9.Примеры выполнения силовых каналов
на полевых транзисторах
Применение мощных МДП-транзисторов в импульсных преобразователях позволяет получить следующие преимущества:
1. Уменьшение динамических потерь.
2. Повышение частоты переключения и, как следствие, снижение массогабаритных показателей трансформаторов и фильтров.
3. Упрощение схемы управления.
4. Повышение нагрузочной способности по току и тепловой стабильности.
остаточное ; Rс - нагрузочное сопротивление в цепи стока.
Рисунок
24. Семейство выходных ВАХ
полевых
транзисторов
Повышение частоты переключения до сотен килогерц позволяет снизить удельную мощность ИВЭП до 200...500 Вт/кг при эффективности преобразования 80...95%. В данных режимах процессы переключения МДП-транзисторов зависят от структуры схемы и характера нагрузки.
Семейство выходных ВАХ полевых транзисторов показано на рис.24 : Ic – ток стока; Ic ост – ток стока остаточный; Uси – напряжение сток-исток; Uзи – напряжение затвор-исток; Uп –питающее напряжение; Uс ост - напряжение стока.
Параметры полевых транзисторов приведены в приложении. Основная схема включения – с общим истоком (рис.25).
Рисунок
25. Схема с общим истоком
на
мощном МДП-транзисторе
На рисунках 26 - 31 приведены схемы включения полевых транзисторов для различных типов ППН.
Рисунок
26. Понижающий стабилизатор
постоянного
напряжения
Рисунок
27. Однотактный прямоходовой преобразователь
напряжения
Рисунок
28. Однотактный обратноходовой преобразователь
напряжения
Основным достоинством однотактных схем является отсутствие схем симметрирования работы трансформаторов, малое количество ключей, простота схем управления. Наиболее широкое применение находят два типа однотактных преобразователей с передачей энергии в нагрузку на этапе замкнутого состояния регулирующего ключа (в импульсе) и с передачей энергии на этапе разомкнутого состояния ключа (в паузе), называемых также прямоходовыми (рис. 27) и обратноходовыми (рис. 28) преобразователями. Регулирование выходного напряжения возможно только при совместной работе собственно преобразователя, содержащего силовой ключ и разделительный трансформатор, и импульсного регулятора напряжения.
В первом приближении мощность потерь при включении в режиме непрерывных токов можно определить:
,
где
Е
–это питающее напряжение Uвх,
f
– частота коммутации, I0
– ток нагрузки,
.
Для
расчета потерь на выключение
следует учесть, что
=
Iн
При увеличении выходной мощности в нагрузке используют двухтактные преобразователи. Двухтактные схемы на полевых транзисторах показаны на рис. 29 – 31.
Рисунок
29. Двухтактный импульсный преобразователь с
нулевым выводом
В двухтактном импульсном преобразователе с нулевым выводом (рис. 29) U0 – выпрямленное напряжение на входе накопительного фильтра. В схеме с нулевым выводом к ключевому транзистору прикладывается двойное напряжение питания. Другим недостатком схемы является возможность насыщения ВЧ транзистора постоянной составляющей тока подмагничивания из-за неидеальности отдельных плеч преобразователя. Это ограничивает применение схемы с нулевым выводом при относительно высоких уровнях (>100 В) питающего напряжения.
Рисунок
30. Полумостовой импульсный
преобразователь
Указанных недостатков лишены схемы полумостовой конфигурации (рис. 30), которые находят более широкое практическое применение. При работе на активно-индуктивную нагрузку транзисторы в двухтактных схемах должны быть зашунтированы встречно-параллельными диодами для обеспечения сброса избыточной энергии дросселя.
Рисунок
31. Мостовая схема импульсного
преобразователя
В случае применения мощных МДП-транзисторов в качестве обратных диодов могут быть использованы внутренние диоды структуры основного ключа. В мостовых схемах (рис. 31) на быстрых МДП-транзисторах следует учитывать высокие скорости изменения напряжения, прикладываемые к закрытому ключу при включении противофазного транзистора. Это может приводить к следующим отказам:
1. Включение нижнего транзистора за счет заряда входной емкости выше порогового уровня.
2. Включение паразитного биполярного транзистора за счет емкостной составляющей тока через выходную емкость.
3. Включение паразитного биполярного транзистора при выключении внутреннего обратного диода, что эквивалентно резкому увеличению заряда восстановления.
Рисунок
32. Отрицательное смещение во входной
цепи
МДП-транзистора
По указанным причинам рекомендуется применять схемы управления с отрицательным смещением в цепи затвор – исток при закрытом состоянии ключа (рис. 32), а также специальные типы МДП-транзисторов, в которых эффект отпирания паразитного биполярного транзистора подавлен технологическими методами управления временем жизни носителей.
Основные справочные параметры, используемые при выборе и расчете режимов силовых ключей, приведены в табл. 13, 14.
Таблица 13
Группа параметров |
Название параметра |
Обозначение |
Режим измерения |
|
Рус. |
Англ. |
|||
По напряжению на коллекторе |
Напряжение про- боя коллекторного перехода
|
VКБ 0 ПРОБ |
V(BR)CBO |
При токе эмиттера равном нулю |
Напряжение про- боя коллектор – эмиттер
|
VКЭ0 ПРОБ |
V(BR)CEO |
При токе базы равном нулю |
|
Напряжение про боя коллектор –эмиттер при за- данном смещении базовой цепи |
VКЭ К ПРОБ |
V(BR)CES |
S-при коротком замыкании базы и эмиттера R-при конечном резисторе между базой и эмиттером |
|
VКЭR ПРОБ |
V(BR)CER
|
|||
Продолжение таблицы 13
По напряжению на коллекторе
|
Напряжение пробоя коллектор - эмиттер при заданном смещении базовой цепи
Максимально допустимое напряжение коллекторного перехода
Максимально допустимое напряжение коллектор -эмиттер
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер |
VКБ ПРОБ
VКБ МАКС
VКЭ МАКС
VКЭ НАС |
V(BR)CEX
VCBO
VCEO
VCE(sat) |
Х- при отрицательном смещении в базовой цепи.
При токе эмиттера равном нулю
При токе базы, равном нулю
При заданном токе коллектора и прямом токе базы |
По току коллектора
|
Ток коллектора отсечки
Максимально допустимый ток коллектора
Максимально допустимый импульсный ток коллектора |
IК МАКС
IК И |
ICEX
IC
ICM |
При отрицательном смещении в цепи базы При заданной температуре корпуса
При заданной длительности импульса |
По цепи управления |
Максимально допустимое обратное напряжение база-эмиттер
Ток базы отсечки
Напряжение насыщения база - эмиттер
|
VБЭ МАКC
---
VБЭ НАС |
VEBO
IEBO
VBE(set) |
При нулевом коллекторном токе
При отрицательном смещении в цепи базы и нулевом токе коллектора
При заданном токе коллектора и прямом токе базы |
Продолжение таблицы 13
По коэффициенту усиления
|
Статический коэффициент усиления тока
Частота единичного усиления |
BN (h21Э)
fT (fГР) |
hFE
fT |
При заданном токе коллектора и небольшом напряжении коллектор-эмиттер При заданном токе коллектора |
Динамические параметры
|
Время нарастания тока коллектора
Время включения
Время спада тока коллектора
Время рассасывания Барьерная емкость коллекторного перехода |
tНАР
tВКЛ
tСП
tРАСС CКБ |
tR
tON
tF
tS CCB |
При заданном режиме входной и выходной цепи
При заданном выходном напряжении |
Тепловые параметры
|
Тепловое сопротивление переход-корпус
Тепловое сопротивление переход — окружающая среда
Тепловое сопротивление корпус-охладитель
Переходное тепло- вое сопротивление переход-корпус
Максимально допустимая температура перехода |
RТ(П К)
RТ(П С)
RТ(К О)
rТ
TП МАКС |
RThJ C
RThJ A
RThC S
ZThJ C
TJ(max) |
При использовании охладителя При отсутствии охладителя
При заданных параметрах контакта корпуса с охладителем При заданной длительности импульса
Отрицательная и положительная |
Продолжение таблицы 13
|
Максимальная температура хранения
Температура корпуса Температура окружающей среды |
TХР
TК
TСР |
TSTG
TC
TA |
|
Мощность |
Максимальная мощность рассеяния в коллекторе |
PK |
PC |
При заданной температуре корпуса |
Дополнительным фактором обеспечения надежной работы преобразователя является строгий алгоритм подключения систем питания.
.
При запуске сначала подается напряжение в схему управления, затем включается силовое питание. При выключении преобразователя первым отключается силовое питание, затем проверяется разряд всех фильтровых конденсаторов и только в последнюю очередь отключается питание цепей смещения транзисторов.
Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT характеризуются практически той же системой параметров, что и представленная для мощных МДП-ключей.
Отличие заключается в том, что вместо сопротивления открытого канала приводится напряжение насыщения коллектор-эмиттер Vкэ нас (Vсе(sat)) , которое определяется для заданного тока коллектора и напряжения на затворе.
Параметры мощных МДП-транзисторов (рис. 34) приведены в таблице 14.
Таблица 14.
Группа
|
Название параметра
|
Символ
|
Примечание
|
||
Напряжение на стоке
|
Напряжение пробоя сток-исток
Напряжение пробоя сток-затвор
Максимально допустимое напряжение сток-исток |
─
─
VСИ МАКС
|
V(BR)DSS
V(BR)DGR
VDS |
При коротком замыкании затвора с истоком
При резисторе между затвором и истоком
|
|
Ток стока
|
Ток стока отсечки
Максимально допустимый ток стока
Максимально допустимый импульсный ток стока |
IOCT
IC МАКС
IСИ
|
IDSS
ID
IDM |
При коротком замыкании затвора и истока и выходном напряжении VDS При заданной температуре корпуса TC
При заданной длительности импульса tр |
|
Параметры цепи управления
|
Максимально допустимое прямое (обратное) напряжение затвор-исток
Пороговое напряжение затвор-исток
Ток утечки затвора |
VЗИ МАКС
VЗИ ПОР
IЗ ОБР
|
VGSS
VGS(th)
IGSS |
При коротком замыкании сток-исток
При выходном напряжении VDS
При входном напряжении VGSS и коротком замыкании сток-исток |
|
Усилитель -ные параметры
|
Крутизна прямой передачи (силовая крутизна)
Сопротивление сток-исток в открытом состоянии |
S
RСИ |
gFS
RDS(on)
|
При заданном выходном напряжении и токе стока
При заданном токе стока и напряжении затвор-исток |
|
|
|||||
Продолжение таблицы 14
Группа
|
Название параметра
|
Символ
|
Примечание
|
|
Динамические параметры
|
Время задержки включения
Время задержки выключения
Время нарастания тока стока
Время спада тока стока
Входная емкость
Выходная емкость
Проходная емкость
Общий заряд в цепи затвора
Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии
Паразитная индуктивность выводов |
tЗ ВКЛ
tЗ ВЫКЛ
tНАР
tСП
С11 И
С22 И
С12 И
—
dV/dt
–─
|
tD(ON)
tD(OFF)
tR
tF
C1SS
C0SS
CRSS
QG
dV/dt
LS |
При заданном режиме входной и выходной цепи
при заданном выходном напряжении на частоте 1 МГц C1SS=CGS+CGD C0SS=CGD+CDS CRSS=CGD
При заданном режиме нагрузки и управления При заданной амплитуде выходного напряжения, коротком замыкании затвор-исток и максимальной темпера- туре перехода в цепи сток-исток |
Тепловые параметры |
Тепловое сопротивление переход –корпус
Тепловое сопротивление переход -окружающая среда
Тепловое сопротивление корпус — охладитель |
RТП К
RТП С
RТК О |
RThJC
RThJA
RThCS
|
При использовании охладителя
При отсутствии охладителя
При заданных пара- метрах контакта корпуса с охлади- телем |
Таблица 14 (окончание)
Группа
|
Название параметра
|
Символ
|
Примечание
|
|
|
Переходное тепловое сопротивление пере- ход—корпус
Максимально допустимая температура перехода
Максимальная температура Хранения
Температура корпуса
Температура окружающей среды |
rT
TП МАКС
TХР
TK
TОКР
|
ZThJC
TJ(max)
TSTG
TC
TA
|
При заданной длительности импульса
Для отрицательного и положи- тельного диапазона температур
|
Мощность
|
Максимальное значение мощности рассеяния
Энергия потерь при включении
Энергия потерь при выключении |
PМАКС
─
─ |
PD
EON
EOFF |
При заданной температуре корпуса При заданном режиме нагрузки и управления
|