1.2. Биполярные транзисторы.
1.2.1. Структура и вольт-амперные характеристики.
Типовая структура силового биполярного транзистора (БТ) изготовленного по эпитаксиально-планарной технологии в упрощенном виде приведена на рис.4.
В отличии от обычного (информационного) такой транзистор имеет вертикальную структуру. Это позволят получить достаточную активную площадь для протекания коллекторного тока, уменьшить сопротивление открытого транзистора. Но, с другой стороны, протекание тока по большой площади создает предпосылки для его неравномерного распределения. Следствием этого возможны лавинный локальный и вторичный пробои.
Основная транзисторная p-n-p структура образована р-областями и обедненной n---областью базы. Кольцевые зоны p+ повышенной концентрации носителей в эмиттерной зоне служат для обеспечения хорошего электрического контакта. Повышенная концентрация носителей подложки служит для снижения сопротивления транзистора.
Основными рабочими характеристикам (БТ) являются выходные (коллекторные) вольт-амперные характеристики IK=f(UKЭ)|(IБ=Const) и входные – базовые IБ =f(UБЭ)|(UKЭнас.= Const).
. Типовые статические характеристики БТ приведены на рис.4.
На выходной характеристике незаштрихованная область (Рис.5а) соответствует зоне допустимых статических режимов. Для кратковременных перегрузок, перенапряжений и динамических режимов зона расширяется , но перегрузочная способность БТ сильно ограничена.
1.1.2. Проектные параметры БТ.
При решении проектных задач БТ выбирается по предельным коллекторному току IKмакс и напряжению UKЭмакс.. При этом учитывается и коэффициента усиления по току.
Для характеристики усилительных свойств ВТ используется как правило коэффициент h21 Э схемы с общим эмиттером.
Ограничения по максимуму мощности рассеиваемой транзистором РKмакс проверяются на основе обязательного в случае силовых БТ теплового расчета. Расчет производится из условия, что расчетная температура перехода не превосходит предельной допустимой величины Тjmax . Последняя приводится в справочных данных БТ.
Важными эксплуатационными параметрами ВТ являются максимальное падение напряжения во включенном состоянии UПр.макс., обратный ток коллектора, частотные характеристики.
В качестве частотных характеристик используются граничная частота коэффициента усиления по току, а для ключевых режимов – время включения и отключения. Наряду с этими интегральными параметрами используются также специфические для ВТ величины. Среди таковых, например, находится время рассасывания основных носителей в базе.
Практически все характеристики БТ чувствительны к температуре окружающей среды, а также к технологическому разбросу параметров. Это является одним из недостатков БТ.
1.1.2. Сравнительная характеристика биполярных транзисторов.
Силовой биполярный транзистор в силу специфики своей структуры и функционирования обладает целым рядом достоинствами дающим ему преимущества перед другими типами полупроводниковых приборов. Среди прочих к таким преимуществам можно отнести относительно малое падение напряжения во включенном состоянии, достаточно хорошие частотные характеристики и полную управляемость в сравнении с традиционными тиристорами.
Мощный биполярный транзистор обладает целым рядом недостатков ограничивающих его применение в современных высокочастотных преобразователях. Основными из них являются [13-16]:
- Малый коэффициент передачи тока h21Э и его большие технологические разбросы;
- Применение составных транзисторов ведет к увеличению коэффициента передачи, но вызывает увеличение потерь в мощном ключе в открытом состоянии;
- В открытом состоянии с максимальным h21Эmax транзистор находится в режиме глубокого насыщения, что приводит к существенному увеличению длительности процессов рассасывания;
- Склонность к вторичному и локальным пробоям коллекторного перехода требует демпфирующих цепей для формирования динамической траектории переключения внутри области безопасной работы.
Сказанное, для надежной и безопасной работы ключей на биполярных транзисторах, требует достаточно мощных цепей для их управления и защиты, таких как составные транзисторы, цепи формирования безопасной траектории, трансформаторы и другие элементы для пропорционально-токового управления.
“Из-за сложности и большой стоимости схем управления и низкой стойкости к перегрузкам биполярный транзистор на сегодня устаревший компонент (для использования в силовой электронике). Однако быстродействующие биполярные транзисторы пока имеют важное преимущество перед MOSFET по показателю “коммутируемая мощность \цена” для диапазона напряжений более 400 В. Поэтому силовые биполярные транзисторы остаются эффективным компонентом для дешевых массовых применений (например, в ключевых источниках питания).” [1]