Биполярные транзисторы (БТ) выпускаются двух типов: n-р-n и р-n-р. Первый (n-р-n) тип преобладает в силовой электронике и поэтому дальнейшее обсуждение транзисторов будет ориентировано на этот тип БТ.
Биполярные транзисторы получили широкое распространение в качестве регуляторов напряжения или тока. Транзисторы могут работать в линейном или ключевом режиме. В линейном режиме рабочая точка транзистора находится в активной области и под действием тока базы относительно медленно перемещается по нагрузочной линии. В режиме переключения рабочая точка «быстро» переходит из области отсечки (состояние низкой проводимости) в область насыщения (состояние высокой проводимости). Скорость и траектория перемещения зависят от параметров цепи нагрузки, частотных свойств транзисторов, значения и формы базового тока. Рассмотрим работу транзистора с активной нагрузкой.
На интервале времени [0, t1] неуправляемый ток Iко = Iкбо создает на базовом резисторе Rб отпирающее напряжение, приоткрывающее транзистор (рабочая точка О находится на границе области отсечки), поэтому для полного запирания транзистора необходимо задать отрицательный ток базы iб = —Iкбо. При этом рабочая точка переместится на границу области отсечки, в точку Б.
С поступлением импульса тока базы Iббн, а именно импульса, большего, чем необходимо для перемещения рабочей точки на границу насыщения, начинается переключение транзистора и его ток коллектора стремится к величине iк = IбB, где В — коэффициент передачи транзистора по току в схеме с общим эмиттером. При достижении значения Iкп = (Е — Uкэн)/Rк рост тока прекращается, а избыточный ток базы, т.е. та часть, которая превышает величину Iбн, ведет к накоплению заряда в базовой области. С увеличением коэффициента избыточности К1 = Iб/Iбн уменьшается время включения транзистора. На интервале включения [t1, t2] ток коллектора изменяется практически по экспоненциальному закону, с постоянной времени тэ = 1/fгр, где fгр— граничная частота усиления транзистора.
Считая, что за время включения (tB) ток коллектора достигает уровня 0, 95 от установившегося значения, определим величину tB:
Для коэффициентов избыточности K1 = 1, 2, 4 значения iB соответственно равны: tB(1)= 2, 994тэ, tB(2)=0, 64тэ, tB(4) = 0, 27тэ.
В момент времени t3 начинается процесс выключение транзистора. Полное время выключения складывается из времени задержки, связанного с рассасыванием избыточных носителей в области базы, и времени спада тока. Оба интервала зависят от избыточности обратного (запирающего) импульса базового тока. В частном случае пассивного запирания (Iб = 0) и при достаточно малом базовом сопротивлении Rб(в справочниках это условие оговаривается специально) время рассасывания равно величине, определяемой соотношением tp = lnK1, а время спада величиной tc = 4тэ.
При активном запирании транзистора отрицательным током базы с кратностью К2 = —IбВ/Iкн времена рассасывания и спада
Таким образом, быстродействие ключа очень сильно зависит от значения и формы базового тока. Оптимальная форма импульса управляющего тока должна обеспечить достаточную избыточность тока на переднем фронте (К1 = 2...3), снижение избыточности до уровня К1 =1,5 к концу интервала отпирания, большую избыточность отрицательного импульса тока базы (К2 = 3...5) на интервале рассасывания и спада тока и последующее снижение величины тока до значения Iкбо.
Величина импульса тока на переднем фронте +Iб определяется напряжением источника Е1 и параллельно включенными резисторами R5 и R6. По мере заряда конденсатора С1 величина импульса тока уменьшается. Запирающий импульс Iб формируется источником Е2 при Открывании транзистора УТ4.
Так как транзистор пропускает ток только в одном направлении, то в цепях с изменяющимся направлением тока параллельно транзистору включают встречной диод VD.
Потери мощности в транзисторе Рк суммируются из потерь в базе и потерь в коллекторе. Ограничиваясь последней составляющей, запишем выражение для приближенной оценки Рк, ориентируясь на линейный закон изменения напряжения и тока на интервалах переключения:
где Iкн, Uкэн — ток коллектора и напряжение на коллекторе транзистора на интервале насыщения; Т — период повторения; Тн = t4 — t2 — длительность интервала насыщения.
В практических схемах в коллекторной цепи силового транзистора обязательно присутствуют индуктивности (например, паразитные индуктивности проводов), в результате чего траектория переключения транзисторов не совпадает с линией резистивной нагрузки на семействе выходных характеристик. Надежная работа транзистора обеспечивается, если рабочая точка при переключении не выходит за пределы области безопасной работы (ОБР). Границы ОБР определяют допустимые значения параметров в различных режимах и приводятся в справочниках.
Для уменьшения мощности коммутационных потерь и предупреждения опасных режимов работы ключей применяется большой набор схемотехнических приемов.
Введение дросселя насыщения L1 в коллекторную цепь транзистора VT1 позволяет ограничить скорость нарастания коллекторного тока транзистора и тем самым уменьшить потери мощности при его открывании. Для разряда энергии, накопленной этим дросселем на интервале открытого состояния транзистора, параллельно ему включены диод VD1 и резистор R1. Для уменьшения скорости нарастания коллекторного напряжения и тем самым уменьшения потерь мощности при выключении параллельно транзистору включается конденсатор С1. Заряд С1 осуществляется через диод VD2, а его разряд при открывании транзистора — через резистор R2.
В реальных устройствах электропитания ток нагрузки изменяется, как правило, в широких пределах. Поэтому в случае реализации ключей на биполярных транзисторах достаточно сложной задачей является поддержание базового тока на уровне, гарантирующем определенную величину коэффициента избыточности К1. Работа при фиксированном значении включающего тока базы может приводить к глубоким перенасыщениям транзистора и, как следствие, к увеличению времени выключения транзистора (время может изменяться на порядок) или переводу рабочей точки открытого транзистора в активную зону (при возрастании тока нагрузки). Для исключения таких режимов целесообразно обеспечивать автоматическую подстройку тока базы к изменяющемуся максимальному току коллектора. Автоподстройку можно получить с использованием схем с нелинейной обратной связью по напряжению и схем с положительной обратной связью по току.
В этой схеме ОС по напряжению обеспечивается диодом VD1, а глубина насыщения — диодами VD2, VD3 (вместо VD2, VD3 может быть включен стабилитрон). При отсутствии перенасыщения транзистора диод VD1 закрыт и ток базы Iб транзистора равен току управления IУ. Перенасыщение транзистора приводит к уменьшению напряжения Uкб и соответственно напряжения Uкэ = Uкб + Uбэ. При уменьшении напряжения Uкб (плюс на коллекторе относительно базы) до значения, равного напряжению открытого диода Uпр открывается диод VD1 и часть тока IУ ответвляется в цепь диода VD1, уменьшая тем самым ток базы и предотвращая нежелательное перенасыщение транзистора. Из уравнения баланса напряжений: UVD2 + UVD3 +Uбэ =UVD1 + Uкэ следует, что Uкэ — Uбэ + Uпр.
При подаче управляющего сигнала на вход схемы в цепи «базо-эмиттерный переход VT1, базо-эмиттерный переход силового ключа VT», протекает стартовый ток управления. При открывании транзистора VT через первичную обмотку Т протекает ток нагрузки Iэ=IнТок вторичной обмотки трансформатора, нагруженной на коллектор-эмиттерный переход насыщенного транзистора VT1, и базо-эмиттерный переход силового транзистора VT будет меньше тока первичной обмотки в число раз, равное коэффициенту трансформации трансформатора Т при любом токе нагрузки, что и обеспечивает пропорционально-токовое управление силовым транзистором.
Недостатком мощных высоковольтных биполярных транзисторов является низкая величина коэффициента передачи по току в режиме насыщения. Для приборов с граничным напряжением Uкэ rp > 250 В коэффициент передачи по току В=5...7. Это затрудняет согласование мощных транзисторов с маломощными управляющими устройствами и требует введения в схему усилителей тока. Так например, при Iкн = 10 А, В = 5, К1 = 1,4 необходимый ток базы составит Iб = 2,8 А. Включение транзисторов по схеме Дарлингтона позволяет увеличить коэффициент передачи тока базы до значения, равного произведению коэффициентов передачи транзисторов VT1 и VT2: ВE=В1В2.
Транзисторы VТ1 и VT2 в составном транзисторе выбираются на одинаковые рабочие напряжения. Транзистор VT1 формирует ток базы мощного транзистора VT2. Низкоомные резисторы R1 и R2 обеспечивают цепь для токов коллекторно-базовых переходов (Iкбо) в закрытом состоянии транзисторов. Диод VD1 обеспечивает цепь запирающего базового тока для транзистора VT2 на случай, если маломощный транзистор VT1 запирается раньше. Диод VD2 является шунтирующим для обратных напряжений. Однако следует иметь в виду, что применение схемы Дарлингтона приводит к увеличению напряжения насыщения мощного транзистора, т. е. приводит к увеличению потерь мощности на нем. При больших токах нагрузки в практических схемах вместо одного транзистора VT2 используется несколько параллельно включенных между собой транзисторов. Для выравнивания токов через эти параллельно включенные транзисторы в цепь эмиттера каждого из них чаще всего включают низкоомные сопротивления.
Еще одним недостатком биполярных транзисторов является большой разброс коэффициента передачи по току, поэтому оптимальный режим управления для одного транзистора может не выполняться при замене его на другой. Следует иметь в виду, что из-за малого сопротивления транзисторов в режиме насыщения и малой их перегрузочной способности в общем случае транзисторы невозможно защитить плавкими предохранителями. Защита возможна только быстродействующими электронными средствами.
Используемая литература: Электропитание устройств и систем телекоммуникаций:
Учебное пособие для вузов / В. М. Бушуев, В. А. Демянский,
JI. Ф. Захаров и др. — М.: Горячая линия—Телеком, 2009. —
384 с.: ил.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com