4.2.1.4. Режим выключения

Выключение транзистора начинается в момент времени t₃, когда входное напряжение приобретает отрицательный знак (рис. 4.9). Ток базы изменяет при этом свое направление, что приводит к процессам рассасывания накопленного в базе заряда, а затем к выключению транзистора.

А)Этап рассасывания

За время насыщенного состояния в базе транзистора скапливается избыточный заряд неосновных носителей, который не может мгновенно уменьшиться до уровня Q_н. Необходимый для этого интервал времениt₃ –t₄ называется временем рассасывания, который можно определить из формулы (4.17), если учесть граничные условия и предположить равенство постоянных времени на этапах формирования переднего фронта и рассасывания:Q(0) =I_б1_;Q() = –I_б2_;Q(t_р) =I_бн_.

После подстановки этих значений получим:

. (4.20)

После окончания этапа рассасывания коллекторный переход оказывается снова смещенным в обратном направлении, и под действием запирающего тока начинается формирование фронта спада импульса тока коллектора.

Б)Этап формирования фронта спада фронта импульса

Примем за длительность фронта спада интервал времени, за который ток в цепи коллектора изменяется от значения I_кндо нуля. Граничные значения заряда в базе соответственно равны:Q(0) =I_бн_;Q() = –I_б2_;Q(t_фз) = 0. После подстановки их в уравнение (4.17) получим:

. (4.21)

Таким образом, длительность спада тока коллектора при принятых критериях зависит от величины запирающего тока. Может, однако, возникнуть ситуация, когда запирающий ток окажется равным нулю (управляющий сигнал – однополярный импульс). Здесь за длительность фронта спада принимается интервал времени, за который ток коллектора уменьшится от 0.9I_кн до 0.1I_кн. Это время рассчитывается по формуле

t_фз=2.2_. (4.22)

Приведенные соотношения требуют существенной коррекции, когда нельзя пренебречь токами перезарядки емкости С_кб и емкости нагрузкиС_н. При преимущественном их влиянии рекомендуется пользоваться соотношением:

t_фз = (3…5)R_к (C_н +С_кб₀). (4.23)

Введем понятие быстродействия транзисторного ключа как минимального времени, необходимого для окончания в ключе всех переходных процессов, вызванных его коммутацией. Это время складывается из времен подготовки, включения, рассасывания и выключения:

T_быст.=t_фп+t_р+t_фз+t_з (4.24)

и определяет максимальную частоту коммутации ключевой схемы:

(4.25)

4.2.1.5. Потери мощности в транзисторном ключе

Потери мощности в транзисторном ключе определяются остаточными параметрами ключевого режима (тепловой ток, напряжение на насыщенном переходе) и зависят от параметров и характера нагрузки.

Можно выделить следующие основные составляющие мощности потерь.

1. Потери в режиме запирания. Эти потери зависят от напряжения питания и теплового тока закрытого транзистора и рассчитываются по формуле:

. (4.26)

Здесь и далее t_и– длительность открытого состояния транзистора;T– период повторения импульсов.

2. Потери в режиме насыщения. Зависят от величины коммутируемого тока и остаточного напряжения на коллекторе транзистора:

. (4.27)

3. Потери в режиме коммутации. На этапах перехода транзистора из закрытого состояния в открытое и обратно ток коллектора и напряжение на коллекторе зависят друг от друга. Представим зависимость тока коллектора от времени на этапе включения в виде линейной функции:

. (4.28)

Для резистивной нагрузки с увеличением тока коллектора напряжение на коллекторе уменьшается по закону:

. (4.29)

Средняя мощность, выделяемая в коллекторной цепи за время включения, определится интегральным соотношением:

. (4.30)

Подставив в это уравнение выражения для тока и напряжения, получим:

P_квкл =Е_кI_кн ft_фп/6. (4.31)

Аналогичный вид имеет выражение для мощности потерь при выключении транзистора:

P_квыкл =Е_кI_кн ft_фз/6, (4.32)

где f– частота переключений.

Результирующая мощность потерь запишется в виде суммы:

P_к =P_кз+P_кн+P_квкл+P_квыкл. (4.33)

Отметим, что мощность потерь на переключение транзистора зависит от его частотных свойств и растет с увеличения частоты переключений.