- •А. П. Маругин
- •1. Основные элементы силовых электронных устройств
- •1.1. Силовые электронные ключи
- •1.2. Силовые диоды
- •1.2.1. Статические характеристики диода
- •1.2.2. Динамические характеристики диода
- •1.2.3. Защита силовых диодов
- •1.2.4. Основные типы силовых диодов
- •1.3. Силовые транзисторы
- •1.3.1. Основные классы силовых транзисторов
- •1.3.2. Статические режимы работы транзисторов
- •1.3.3. Динамические режимы работы силовых транзисторов
- •1.3.4. Обеспечение безопасной работы транзисторов
- •1.4. Тиристоры
- •1.4.1. Принцип действия тиристора
- •1.4.2. Статические вольт-амперные характеристики тиристора
- •1.4.3. Динамические характеристики тиристора
- •1.4.4. Типы тиристоров
- •1.4.5. Запираемые тиристоры
- •2. Схемы управления электронными ключами
- •2.1. Общие сведения о схемах управления
- •2.2. Формирователи импульсов управления
- •2.3. Драйверы управления мощными транзисторами
- •3. Пассивные компоненты и охладители силовых электронных приборов
- •3.1. Электромагнитные компоненты
- •3.1.1. Гистерезис
- •3.1.2. Потери в магнитопроводе
- •3.1.3. Сопротивление магнитному потоку
- •3.1.4. Современные магнитные материалы
- •3.1.5. Потери в обмотках
- •3.2. Конденсаторы для силовой электроники
- •3.2.1. Конденсаторы семейства мку
- •3.2.2. Алюминиевые электролитические конденсаторы
- •3.2.3. Танталовые конденсаторы
- •3.2.4. Пленочные конденсаторы
- •3.2.5. Керамические конденсаторы
- •3.3. Теплоотвод в силовых электронных приборах
- •3.3.1. Тепловые режимы работы силовых электронных ключей
- •3.3.2. Охлаждение силовых электронных ключей
- •4. Принципы управления силовыми электронными ключами
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Фазовое управление
- •4.3. Импульсная модуляция
- •4.4. Микропроцессорные системы управления
- •5. Преобразователи и регуляторы напряжения
- •5.1. Основные виды устройств преобразовательной техники. Основные виды устройств силовой электроники символически изображены на рис. 5.1.
- •5.2. Трехфазные выпрямители
- •5.3. Эквивалентные многофазные схемы
- •5.4. Управляемые выпрямители
- •5.5. Особенности работы полууправляемого выпрямителя
- •5.6. Коммутационные процессы в выпрямителях
- •6. Импульсные преобразователи и регуляторы напряжения
- •6.1. Импульсный регулятор напряжения
- •6.1.1. Импульсный регулятор с шим
- •6.1.2. Импульсный ключевой регулятор
- •6.2. Импульсные регуляторы на основе дросселя
- •6.2.2. Преобразователь с повышением напряжения
- •6.2.3. Инвертирующий преобразователь
- •6.3. Другие разновидности преобразователей
- •7. Инверторы преобразователей частоты
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Инверторы напряжения
- •7.2.1. Автономные однофазные инверторы
- •7.2.2. Однофазные полумостовые инверторы напряжения
- •7.3. Трёхфазные автономные инверторы
- •8. Широтно-импульсная модуляция в преобразователях
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Традиционные методы шим в автономных инверторах
- •8.2.1. Инверторы напряжения
- •8.2.2. Трехфазный инвертор напряжения
- •8.3. Инверторы тока
- •8.4. Модуляция пространственного вектора
- •8.5. Модуляция в преобразователях переменного и постоянного тока
- •8.5.1. Инвертирование
- •8.5.2. Выпрямление
- •9. Преобразователи с сетевой коммутацией
- •10. Преобразователи частоты
- •10.1. Преобразователь с непосредственной связью
- •10.2. Преобразователи с промежуточным звеном
- •10.3.1. Двухтрансформаторная схема
- •10.3.3. Схема каскадных преобразователей
- •11. Резонансные преобразователи
- •11.2. Преобразователи с резонансным контуром
- •11.2.1. Преобразователи с последовательным соединением элементов резонансного контура и нагрузки
- •11.2.2. Преобразователи с параллельным соединением нагрузки
- •11.3. Инверторы с параллельно-последовательным резонансным контуром
- •11.4. Преобразователи класса е
- •11.5. Инверторы с коммутацией в нуле напряжения
- •12. Нормативы на показатели качества электрической энергии
- •12.1. Общие сведения
- •12.2. Коэффициент мощности и кпд выпрямителей
- •12.3. Улучшение коэффициента мощности управляемых выпрямителей
- •12.4. Корректор коэффициента мощности
- •13. Регуляторы переменного напряжения
- •13.1. Регуляторы напряжения переменного тока на тиристорах
- •13.2. Регуляторы напряжения переменного тока на транзисторах
- •Вопросы для самоконтроля
- •14. Новые методы управления люминесцентными лампами
- •Вопросы для самоконтроля
- •Заключение
- •Библиографический список
- •620144, Г. Екатеринбург, Куйбышева ,30
1.3.3. Динамические режимы работы силовых транзисторов
Переход транзистора из выключенного состояния во включенное и наоборот происходит не мгновенно, а в течение характерного для каждого типа транзистора времени (рис.1.17).
Инерционность переходных процессов обусловлена инерционностью процессов изменения концентрации носителей электрических зарядов в структуре транзистора и наличием в ней внутренних (собственных) емкостей. Емкости, называемые иногда «паразитными», определяют быстродействие транзистора.
Ранее было показано, что на динамические режимы работы ключей влияют их быстродействие и параметры внешней цепи, в которой происходит коммутация. Рассмотрим процессы, обусловливающие быстродействие биполярных транзисторов как ключевых приборов. Для качественной оценки принимается допущение, что нагрузкой является активное сопротивление.
Включение биполярного транзистора. Предположим, что транзистор при t < t0 находится в режиме отсечки (выключен) и в момент времени t = t0 (рис. 1.17, б) в базу транзистора от источника тока управления поступает импульс тока значением > с идеально крутым фронтом.
Рис. 1.17. Динамические процессы в биполярном транзисторе:
а – схема замещения; б – диаграммы
Так как напряжение на входной емкости СВЕ не может измениться скачком, начинается процесс ее заряда до напряжения при котором увеличивается ток базового перехода транзистора (момент времени t1). Этот процесс определяется временем задержки на включение транзистора. В момент времени t = t2 заряд Q, в базовом переходе достигает граничного значения , соответствующего наступлению режима насыщения. При этом дальнейшее увеличение тока коллектора iс прекращается, а накопление избыточного заряда ΔQ в базе будет продолжаться до момента времени t = t 3.
Время нарастания тока коллектора iС при iВ >> называют длительностью фронта включения транзистора. Время включения транзистора tвкл состоит из времени задержки на включение и времени нарастания тока коллектора = + .
Если учесть инерционность, создаваемую выходной емкостью транзистора ССВ, окончательный спад напряжения иСЕ будет происходить несколько позже момента времени t2.
Выключение биполярного транзистора. Предположим, что в момент времени t = t4 в базу насыщенного транзистора поступает отрицательный (запирающий) импульс тока iВ2. Под воздействием этого тока начинается интенсивное рассасывание избыточного заряда Q до значения Q =• В момент времени t = t5 транзистор выходит из режима насыщения. Время рассасывания избыточного заряда соответствует времени задержки на выключение .
Общее время выключения транзистора tвыкл = выкл + , где — длительность спада тока коллектора до наступления режима отсечки, т. е. длительность фронта выключения. Восстановление выходного напряжения закончится позже момента времени , когда ток станет равным нулю из-за наличия собственной выходной емкости транзистора .
Включение МОП- транзистора. Отсутствие явлений накопления и рассасывания неосновных носителей заряда обусловливает высокое быстродействие полевых транзисторов. Однако из-за особенностей структуры МОП- транзисторов значения межэлектродных емкостей в них больше, чем в биполярных. На рис. 1.18, а приведена схема замещения МОП- транзистора межэлектродными емкостями: СDS сток-исток, СDG сток-затвор, СDG затвор-исток.
Предположим что МОП- транзистор находится в состоянии отсечки (закрыт).В момент времени t = t0 (рис. 1.18, б) на его затвор подается сигнал управления от источника напряжения управления Uy внутренним сопротивлением Ry . Емкость входного конденсатора при условии, что Rу >> Rн, может быть определена по: + .
При достижении напряжением на затворе транзистора порогового значения в момент времени t = t1 транзистор выходит из режима отсечки и напряжение сток-исток уменьшается. Интервал времени t0 – t1 соответствует времени задержки на включение транзистора вкл. В момент времени t = t2 напряжение увеличивается и приводит транзистор в открытое состояние. Этот интервал времени соответствует длительности фронта включения транзистора .
Общее время включения транзистора составляет tвкл = вкл + . Очевидно, что при включении МОП- транзистора, главным фактором, определяющим его быстродействие, является скорость заряда входного конденсатора Сiss. При этом необходимо отметить, что при включении транзистора появляется ток обратной связи истока и затвора через емкость СGD. Этот ток, замыкающийся через цепь управления транзистором, повышает эффективность емкости , замедляя спад напряжения . Этот эффект называется эффектом Миллера, а емкость СGD — емкостью Миллера.
Рис. 1.18. Динамические процессы в МОП- транзисторе:
а – схема замещения; б – диаграммы напряжения
Скорость заряда емкости затвора определяется параметрами источника сигнала управления, поэтому в целях повышения быстродействия часто используют форсированное включение МОП- транзистора от источника тока на начальном интервале включения с последующим поддержанием необходимого сигнала управления от источника напряжения малой мощности.
Выключение МОП- транзистора. При скачкообразном снижении сигнала управления до нуля в момент времени t = t3 начинается выключение транзистора
( рис. 1.18, б). В начале процесса выключения на интервале задержки td выкл = t4- t3 напряжение на затворе выше порогового значения напряжения . При этом напряжении транзистор переходит в активный режим и напряжение иDS практически не увеличивается. В момент времени t = t5 напряжение на затворе уменьшается до нуля и транзистор находится в режиме отсечки, т.е. в выключенном состоянии. Интервал времени t4— t5 соответствует длительности фронта выключения транзистора . Общее время выключения tВЫКЛ = выкл + .
Динамические процессы МОПБТ. Быстродействие МОПБТ определяется тем, что они сочетают свойства биполярных и МОП- транзисторов. В начале включения переходные процессы МОПБТ и МОП- транзисторов сходны. На конечном интервале в переходном процессе МОПБТ начинают преобладать свойства биполярного транзистора. Это приводит к затягиванию спада напряжения между коллектором и эмиттером, так как переход биполярного транзистора из активного режима в насыщенный происходит более медленно. При выключении характер переходного процесса вначале сходен с процессом в полевом транзисторе, а на конечном интервале — с биполярным из-за накопления избыточных зарядов в одной из областей его структуры.