких сотен ватт относят к классу маломощных выпрямителей. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных систем и устройств промышленной электроники, решающих задачи управления, регулирования, переработки, отображения информации и т. д. При указанной мощности нагрузки задачу преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный ток решают с помощью однофазных выпрямителей, питающихся от однофазной сети переменного тока. Структурная схема однофазного выпрямителя показана на рис.66. Трансформатор на входе диодной схемы выполняет вспомогательную роль. Его функция сводится к повышению или понижению вторичного напряжения u₂ при заданном первичном напряжении u₁.

Рис.66 – Структура маломощного источника питания

Имеются схемы выпрямителей, в которых трансформатор является их неотъемлемой частью, например схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора. Мостовая схема выпрямления нашла наибольшее применение в маломощных выпрямителях однофазного тока. Принцип выпрямления основывается на получении с помощью диодной схемы из двуполярной синусоидальной кривой напряжения u₂(wt) однополярных полуволн напряжения на u_d(wt) (рис. 67). Напряжение u_d(wt) характеризует кривую выпрямленного напряжения выпрямителя. Ее постоянная составляющая U_d определяет среднее значение выпрямленного напряжения.

Рис. 67 – Временные диаграммы выпрямления

Кривая выпрямленного напряжения помимо постоянной составляющей содержит переменную (пульсирующую) составляющую, которая определяется разностью напряжений u_d(wt) – U_d. Наличие переменной составляющей в подавляющем большинстве случаев является нежелательным. Поэтому осуществляют фильтрацию выпрямленного напряжения путем подключения к выходу выпрямителя сглаживающих фильтров (рис. 67).

Сглаживающие фильтры выполняют на основе реактивных элементов – дросселей и конденсаторов, которые оказывают соответственно большое и малое сопротивления переменному току и, наоборот – постоянному току. Сглаживающий дроссель включают последовательно с нагрузкой, а конденсатор – параллельно ей.

Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя. Нагрузка выпрямителя носит активно-индуктивный характер, а для фильтра в виде ёмкости – активно-ёмкостный характер.

Путем выбора параметров фильтра получают постоянное напряжение, удовлетворяющее нагрузку в отношении пульсаций. Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя. Так для сглаживающих фильтров, выполненных по схемам на пассивных компонентах, кроме одиночной ёмкости, нагрузка выпрямителя носит активно-индуктивный характер, а для сглаживающего фильтра в виде ёмкости – активно-ёмкостный характер.

Между сглаживающим фильтром и нагрузкой может быть стабилизатор напряжения , обеспечивающий поддержание с необходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки.