Силовая полупроводниковая элементная база. Учебное пособие

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

H21э

150–250

Рисунок 2.2 — Зависимость коэффициента H21э от условной мощности биполярного транзистора

Например, для маломощных транзисторов с максимальным то-

ком Iк max = 20 мА имеем H21э =120–250. В то же время для мощных транзисторов с Iк max = 20–30 А коэффициентH21э = 3–5. Следо-

вательно, если силовой ключ реализован на мощном биполярном транзисторе, то с учетом необходимости создания режима насыщения его базовый ток должен быть равен току коллектора.

Таким образом, токовое управление биполярными транзисторами становится энергетически неэффективным при их использовании в мощных силовых ключах импульсных преобразователей электрической энергии.

Рассмотрим вторую специфическую сторону работы биполярных транзисторов, работающих в импульсном режиме и в режиме насыщения, которая определяет временные процессы его работы.

Она заключается в существовании в полупроводниковой структуре транзистора времени рассасыванияtрасс избыточных носителей заряда Qизб. Физическая сущность этого фактора и его влияние на быстродействие транзистора аналогичны процессам инерционности диода с p-n переходом, которые описаны в разделе 1.

Временные диаграммы процессов импульсной работы биполярного транзистора для схемы, приведенной на рисунке 2.1, а, представлены на рисунке 2.3.

Для биполярного транзистора время рассасывания избыточных носителей, определяющее временную задержку сигнала, передаваемого транзистором:

31

2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

где tн — постоянная времени накопления зарядов в полупроводниковой структуре транзистора; Iб1 — ток базы транзистора, существующий на этапе его включенного состояния (прямой ток базы); Iб2 — ток базы, осуществляющий рассасывание избыточных носителей зарядов (обратный тока базы).

Iб2

iк

tрасс.2

Рисунок 2.3 — Временные диаграммы работы биполярного транзистора в импульсном режиме

Анализ выражения (2.5) показывает, что на практике единственным средством уменьшения времени tрасс является увеличение значения обратного токаIб2. Это иллюстрируется временными диаграммами, приведенными на рисунке 2.3. При достаточно малом токе Iб2 ® 0 имеем время рассасывания tрасс1. При наличии обратного тока Iб2, что показано пунктирными линиями временных диаграмм, время рассасывания уменьшается до значения tрасс2 < tрасс1.

32

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Следовательно, если в схеме транзисторного ключа длительность входного импульса равна tи, то длительность выходного сигнала составит: tвых = tи + tрасс. Появление подобной временной задержки обусловит недопустимые нарушения в работе импульсных преобразователей электрической энергии. Поэтому проблема уменьшения времени tрасс является одной из важнейших задач при разработке силовых импульсных ключей на биполярных транзисторах.

Существуют два основных метода уменьшенияtрасс: активный и пассивный. При активном методу ускорение процессов рассасывания достигается путем введения обратного тока базы. При пассивном способе выполняется уменьшение сопротивления в цепи база-эмиттер транзистора, на которое происходит разряд избыточных зарядов.

Одним из простейших активных способов уменьшения tрасс является применение дифференцирующих цепей; схема подобного транзисторного ключа с временными диаграмми работы показана на рисунках 2.4, а и 2.4, б соответственно.

t

iб

Iб2

б)

Рисунок 2.4 — Схема транзисторного ключа с активным рассасыванием зарядов (а) и временные диаграммы ее работы (б)

33

2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

В этой схеме источником обратного рассасывающего тока базы транзистора является дифференцирующий конденсатор Сдф, который заряжается от источника uвх в момент начала появления входного импульса.

Пример применения пассивного метода рассасывания избыточных носителей показан на схеме (рисунок 2.5).

+Eупр +Eп

Rб

Zн

VTвкл

uвх Iб1

VTсил

Iб2

VTвыкл

Рисунок 2.5 — Схема транзисторного ключа с пассивным рассасыванием зарядов

Здесь формирование импульса прямого тока базыIб1 силового транзистора VTсил осуществляется через резистор Rб при открытом состоянии включающего транзистора VTвкл. После прекращения действия положительного входного сигнала выключающий транзистор VTвыкл открывается, «сбрасывая» избыточные заряда из структуры транзистора VTсил.

Существует большое разнообразие других видов транзисторных силовых ключей с применением различных способов рассасывания избыточных носителей зарядов. Их анализ, классификация и практические примеры схем ключей приведены в [3].

2.2.Надежность работы силовых биполярных транзисторов

Одним из важных вопросов, возникающих при разработке силовых транзисторных ключей, является выполнение определенных норм электрических характеристик, обеспечивающих их на-

34

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

дежную работу как статическом режиме, так и в режиме переключения токов и напряжений.

Определим особенности работы мощных биполярных транзисторов при высоких напряжениях Uкэ в статическом режиме работы при выключенном (запертом) состоянии транзистора. В нормативных документах на высоковольтные транзисторы наравне с максимально допустимым напряжением Uкэ max указывается максимально допустимое значение сопротивление Rб в цепи базы транзистора. Рассмотрим влияние сопротивленияRб на надежность работы биполярного транзистора.

На рисунке 2.6, а приведена схема транзисторного ключа, работающего в режиме с оборванной базой, то есть когда сопротивление в цепи транзистора Rб = Ґ.

iб

в)

Рисунок 2.6 — Иллюстрация влияния сопротивления Rб в цепи базы биполярного транзистора

35

2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Как у любого из полупроводниковых приборов, у каждого из p-n переходов существует ток в обратной области проводимости. Для перехода коллектор-база на схеме (рисунок 2.6, а) это показано током Iкб0. Так как в выключенном состоянии транзистора на его входе отсутствуют сигнал и сопротивление в цепи базы, то токIкб0 является током базы: Iб = Iкб0. Это обусловливает появление тока Iк0 = H21эIкб0. Далее, любые изменения параметров транзистора, например, за счет соответствующего увеличения температуры кристалла, вызовут увеличение коэффициентаH21э и тока Iк0. Последующий лавинообразный процесс обусловит самоткрывание транзистора при отсутствии сигнала на его входе.

Так как более мощные транзисторы имеют большую площадь полупроводниковой структуры, то это соответствует большим величинам тока Iкб0. Следовательно, наибольшую степень критичности рассматриваемого процесса имеют мощные транзисторы, работающие в режиме больших (сотни вольт) напряжений Uкэ.

Рассмотрим далее схему транзисторного ключа с введением в нее сопротивления Rб (рисунок 2.6, б). Здесь ток Iкб0 ответвляется в резистор Rб и входное напряжение транзистора будет равно Uбэ = RбIкб0.

На рисунке 2.6, в приведена типовая входная характеристика биполярного транзистора. Она показывает, что достаточно малым напряжениям uбэ соответствуют аналогично малые значения тока базы: iб ® 0. Если условно принять, что пороговое напряжение Uбэ пор соответствует запертому состоянию транзистора, то условием отсутствия самооткрывания биполярного транзистора является выполнение неравенства:

Практически можно принять, что Uбэ пор = 0,2–0,3 В. Для большого числа серийно выпускаемых мощных транзисторов в нормативных документах задается требуемая величина сопротивления

вцепи базы и обычно составляет Rб норм Ј 10 Ом.

Вэтом отношении более эффективными и надежными являются схемы транзисторных ключей с импульсным управлением от трансформатора, сопротивление управляющей обмотки которого обыч-

но Rw << Rб норм.

Рассмотрим динамические процессы формирования защиты силового транзистора от импульсных перенапряжений в процессе его

36

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

переключения. В наиболее критичной степени это относится к работе транзисторных ключей с индуктивной нагрузкой, включенных

вцепь коллектора. Это обусловлено тем, что на протяжении про-

цесса запирания и после него напряжение Uкэ может существенно превышать напряжение первичного источника питания.

Относительная одновременность процессов изменения тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер обусловливает появление

импульсов мощности, рассеиваемой транзистором: pк(t) = iк(t)uкэ(t). Обычно эта мощность в несколько десятков раз превосходит максимально допустимую среднюю мощность. В нормативных документах приводится параметр максимально допустимой импульсной мощности с указанием длительности импульса воздействия этой мощности и периода их повторения. Для разработки силовых транзисторных устройств вводится понятие характеристики области безопасной работы (ОБР), в которой оговаривается связь статических и импульсных областей работы транзистора. Один из типичных примеров ОБР биполярного транзистора показан на рисунке 2.7. Здесь пунктирная линия определяет траекторию движения рабочей точки

впроцессе переключения в координатах тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер. Сплошной линией обозначены норми-

рованные значения допустимых величин тока Iк и напряжения Uкэ для статического режима работы и для двух значенийtи1 и tи2 длительности импульса взаимодействия тока с напряжением.

37

2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Надежная работа транзистора обеспечивается, если рабочая точка, характеризующая на плоскости Iк, Uкэ процесс его коммутации, в своем перемещении не выходит за границы ОБР. Для проводящего состояния транзистора эта область ограничена сверху максимально допустимыми токами Iк max (статический режим) и Iк имп max (импульсный режим). Данная область ограничена отрезками БВ, ЗИ, ЛМ гиперболических кривых, соответствующих допустимым значениям мощности Рк max статического и Рк имп max для импульсного режимов работы. Отрезки ВГ, ИК, МП соответствуют границам начала развития вторичного пробоя, а линия НЕ — граничному напряжению Uкэ гр. При импульсном режиме работы ОБР расширяется и с уменьшением длительности импульсов тока до нескольких микросекунд в пределе достигает прямоугольника 0ЖНЕ. При открытом состоянии транзистора для импульсов ограниченной длительности ОБР дополняется участком ДЕСР. Из показанной ОБР видно, что при включении транзистора область определяется участками ОЖНЕ, а при выключении — областями 0ЖНДРС и 0АБВГЕ (при работе в статическом режиме).

Показанный пунктирной линией пример траектории движения рабочей тоски транзистора характеризуется следующими показателями.

Интервал включения транзистора отображается перемещением

рабочей точки от Uкэ = Uк max до Iк = I0. В этом интервале ток коллектора транзистора увеличивается от начального тока запертого тран-

зистора Iк н до I0, проходя при этом через амплитуду коммутационного импульса тока Iк имп, определяемую инерционными свойствами выпрямительного диода импульсного преобразователя. От точки I0 до Iк max происходит увеличение тока коллектора. Перемещение точки от Iк max до Iк н соответствует запиранию транзистора.

Принцип формирования безопасного переключения транзистора заключается в задержке нарастания тока коллектора во время включения, когда напряжение на нем уменьшается, и в задержке нарастания напряжения на коллекторе во время выключения, когда ток уменьшается от максимального значения до нуля.

38

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

2.3.Схемы пропорционально-токового управления биполярным транзистором

Как отмечалось выше, одним из существенных недостатков биполярного транзистора является принцип токового управления, что в наиболее значимой степени негативно сказывается при разработке мощных силовых ключей.

Для устранения этого недостатка биполярных транзисторов применяется принцип пропорционально-токового управления с использованием трансформатора тока. Функциональная сущность его заключается в том, что для поддержания транзистора в открытом состоянии используется ток коллектора, трансформируемый в цепь его базы при помощи трансформатора тока, вход (первичная обмотка) которого включен в цепь тока коллектора.

Один из вариантов подобной схемы показан на рисунке 2.8 [3]. Транзистор управляется короткими разнополярными импульсами тока iупр, интервал между которыми равен требуемой длительности импульса тока коллектора.

iупр VT

Рисунок 2.8 — Схема транзисторного ключа с трансформатором тока

Положительный импульс управляющего токаiупр включает транзистор и появляется ток коллектораiк. Трансформатор тока

VTт, коэффициент трансформации которого составляетnт = wб , wк

39

2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

трансформирует ток коллектора в базовую цепь транзистора: iб = nтiк. Далее для поддержания транзистора в открытом и насыщенном состоянии тока от управляющей цепи не требуется.

Для запирания транзистора необходимо подать на вход транзистора импульс тока iупр отрицательной полярности, длительность которого должна быть достаточна для полного рассасывания избыточных носителей заряда из полупроводниковой структуры биполярного транзистора. Далее транзистор запирается и готов для последующего этапа его включения.

Существуют различные варианты включения трансформатора тока в схемах транзисторных ключей. Они отличаются различной энергетическойэффективностьюифункциональнымивозможностями. Рассмотрим несколько вариантов подобных схем (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 — Варианты включения трансформатора тока VTт в транзисторных ключах

Сравнительный анализ схем, приведенных на рисунке 2.9, показывает следующее.

Коэффициент трансформации трансформатора TVn для схемы ключа рис. 2.9, а, в, г должен быть равенnт* = nт + 1, гдеnт — коэффициент трансформации для традиционной схемы ключа, приведенной по рисунку 2.8. Это обусловлено тем, что в этом случае по обмотке wк (или wэ) протекает сумма токов базы и коллектора транзистора. Падение напряжения на обмотке wк (или wэ) на интервале времени включенного состояния VT для схем, приведенных на

40