Термин «комбинированные» подчеркивает особенности построения ключей из нескольких приборов с целью улучшения характеристик переключателей тока. Примером комбинированного ключа (КК) может служить рассмотренный выше составной транзистор. Техническая реализация КК может базироваться на схемных решениях или интегральных технологиях. Рассмотрим ряд примеров КК, используемых в технике электропитания.
Каскодный ключ. Как было отмечено выше, биполярные транзисторы подвержены вторичному пробою в режимах переключения. Опасность вторичного пробоя мощного высоковольтного биполярного транзистора возникает при его выключении в том случае, когда при некоторых токах нагрузки прибор оказывается в режиме перенасыщения. Признаками вторичного пробоя являются резкий спад напряжения коллектор-эмиттер, что обусловлено изменением полярности напряжения база-коллекторного перехода, или появление генерации высокочастотных колебаний в кривой напряжения база-эмиттер. Риск вторичного пробоя при выключении транзисторов может быть уменьшен при применении каскодных схем.
Высоковольтный транзистор VT1 по цепи управления получает постоянный ток Iу, достаточный для перемещения его рабочей точки в область насыщения. Низковольтный быстродействующий транзистор VT2 управляется импульсным напряжением, отпираясь на время действия импульсов и запираясь в паузе.
При запирании VT2 размыкается цепь эмиттера высоковольтного транзистора, а вместе с этим по всей поверхности его эмиттера прекращается инжекция электронов.
Ток коллектора, поддерживаемый индуктивной нагрузкой, через коллекторно-базовый переход высоковольтного транзистора «выносит» избыточные заряды из базовой области, обеспечивая перевод рабочей точки транзистора VT1 в активную область и форсированное его выключение. В практических схемах при каскодном включении удается уменьшить время выключения высоковольтного транзистора в десятки раз, при расширении ОБР практически до значений граничного напряжения.
Недостатком каскодного ключа является увеличенное падение напряжения в открытом состоянии, суммируемое из напряжений Uкэ низковольтного и высоковольтного транзисторов.
Биполярно-полевые транзисторы. Технология полевых транзисторов оказалась плодотворной для создания новых (комбинированных) типов приборов, объединяющих положительные свойства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном состоянии. В отечественной литературе комбинированные приборы получили название биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ). Зарубежные фирмы обозначают этот класс приборов по разному: IGBT (Insulated Gate Bibolar Transistor) или GEMFET (Gate Enhance Mode Feld Effect Transistor). Эти приборы сочетают в себе по крайней мере два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления).
БТИЗ содержит два биполярных транзистора VT1 и VT2, соединенных между собой по схеме Дарлингтона, и МОП-транзистор, обеспечивающий управление этими биполярными транзисторами. В настоящее время выпускаются модули, выполенные на основе БТИЗ, способные коммутировать токи до 1800 А при напряжении до 4500 В. Причем длительность выключения составляет десятые доли мс, что позволяет достаточно успешно использовать эти модули на частотах до 50 кГц. Падение напряжения на открытом приборе составляет 1,2...1,5 В.
Ключи с высоким уровнем интеграции защитных и вспомогательных функций. Именно с этим классом приборов связано появление в силовой электронике термина «интеллектуальные ключи» (ИК). Как правило, ИК включает несколько уровней защиты: тепловой, от перегрузки по току, от перенапряжения. Кроме того, ИК включает интерфейс, обеспечивающий работу ключа при уровнях сигналов, соответствующих ТТЛ логике (+5 В), и контроль состояния ключа.
Достаточно сложной проблемой силовой электроники является измерение тока ключей. Необходимость измерения связана с задачами контроля допустимых значений тока и защиты от перегрузок, с формированием «токовых» режимов управления, определения моментов снижения тока до нуля и ряда других. Распространенные методы контроля тока с помощью измерительных резисторов конструктивно трудоемки и связаны с дополнительными потерями электрической мощности. Для упрощения задачи ряд производителей силовых приборов выпускает силовые МОП-транзисторы с «токовым зеркалом». Идея заключается в том, что часть микротранзисторов, образующих силовой ключ, не объединены в общую параллельную группу, а имеют самостоятельный истоковый вывод. Измерительный шунт, включаемый в эту цепь, фиксирует ток, пропорциональный результирующему току ключа. При известных значениях кратности Ki «зеркального» тока (порядка 1/1000) и измерительного резистора (Rs) падение напряжения на нем достаточно точно отображает значение тока ключа (Is = Us/KiRs), при этом потери мощности в измерительной цепи в Ki раз меньше, чем в типовой схеме измерения. В ряде случаев, например в рассмотренной ранее каскодной схеме ключа, роль измерительного элемента может выполнять полевой транзистор. При сопротивлении открытого МОП-транзистора порядка 4...4,5 мОм падение напряжения на нём составит 0,4...0,45 В при токе ключа 100 А.
В высоковольтных устройствах (при напряжении питания более 200 В), распространена технология применения интеллектуальных модулей, сочетающая конструктивно силовой ключ, многофункциональный драйвер контроля и защиты ключа, адаптер цифрового управления. Такой подход открывает широкие возможности для использования специализированных микропроцессоров и построения источников и систем питания нового поколения. По прогнозам специалистов развитие преобразовательной техники и источников питания ближайшего десятилетия тесно связано с технологией интеллектуальных модулей.
Используемая литература: Электропитание устройств и систем телекоммуникаций:
Учебное пособие для вузов / В. М. Бушуев, В. А. Демянский,
Л. Ф. Захаров и др. — М.: Горячая линия—Телеком, 2009. —
384 с.: ил.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com