цифровые устройства / лекции / 05_ЦУ_Электронные ключи_2026
.pdf
Мощные ключи на биполярных транзисторах с изолированным затвором (факультативно)
Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) в зарубежных источниках известны как Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT).
IGBT представляет собой комбинацию двух типов полупроводниковых приборов:
полевого транзистора по входу и биполярного транзистора по выходу.
Поэтому IGBTобладает достоинствами двух основных типов транзисторов:
•высокое входное сопротивление, низкий уровень мощности управления (от ПТ);
•низкое значение остаточного напряжения во включенном состоянии (от БТ).
Коллектор
(С)
Затвор
(G)
Эмиттер
(E)
Слева направо.
Упрощённая эквивалентная схема IGBT, УГО в иностранной литературе,
УГО в отечественной литературе
IGBT применяются:
•от десятков до 1200А по току стока,
•от сотен до 3500В по напряжению КЭ.
Справочные параметры на импортные компоненты приводятся
производителями в так называемых datasheets - аналогов справочника или руководящих тех. материалов (РТМ).
IGBT применяются в преобразователях |
|
|
электроэнергии, в частности, инверторах |
|
|
электропривода, мощных импульсных |
|
|
стабилизаторах напряжения, источниках |
|
|
вторичного электропитания с |
41 |
|
бестрансформаторным входом и т.д. |
||
|
Потери в ключах
На практике при использовании реальных транзисторов в качестве ключей возникают потери мощности, связанные с их неидельностью.
Полная мощность, выделяющаяся в ключе, представляет собой сумму нескольких составляющих:
•Потери на управление (существенны у биполярных транзисторов)
•Статические потери в проводящем состоянии
•Динамические потери при переключении
•Потери в запертом состоянии (ничтожно малы)
При работе на больших частотах наибольший вклад вносят динамические потери при переключении ключей.
Динамические потери обусловлены нахождением транзистора в линейной (активной) области при переключении из одного режима в другой, когда ток и напряжение ключа весьма велики, а выделяемая при этом мощность* весьма существенна.
Снижение динамических потерь в ключе достигается путем сокращения времени его переключения за счет формирования тока необходимой формы и величины во входной цепи транзистора.
Для управления силовыми полевыми транзисторами и IGBT широко используются специализированные интегральные схемы – драйверы.
*Динамические потери складываются из потерь при включении и выключении транзистора, которые в свою очередь пропорциональны величине тока и напряжения, времени их нарастания или спада, а также частоте работы ключа.
42
Управление силовыми MOSFET-, IGBT-транзисторами
порождает |
порождает |
||
ток базы |
ток |
напряжение |
ток стока |
|
коллектора |
на затворе |
Ic |
I |
Iк |
Ri |
|
б |
|
|
|
|
|
Uзи + |
|
источник |
|
источник |
- |
тока |
|
апряжения |
|
|
|
|
|
(а) |
(б) |
iз |
0 |
Uзи |
0 |
(в) |
Биполярный транзистор управляется током (а), полевой транзистор, IGBT – напряжением (б, в)
Для включения или выключения IGBT на затвор необходимо подать положительное
отпирающее (+15В) или, соответственно, отрицательной (-8В) напряжение. Обычно
напряжение на затворе не должно превышать ±20В.
43
Задания для самопроверки
1.Перечислите преимущества ключей на полевых транзисторах в сравнении с ключами на биполярных транзисторах.
2.Приведите схему ключа на полевом транзисторе. Опишите назначение элементов схемы.
3.Как осуществить включение и выключения ключа на полевом транзисторе?
4.Нарисуйте схему включения паразитных емкостей полевого транзистора.
5.На ВАХ полевого транзистора покажите линейную область и область насыщения. Чем они отличаются?
6.На стоко-затворных характеристиках полевых транзисторов (все виды) покажите область отсечки.
7.Какие потери возникают в ключах на реальных транзисторах? Охарактеризуйте их.
Все задания выполнять без обращения к конспекту лекций и другим источникам!
44
Электронные ключи Аналоговые ключи на полевых транзисторах
В отличии от биполярных полевые транзисторы широко применяются для построения аналоговых ключей (коммутаторов).
N.B.
При Uзи = 0, ток стока Ic = max => VT открыт. При Uзи < 0, ток стока Ic → 0 VT заперт.
Для того, чтобы транзистор был закрыт, между затвором и истоком должно быть отрицательное напряжение, по модулю большее, чем напряжение отсечки Uзи0.
Схема коммутатора с ПТ с управляющим p-n-переходом
Принцип работы аналогового ключа
Для выключения ключа должно быть Uупр < 0 (полярность показана без скобок), диод VD открыт, через R протекает ток, создающий на нём необходимое запирающее
транзистор напряжение Uзи = UR => Ic ≈ 0 => URн ≈ 0. Ключ
выключен.
Для включения ключа должно быть Uупр > 0 (полярность в
скобках) Uвх max<Uупр => диод VD заперт, ток через R не
протекает => Uзи = UR = 0 => ключ проводит => Uвх≈URн.
Ключ включен.
45
Аналоговые ключи на полевых транзисторах
Одной из проблем, возникающих при создании аналоговых ключей является нелинейная зависимость сопротивления ключа от напряжения (тока) на информационном и
управляющем входах, что приводит к возникновению погрешностей при передаче
информационного сигнала.
Инвертор
Упрощённая схема коммутатора на полевых транзисторах
Решение – использовать транзисторы с разным типом проводимости, что позволяет
обеспечить почти постоянное сопротивление
коммутатора, независящее от величины и знака информационного входного (коммутируемого) напряжения.
Принцип работы
Для обеспечения большого диапазона коммутируемого напряжения как в положительной, так и в отрицательной области, используются
комплементарные полевые транзисторы.
Управляющее напряжение Uупр для
транзисторов должно быть противофазным. Это обеспечивает инвертор напряжения.
Для перевода коммутатора в состояние включен необходимо на затвор VT1 |
подать |
положительное, а на затвор VT2 - отрицательное напряжение управления. В этом случае: |
|
UзиVT1 =Uупр −Uвх ; |
|
UзиVT 2 = −Uупр −Uвх . |
46 |
UзиVT1 =Uупр −Uвх ;
UзиVT 2 = −Uупр −Uвх .
При увеличении Uвх уменьшается UзиVT1 (сопротивление канала увеличивается). При этом увеличивается (по модулю) UзиVT2 (сопротивление канала уменьшается), а общее результирующее сопротивление коммутатора остаётся почти неизменным.
Для выключения коммутатора необходимо сменить полярность управляющего напряжения, но и в этом
случае Uвх должно быть не больше Uупр.
Инвертор |
|
Упрощённая схема |
Зависимость сопротивлений каналов |
коммутатора на полевых транзисторах |
транзисторов КМОП-ключа от Uвх |
Аналоговые ключи выпускаются в виде отдельных ИМС 547КП1, К190КТ1, КР590КН1-
КР590КН9 и др.
47
Задания для самопроверки
1.С какой целью в аналоговых ключах на полевых транзисторах используются комплементарные транзисторы?
2.Приведите схему коммутатора аналоговых сигналов на полевых транзисторах. Поясните принцип действия.
Все задания выполнять без обращения к конспекту лекций и другим источникам!
48
Ссылки
1.Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. – М.:
Альянс, 2008. – 496 с.: ил.
2.Лачин В.И., Савёлов Н.С. Электроника: Учебное пособие. – Ростов н/Д: Феникс, 2007. – 703, [1] с.
3.Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 2008. – 798 с.: ил.
4.Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. шк., 1989. – 527 с.: ил.
5.Фомичев Ю.М., Сергеев В.М. Электроника. Элементная база, аналоговые и цифровые функциональные устройства [Электронный ресурс] : учебное пособие; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). — Доступ из корпоративной сети ТПУ. Схема доступа: http://www.lib.tpu.ru/fulltext2/m/2012/m59.pdf
49