1.8.2. Вторая схема электронного ключа на базе транзистора

Е_п

Е сли коммутатор КМ разомкнут, то транзисторы находятся в закрытом состоянии. Пассивное запирание транзисторов VT₁ и VT₂ обеспечивают осуществляют резисторы R₁. и R₂. При замыкании КМ появляется ток в цепи +E_пит – эмиттер-база VT₂ – R₃ – КМ – общий провод. В следствие чего появляется ток первого транзистора по цепи +E_пит – эмиттер-колектор VT_2­ –база-эмитер VT₁ – R_н – общий провод. Часть тока от источника +E_пит­ проходит через резисторы R₁. и R₂, которые шунтируют эмиттерные переходы. Обычно номиналы резисторов выбирают так, чтобы токи резисторов R₁. и R₂ были 5÷15 % от соответствующих токов баз соответствующих транзисторов.

Результирующий коэффициент передачи тока этого составного транзистора также определяется выражением , где и – коэффициенты передачи тока транзисторов VT₁ и VT₂.

1.9 Силовые электронные ключи на основе igbt-транзисторов

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) выполнены как сочетание входного униполярного (полевого) транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) и выходного биполярного n-p-n транзистора (БТ). Имеется много различных способов создания таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), в которых удачно сочетаются особенности полевых транзисторов с вертикальным каналом и дополнительного биполярного транзистора.

При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором, имеющих вертикальный канал, образуется паразитный биполярный транзистор, который не находил практического применения. Схематическое изображение такого транзистора приведено на рис. 6.12а. На этой схеме VT полевой транзистор с изолированным затвором Т1-паразитный биполярный транзистор, R₁ – последовательное сопротивление канала полевого транзистора, R₂ – сопротивление шунтирующее переход база-эммитер биполярного транзистора Т1. Благодаря сопротивлению R₂ ,биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT. Выходные вольт-амперные характеристики ПТИЗ, приведенные на рис. 6.12б характеризуются крутизной S и сопротивлением канала R₁.

Структура транзистора IGBT аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена еще одним p-n переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис. 6.12в) появляется еще один p-n-p транзистор Т2.

Образовавшаяся структура из двух транзисторов Т1 и Т2 имеют глубокую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзистора Т2 влияет на ток базы транзистора Т1, а ток коллектора транзистора Т1 определяет ток базы транзистора Т2, принимая, что коэффициенты передачи тока эммитера транзистора Т1 и Т2 имеют значения α₁ и α₂ соответственно. Найдем I_k2=I_э2 α₂, I_k1=I_э1 α₂, I_э= I_k1+ I_k2+I_c.

Из последнего уравнения можно определить ток стока полевого транзистора

I_c=I_э(1- α₁- α₂).

Поскольку ток стока I_c ПТИЗ можно определить через крутизну S и напряжения U_з на затворе I_c = SU_з, определим ток IGBT транзистора

,

где =S/[1- ] – эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изолированным затвором.

Рис.6.12

Рис 6.12. Схема замещения ПТИЗс с вертикальным каналом (а) и его вольт-амперные (б) характеристики, схема замещения транзистора типа IGBT (в) и его вольт-амперные характеристики.

Очевидно, что при 1 эквивалентная крутизна значительно превышает крутизну ПТИЗ. Регулировать значения можно изменением сопротивлений R₁ и R₂ при изготовлении транзистора. На рис. 6.12г приведены вольт-амперные характеристики IGBT транзистора, которые показывают значительное увеличение крутизны по сравнению с ПТИЗ. Так, например, для транзистора BUP 402 получены значения крутизны 15А/В. Другим достоинством IGBT транзисторов является значительное снижение последовательного сопротивления и, следовательно, снижение падения напряжения на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что последовательное сопротивление канала R₂ шунтируется двумя насыщенными транзисторами Т1 и Т2, включенными последовательно.

Рис. 6.13. Условное схематичное изображение транзистора БТИЗ (а)и его область безопасной работы(б).

Условное схематическое изображение БТИЗ приведено на рис.6.13. Это обозначение подчеркивает его гибридность тем, что изолированный затвор изображается как ПТИЗ, а электроды коллектора и эммитера изображаются как у биполярного транзистора.

Область безопасной работы БТИЗ подобно ПТИЗ, т е, в ней отсутствует участок вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. На рис. 6.13б приведены область надежной (безотказной) работы (ОБР) транзистора типа IGBT с максимальным рабочим напряжением 1200В при длительности импульса 10мкс. Поскольку в основу транзисторов типа IGBT положены ПТИЗ с индуцированным каналом, то напряжение, подаваемое на затвор, должно быть больше порогового, которое имеет значение 5…6В.

Быстродействие БТИЗ несколько ниже быстродействия полевых транзисторов, но значительно выше быстродействия биполярных транзисторов. Исследования показали, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения не превышают 0,5…1,0мкс.