книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

Общая для всей структуры коллекторная область суммирует все приходящие с эмиттеров токи. Эквивалентную схему можно представ, ть как параллельное соединение нескольких транзисторов (рис. 13.6,6).

Потребляемая биполярным транзистором в режиме переключекия мощность расходуется в цепи управления в период удержания, а также в выходной цепи при его отпирании и запирании (активная область работы ).

Выбор типа транзистора производится при предельно допустимом сочетании параметров с использованием приведенного в технических > с- ловиях графика безопасной работы, который построен на основе выходных характеристик транзистора с учетом тепловых режимов. Особенностью ра­ боты силовых биполярных транзисторов в предельных режимах является возможность его саморазогрева за счет положительной электротепловой обратной связи, образующейся вследствие увеличения тока при повыше­ нии температуры.

Биполярные транзисторы с небольшим коэффициентом передачи то­ ка потребляют сравнительно большую энергию по базовой цепи. Указан­ ный недостаток устранен в приборах, имеющих два устойчивых состояния, которые сохраняются при снятии входного сигнала, т. е. без затрат энер­ гии по цепи управления. Такой прибор, называемый т и р и с т о р о м , предназначен для переключения (коммутации) тока и содержит три в*пимодействующих р-п перехода в четырехслойной рг-щ-рх-щ структуре (рис. 13.7,а).

Рис. 13.7. Структура (о), эквивалентная схема (б), характеристики ( в ) и обозначение тиристора (г)

Для получения статической характеристики тиристора его структур) удобно представить условно разделенной на две части, которым соответст­ вуют транзисторы Ti и Т2 на эквивалентной схеме (рис. 13.7,6). Анализ процессов с помощью эквивалентной схемы позволяет получить зависи­ мость тока / через переходы от напряжения U между внешними выводами катода (К) и анода (А). При положительном напряжении на катоде перехо­ ды п2-р2 и п\-р\ смещены в прямом, а переход п2-р\ - в обратном направле­ ниях, что определяет весьма малый ток закрытого перехода / к0 через при­ бор. Указанная полярность приложенного напряжения обеспечивает ак­

тивный (усилительный) режим транзисторов Tj и Т 2, для которого спра­

/ = / к0/[1 -(а, + а2)].

Характеристика структуры определяется приложенным напряжени­ ем U вследствие зависимости ai и аг от напряжений и токов переходов. Ес­ ли приложенное положительное напряжение невелико, то коэффициенты передачи близки к нулю и рост напряжения приводит к небольшому уве­ личению тока (рисЛ 3.7,в). При существенном увеличении напряжения на­ блюдается достаточно быстрый рост ai и аг, так что их сумма приближает­ ся к единичному значению (a, + а2) = 1. При напряжении U= Unпроисхо­ дит лавинообразный рост тока, отображаемый на характеристике участком /л < I < 1Ис отрицательным дифференциальным сопротивлением. Увеличе­ ние тока снижает потенциальный барьер среднего перехода, и при значе­ нии /н все переходы оказываются смещенными в прямом направлении (режим насыщения). При этом общее напряжение t/„ складывается из на­ пряжений насыщения на открытых переходах. Изменение полярности приложенного напряжения практически дает значение обратного тока пе­ рехода I = / ко вплоть до электрического пробоя перехода при напряжении

С/= и„р.

Прибор, управляемый напряжением, приложенным к двум внешни­ ми электродам, называется д и о д н ы м т и р и с т о р о м , или д и н и ­ ст оро м . Его включение (перевод в проводящее состояние) осуществля­ ется приложением достаточного значения прямого напряжения U > Un. Ус­ тановившееся значение тока, определяемое восходящей ветвью характери­ стики при U> Un, обычно слишком велико для нормальной работы. Поэто­ му вначале прибор переводится в проводящее состояние и затем устанав­ ливается ток при меньших значениях напряжения. Выключение прибора осуществляется подачей обратного напряжения (противоположной поляр­ ности) или снижением тока до / < /л.

Напряжение включения тиристора Un можно изменять подачей тока через специально сформированный электрод, контактирующий с областью Pi (рис. 13.7,г). Ток управляющего электрода /уЬ складываясь с током кол­ лектора Ть увеличивает ток через переход и снижает напряжение срабаты­ вания Un] (рис. 13.7,в). При напряжении U < Un тиристор можно перевести в проводящее состояние с помощью импульса тока управления /у. После снятия сигнала управления тиристор останется во включенном состоянии.

Существует несколько структур тиристоров, обладающих различны­ ми свойствами и характеристиками. Среди них следует упомянуть симмет­ ричные тиристоры (симисторы) и запираемые тиристоры, которые вклю­

чают и выключают с помощью импульсов тока управления различной по лярности.

К недостаткам тиристоров следует отнести относительно низкое бы стродействие, обусловленное большим временем выключения. Волыни ство групп тиристоров обладает также ограниченной управляемостью, в ражающейся в возможности отпирания по маломощной цепи управления, запирания - по силовой цепи. Возможность отпирания с помощью коро i ких импульсов напряжения снижает помехоустойчивость.

Мощные п о л е в ы е т р а н з и с т о р ы нашли применение в не прерывных и импульсных энергетических преобразователях. В отличие t биполярных приборов, управляемых с помощью входного тока, в полев!

транзисторах управление выходным током осуществляется с помощью вы ходного напряжения. Наибольшее распространение получили полевые транзисторы, имеющие структуру «металл - диэлектрик —полупроводни (МДП). На полупроводниковой подложке р-типа формируются облас и п -типа с металлическими выводами стока (С) и истока (И), между кото­ рыми помещен металлический затвор (3), изолированный от подложки тонким слоем диэлектрика из окиси кремния (рис. 13.8,а).

и

При коммутации значительных токов преимущественно используют­ ся МДП-транзисторы с индуцированным каналом л-типа. Относительно высокое сопротивление канала (доли ома) приводит к большому падению напряжения в открытом состоянии. Сопротивление проводящего канала пропорционально его длине. Для уменьшения прямого падения напряжения прибор изготавливают с коротким каналом, который обеспечивает высокою крутизну проходной характеристики в линейном режиме: ic =gmu

Увеличение допустимого значения выходного тока (стока) достига­ ется за счет параллельного соединения отдельных структур, при этом у величиваются габариты прибора, а также возрастают значения межэлектрод­ ных емкостей, снижающих быстродействие и вызывающих рост потребле­ ния при переключении. Уменьшение площади, занимаемой прибором, дос­ тигается путем использования V-образных структур с вертикальным рас­ положением каналов (рис.13.8,6).

МДП-транзистор обладает существенной зависимостью параметров от температуры. Рост температуры прибора приводит к увеличению сопро­

тивления канала и уменьшению тока, что создает высокую теплостойкость устройства. Для обеспечения системы регулирования температуры и защи­ ты приборов МДП-транзисторы снабжаются встроенными датчиками тока. Конструктивно под датчик тока выделяют одну из параллельных ячеек в структуре транзистора (рис. 13.8,в).

Полевые транзисторы применяются в силовых преобразователях для коммутации больших токов при не слишком высоких напряжениях. По­ вышение допустимого напряжения требует расширения стоковой области и+-типа, что ведет к увеличению сопротивления открытого транзистора. Достоинствами прибора являются весьма малое потребление тока по цепи управления, очень большой коэффициент усиления тока и простота сопря­ жения с параметрами управляющих логических элементов.

Полевые транзисторы применяются в мощных выходных усилитель­ ных каскадах. Эквивалентная схема МДП-транзистора на участке выход­ ной характеристики с малым наклоном может быть представлена источни­ ком тока с большим внутренним сопротивлением, составляющим десятки килоом. Согласование такого прибора с низкоомной нагрузкой представ­ ляет определенные технические трудности. Для мощных выходных усили­ тельных каскадов разработаны полевые транзисторы со статической ин­ дукцией (СИТ), на выходных характеристиках которых отсутствует поло­ гий участок (область насыщения тока стока). В структуре полупроводника и-типа расположены цилиндрические области р - типа, на границе которых образуются р-п переход и высокоомная область 1, обедненная основными носителями (рис 13.9,а).

Рис. 13,9. Структура (я), принцип действия (б) и характеристики (в) транзистора со ста­ тической индукцией

Для получения больших значений управляемого тока структура вы­ полняется многоканальной с несколькими затворами в форме цилиндров (рис 13.9,6). Такая конструкция обеспечивает малую длину канала, что способствует отсутствию насыщения тока стока. При нулевом напряжении затвора канал имеет максимальную ширину dmи наименьшее сопротивле­ ние канала. Положительное напряжение и си создает ток стока, который практически линейно зависит от этого напряжения (рис. 13.9,в).

Подача отрицательного напряжения на затвор приводит к расшире­ нию обедненного подвижными носителями слоя и частичному перекрытию Проводящего канала между истоком и стоком. Чем больше запирающее

напряжение затвора С/3, тем выше напряжение стока Uc, требуемое для компенсации повышающегося барьера. Повышение отрицательного на пряжения затвора приводит к сдвигу выходных характеристик в сторогу увеличения С/с. При этом линейная зависимость тока от напряжения сохрг няется на большом участке характеристики. Положительное напряжение затвора снижает потенциальный барьер. При некотором значении он про падает и транзистор становится неуправляемым.

Успехи технологии позволили создать комбинированную структурх содержащую силовой биполярный и управляющий КМОП-транзисторг (13.10,а).

вым затвором образует управляющий полевой транзистор с индуцирован­ ным каналом «-типа. Ток стока МОП-транзистора является управляющим током базы силового транзистора Т! (рис. 13.10,6). Управляемость улучша­ ется за счет образования в структуре транзистора Т2, который вместе с 1 образует составной транзистор. В целом структура обеспечивает весьма

н ы м з а т в о р о м , или IGBT-прибором (Insulated Gate Bipolar Transistor), объединяет преимущества полевых транзисторов (совместимость по урон ням управления с цифровыми логическими элементами, очень больше входное сопротивление) с достоинствами силовых биполярных транзисто­ ров (малое выходное сопротивление, большие значения коммутируемых токов при высоких напряжениях).

Промышленность выпускает IGBT-приборы с широкой номенклао рой параметров, как в виде отдельных изделий, так и в составе силош ы блоков, оснащенных системами контроля и управления.

П а с с и в н ы е к о м п о н е н т ы , применяемые в силовых устрой ствах, работают при больших токах и высоких напряжениях, что обус вило специфику их параметров и конструктивного исполнения.

Р е з и с т о р ы по принципу действии являются преобразователями электрической энергии в тепловую, которая рассеивается в окружающем пространстве. В мощных высокоэффективных преобразователях резисторы применяются в случаях крайней необходимости для регулирования и огра­ ничения тока, гашения избыточной мощности, задания интервалов време­ ни, а также вместе с конденсаторами в фильтрах маломощных источников электропитания. В сильноточных блоках при низкой частоте используются проволочные резисторы, имеющие высокую надежность при работе в ши­ роком температурном диапазоне.

К о н д е н с а т о р ы применяются в большинстве силовых блоков (в составе стабилизаторов и фильтров, во времязадающих цепях). Конден­ саторы энергетических устройств находятся под одновременным воздейст­ вием постоянного и переменного (пульсирующего) напряжений. К основ­ ным параметрам силовых конденсаторов следует отнести номинальную емкость и ее отклонения в условиях эксплуатации, номинальное напряже­ ние, реактивную мощность в заданном диапазоне частот, тангенс угла по­ терь, характеризующий рассеяние энергии внутри конденсатора, которое приводит к разогреву прибора.

Лучшими удельными параметрами обладают электролитические конденсаторы, имеющие наибольшую емкость при заданном объеме и до­ пустимом напряжении. Большинство выпускаемых типов электролитиче­ ских конденсаторов рассчитано на работу при однополярном напряжении. Кроме того, они имеют достаточно высокий уровень потерь и большую инерционность, что ограничивает их использование в низкочастотных уст­ ройствах. При высокой частоте преобразования применяют различные ти­ пы керамических конденсаторов.

И н д у к т и в н ы е к а т у ш к и с ферромагнитными сердечниками (дроссели) нашли широкое применение в силовых устройствах для сгла­ живания кривой тока и в качестве накопителей энергии в импульсных пре­ образователях. Индуктивность дросселя можно оценить с помощью соот­ ношения L = где N —число витков дросселя; s, / - сечение и

длина магнитопровода; р ц - относительная магнитная проницаемость при перемагничивании по частному циклу. В сглаживающих фильтрах через обмотку дросселя наряду с переменной составляющей проходит постоян­ ный ток, приводящий к смещению рабочей точки на кривой В(Н), что мо­ жет привести к насыщению материала. При этом относительная магнитная проницаемость снижается и может приблизиться к единичному значению, когда применение сердечника неэффективно.

Для снижения влияния подмагничивания на параметры дросселя ферромагнитный сердечник изготавливается с немагнитным (воздушным) зазором. Наличие зазора длиной 6 с проницаемостью ц = 1 можно интер­ претировать как изменение относительной магнитной проницаемости ма­ териала сердечника р с. При малой длине зазора 5 « / и высокой прони­

цаемости материала р » 1 для оценки эквивалентной проницаемости сер­ дечника можно воспользоваться соотношением

ц с = [(1/ ц ) + (5 //)]-1= / / 5 .

На основе полученной формулы дроссель с малым зазором прел ставляют линейной индуктивностью L = N 2р 0 l/Ъ. Производство дросселя с большим значением индуктивности требует изготовления сердечника с весьма малым зазором, что приводит к снижению стабильности характери стик при изменении температуры вследствие вариации длины зазора при разогреве сердечника.

Т р а н с ф о р м а т о р - это прибор, в котором передача электриче ской энергии осуществляется посредством магнитной связи между обмо ками без непосредственного (гальванического) контакта. В силовой аппа ратуре трансформаторы применяются для преобразования уровней пере менных (преимущественно синусоидальных) напряжений и токов. Пара метры трансформаторов влияют на основные показатели энергетических преобразователей (выпрямителей, инверторов) и систем электропитания Их габариты и масса в большинстве приложений практически определяю i аналогичные параметры преобразователя в целом. В свою очередь харак­ теристики и параметры трансформатора зависят от множества схемных и конструктивных факторов.

Трансформатор представляет собой нелинейное электротехническое устройство, анализ процессов в котором связан с решением достаточно сложной электродинамической задачи. С целью выявления особенностей силовых трансформаторов кратко рассмотрим наиболее общие подходы к их описанию и выбору компонентов. Конструктивные параметры транс­ форматора выбирают из условия передачи заданной мощности с учетом обеспечения допустимого перегрева при минимальных габаритах.

В соответствии с принципом действия передача мощности между обмотками трансформатора осуществляется с помощью магнитного пото­ ка, сконцентрированного в магнитопроводе, на котором размещены обмот­ ки. Характеристики трансформатора во многом определяются типом и ма­ териалом ферромагнитного сердечника (магнитопровода), применяемого с целью концентрации магнитного потока и увеличения магнитной связи между обмотками.

Для изготовления сердечников трансформаторов используются раз­ личные виды материалов (электротехнические стали, пермаллои, ферриты, магнитодиэлектрики) с отличающимися кривыми намагничивания. Важ­ ной характеристикой материала является индукция насыщения Вт, опреде­ ляющая максимальное значение магнитного потока Фт сечением sc. Маг­ нитный поток создается приложенным входным переменным сигналом и зависит от действующего значения напряжения U\9частоты/ и числа вит­ ков N] первичной обмотки: Фт =£/,/(4,44/7V,).

Действующее значение выходного напряжения можно оценить с по­ мощью коэффициента трансформации, определяемого отношением числа витков первичной и вторичной обмоток: k - U lIU1=NxIN1. Очевидно, что передаваемая в нагрузку мощность, падения напряжений на сопротивлени­ ях обмоток и КПД трансформатора зависят от токов в обмотках. Входной ток трансформатора обычно представляют суммой тока в режиме холосто­ го хода (при разомкнутой вторичной обмотке) и составляющей, обуслов­ ленной влиянием нагрузки. В режиме холостого хода трансформатор мож­ но рассматривать как катушку с ферромагнитным сердечником, расчет ко­ торой позволяет определить ток холостого хода, являющийся паспортным параметром трансформатора.

Энергетические параметры трансформатора можно проанализиро­ вать на основе баланса мощностейР1 + который учитывает мощно­ сти подводимую Pi, передаваемую в нагрузку Р2 и суммарные потери, складывающиеся из потерь в обмотках и магнитопроводе. Перемагничивание сердечника при прохождении токов по обмоткам сопровождается по­ терями. Энергия потерь в обмотках и магнитопроводе переходит в тепло, которое частично рассеивается в окружающем пространстве и вызывает нагрев элементов конструкции.

Падение напряжения в проводниках обмотки и потери мощности за­ висят от выбранного значения плотности тока Jcp < 4...5 А/мм2. Допусти­ мая плотность тока и суммарное число витков обмоток определяют пло­ щадь окна сердечника $м, в котором размещены обмотки. Габаритные размеры трансформатора принято оценивать произведением сечения sc сердечника магнитопровода на площадь sMокна сердечника:

=P2/( k fB mJcp),

где к - коэффициент, учитывающий конструктивные параметры.

Для стандартных типоразмеров сердечников при заданной частоте / по произведению SçSM несложно выбрать сердечник, обеспечивающий тре­ буемую мощность трансформатора. При заданной мощности трансформа­ тора снижение габаритов достигается увеличением частоты преобразова­ ния. В устройствах, работающих непосредственно от сети промышленной частоты /=50Г ц, силовые трансформаторы имеют значительные габарит­ ные размеры. В автономных источниках электропитания используется час­ тота сети 400 Гц или 1 кГц. Уменьшение габаритных размеров трансформа­ торов и дросселей в инверторах достигается за счет генераторов повышен­ ной частоты (более 10 кГц). Снижение потерь обеспечивается применени­ ем сердечников на основе ферритов и магнитодиэлектриков.

Силовая электронная аппаратура наряду с приведенными основны­ ми элементами содержит достаточно большой перечень устройств, вы­ полняющих функции обеспечения электробезопасности, защиты от перегрузок и др.