5 Силовые ключи

5.1 Проектирование ключа и секции драйвера мощного биполярного транзистора

Основной целью секции ключа является преобразование входного постоянного напряжения в модулированное по ширине импульса переменное напряжение. В следующих каскадах для подъема или снижения импульса переменного тока может использоваться трансформатор, и, наконец, выходной каскад преобразует переменный ток в постоянный выходной ток. Для того чтобы выполнить преобразование постоянного тока в переменный, ключ функционирует только в состояниях насыщения и отсечки.

Сегодня используются два типа ключей: биполярный мощный транзистор (плоскостной) и мощный полевой МОП-транзистор. Транзистор IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor – биполярный транзистор с изолированным затвором) используется в высокомощных промышленных приложениях, таких как источники питания мощностью более 1 кВт и электронные приводные устройства. Транзистор IGBT медленнее отключается, чем полевой МОП-транзистор, поэтому обычно используется на частотах переключения ниже 20 кГц.

Мощный биполярный транзистор – устройство, управляемое током. Для того чтобы гарантировать функционирование «в стиле переключателя», он должен работать в состоянии насыщения или близком к нему (рисунок 15). Для этого ток «включения» базы должен удовлетворять следующему неравенству:

, (5.1.1)

где I_B – ток управления «включением» базы;

I_C(mах) – максимальный предполагаемый ток через коллектор;

h_FE(min) – минимальное специфицированное усиление транзистора.

Рисунок 15 – Волновые формы для мощного БТ в ИИП с ШИМ

Существует два типа схем управления базой. Драйвер фиксированной базы, схема которого показана на рисунке 16, управляет транзистором в насыщенном состоянии в течение всего периода проводимости.

Рисунок 16 – Схемы драйвера фиксированной базы: а – драйвер с квази-двутактным каскадом; б – драйвер с двутактным каскадом; в – драйвер с трансформатором

Поскольку ток через коллектор почти всегда меньше максимального ожидаемого значения, транзистор почти всегда будет перегружен. Перевод транзистора в состояние глубокого насыщения приводит к замедлению его отключения. Параметр времени хранения t_S – это время задержки между поступающим на базу сигналом «размыкания» и моментом, когда коллектор начинает закрываться. На протяжении этого времени напряжение между коллектором и эмиттером продолжает поддерживать уровень напряжения насыщения. Хотя это и не приводит к потерям, сокращается максимальный рабочий цикл, который может использовать источник питания. Схема драйвера должна обеспечивать быстрые переключения тока базы между «замкнутым» и «разомкнутыми» состояниями ключа и делать напряжение базы немного отрицательным.

Проектная философия схемы драйвера фиксированной базы заключается в том, чтобы извлечь ток из сравнительно низковольтного источника (3..5 В), что обычно обеспечивается вспомогательной обмоткой силового трансформатора. Резистор, подключенный непосредственно последовательно с базой транзистора (R₂ на рисунке 16), должен иметь сопротивление порядка 100 Ом. Его назначение – ограничивать поступающий на базу постоянный ток во время замыкания и размыкания ключа.

Параллельно этому резистору (R₂) должен быть включен небольшой конденсатор емкостью порядка 100 пФ, который называют конденсатором ускорения базы. Он обеспечивает короткие положительные и отрицательные всплески тока в продолжение переходных процессов «включения» и «выключения» транзистора. Это снижает время переключения и уменьшает угрозу вторичного пробоя и сжатия тока. Резистор на коллекторе транзистора драйвера базы (R₁ на рисунке 16) в дальнейшем управляет током управления базой в замкнутом состоянии ключа. Напряжение на базе следует проверить с помощью осциллографа. На протяжении переключения в состояние «ВЫКЛ» оно должно иметь небольшое отрицательное значение, но не должно превышать номинала напряжения лавинного пробоя между базой и эмиттером (меньше 5 В).

Вторая схема (рисунок 16), которую называют схемой драйвера пропорциональной базы, всегда управляет транзистором в состоянии насыщения или очень близком к нему.

Напряжение между коллектором и эмиттером выше, чем в случае драйвера фиксированной базы, но теперь транзистор может переключаться примерно через каждые 100..200 нс. Это в 5..10 раз быстрее, чем при фиксированной базе. На практике, однако, схема драйвера фиксированной базы применяется, в основном, в недорогих приложениях низкой и средней мощности. Схемы драйвера пропорциональной базы используются в приложениях высокой мощности. Последний вопрос – из какого источника напряжения получать ток базы.

Поскольку переход база-эмиттер напоминает диод с прямым смещением, то максимальное напряжение этого p–n-перехода V_BE составляет 0,7..1,0 В. В идеале, достаточным будет источника напряжения 2,5..4,0 В. Если напряжение источника драйвера базы слишком велико, то управление базой будет сопровождаться значительными потерями.

Рисунок 17 – Схемы драйвера пропорциональной базы: а) фиксатор Бейкера; б) трансформаторносвязанное пропорциональное воз­буждение базы

В начальном макете должны быть тщательно исследованы формы волны напряжения и тока, имеющих отношение к мощному транзистору; необходимо убедиться в том, что они не превышают установленных пределов области устойчивой работы. В это же время можно также модифицировать любые величины для улучшения характеристик переключения, поскольку они дают до 40% всех потерь источника питания.