Силовые ключи на МОП транзисторах

Лекция 13

Силовые полупроводниковые ключи

Полупроводниковый ключ должен обеспечить коммутацию значительных токов и при этом выдерживать (блокировать) значительные напряжения в закрытом состоянии. Разработчики силовых схем преобразователей мечтают об идеальном ключе. Такой ключ должен при нулевой мощности, потребляемой от схемы управления, мгновенно переключать бесконечно большие токи и блокировать бесконечно большие напряжения, иметь нулевые остаточные напряжения и токи утечки. Развитие технологии силовых ключей привело к созданию ключей следующих основных типов:

- биполярный силовой транзистор (BPT – Bipolar Power Transistor),

- полевые силовые транзисторы (MOSFET –Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),

- биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor),

- статические индукционные транзисторы (SIT – Static Induction Transistor),

- однооперационные тиристоры (SCR – Silicon Controlled Rectifier),

- полностью управляемые тиристоры (GTO – Gate Turn Off).

Силовые биполярные транзисторы

Современные силовые биполярные транзисторы изготавливаются на основе монокристаллического кремния. Базовая ячейка транзистора n-p-n –типа показана на рисунке 13.1.

Рисунок 13.1 - Структура базовой ячейки силового биполярного транзистора

Эмиттер состоит из нескольких частей, что позволяет снизить сопротивление между базой и эмиттером, а также равномерно распределить ток по всему проводящему сечению. Коллектор имеет две области: сильно легированную и слабо легированную . Слабо легированная область делает коллекторный p-n переход широким и сдвинутым в область коллектора, что повышает допустимое напряжение на коллекторе. Скосы на кристалле позволяют уменьшить утечки по поверхности кристалла и снизить напряженность электрического поля.

Рассмотрим работу транзистора в режиме ключа, на рисунке 13.2 показана схема транзисторного ключа (а) и выходная характеристика (b).

Рисунок 13.2 - Схема транзисторного ключа (а) и выходная характеристика (b)

Проводя нагрузочную прямую в системе выходных характеристик транзистора, получим две точки, определяющие режимы работы ключа. В точке 1 транзистор закрыт (режим отсечки), коллекторный переход находится под обратным, а эмиттерный - под прямым напряжением. Часто для более полного и быстрого закрытия транзистора напряжение база – эмиттер также делают отрицательным. Ток коллектора равен нулю, а напряжение коллектор – эмиттер равно , , . В точке 2 транзистор находится в открытом состоянии (режим насыщения), коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении. В этом случае, ток коллектора равен току насыщения , а напряжение на коллекторе равно напряжению насыщения , , которое обычно составляет несколько милливольт. Минимальное значение тока базы, которое необходимо для того, чтобы обеспечить открытое состояние транзистора, называют током базы насыщения . Для ускорения процесса открытия транзистора ток базы делают больше тока базы насыщения, превышение тока базы над минимальным значением оценивают степенью насыщения

, (13.1)

которая может быть от 1,1 до 3.

Переключение транзистора, переход из точки 1 в точку 2 происходит достаточно быстро, т.е. в активной области нагрузочной прямой транзистор находится минимальное время. Мощность, выделяемая на транзисторе в точках 1 и 2, практически равна нулю, затраты энергии происходят только в моменты переключения. Процесс переключения не происходит мгновенно, на переключение затрачивается некоторое время, которое определяет быстродействие ключа, т.е. его способность работать на высоких частотах. Тогда становится понятным стремление разработчиков повысить быстродействие ключей.

Рассмотрим переходные процессы, сопровождающие переключение транзистора из закрытого состояния в открытое, и наоборот. Временная диаграмма переключения транзистора показана на рисунке 13.3.

Рисунок 13.3 -. Переходные процессы в транзисторном ключе

На интервале 0-1 на базу подано отрицательное напряжение, транзистор закрыт, режим работы соответствует точке 1 нагрузочной прямой. В момент времени 1 на вход подается передний фронт входного напряжения амплитудой , начинается рост тока коллектора, который происходит по закону

, , (13.2)

где - предельная частота транзистора при схеме включения с общим эмиттером.

Такой закон объясняется тем, что нарастание тока происходит одновременно с накоплением заряда в базовой области.

За интервал времени 1-2 формируется передний фронт импульса тока, в точке 2 ток достигает значение

, (13.3)

из этого выражения найдем

. (13.4)

Из последнего выражения видно, что длительность процесса включения уменьшается с увеличением степени насыщения .

Ток , достигнув значения , остается неизменным. После открытия транзистора продолжается процесс накопления заряда в базовой области. Этот процесс можно представить как рост тока (показан пунктирной линией) до некоторого значения тока , которое называют кажущимся, т.е. соответствующим накопленному заряду.

В момент времени 3 подается запирающее напряжение , но ток не изменяется, транзистор остается открытым еще некоторое время. Это объясняется наличием избыточного заряда неосновных носителей в базовой области, за счет которого транзистор удерживается в открытом состоянии. Отрицательное входное напряжение приводит к смене направления базового тока, однако, заряд мгновенно измениться не может, он уменьшается по экспоненте до момента времени 4. В этой точке он соответствует току . Интервал времени 3-4 называют временем рассасывания неосновных носителей в базовой области , его можно определить из уравнения

. (13.5)

С момента времени 4 начинается процесс выключения транзистора , длительность которого зависит от тока разряда

. (13.6)

Увеличение быстродействия ключа на биполярном транзисторе связано с противоречием. Для уменьшения включения необходимо увеличивать степень насыщения S, однако это приведет к увеличению времени рассасывания неосновных носителей.

Эта проблема решается путем формирования входного сигнала специальной формы (рисунок 13.4).

Рисунок 13.4 - Форма входного сигнала

На интервале времени создается ток базы , что приводит к быстрому открытию транзистора, затем ток уменьшают до значения .

Транзистор остается открытым, но накопление избыточного заряда не происходит, таким образом, время рассасывания сводится к нулю. Достаточно часто, импульсы такой формы используются и для управления тиристорами. Небольшой ток в цепи управляющего электрода поддерживают тиристор в открытом состоянии, исключая сбои в работе силовой схемы.

Преимущества ключей на биполярном транзисторе:

1. Малое остаточное напряжение на открытом ключе, напряжение насыщения составляет доли вольт и не зависит от тока.

2. Мощность, рассеиваемая на открытом ключе, при , практически линейно зависит от тока насыщения .

Недостатки ключей на биполярном транзисторе:

1. Малое быстродействие из-за эффекта рассасывания неосновных носителей в области базы.

2. Значительная мощность затрачивается на управление транзисторным ключом. Коэффициент передачи по току мощного транзистора не превышает десяти ( ), что требует значительного тока в управляющей цепи.

Область применения ограничена диапазоном средних мощностей ( 600 В , =50 А 20 кГц), используется в преобразователях DC/DC и AC/DC.

Силовые ключи на МОП транзисторах

МОП транзисторы, т.е. имеющие структуру метал – оксид – полупроводник, управляются электрическим полем, получили название MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). В качестве силового ключа используются полевые транзисторы с индуцированным вертикальным каналом (рисунок 13.5,а).

Рисунок 13.5 - Структура полевого транзистора с индуцированным вертикальным каналом (а) и его эквивалентная схема (b)

Он представляет собой р –канальный транзистор, n области стока и истока которого выполняются с повышенной концентрацией, что позволяет снизить сопротивление открытого транзистора. При изготовлении полевого транзистора с вертикальным каналом получается дополнительный транзистор , который не находит практического применения. Эквивалентная схема (рисунок 13.5,b) содержит биполярный транзистор, резистор равный объемному сопротивлению р области. Благодаря этому сопротивлению биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу ключа. Значение резистора в эквивалентной схеме равно сопротивлению канала.

Рассмотрим схему ключа с учетом влияния междуэлектродных емкостей (рисунок 13.6,а) и определим состояния ключа по выходной характеристике транзистора (рисунок 13.6,b).

Рисунок 13.6 - Схема ключа на полевом транзисторе (а)

и выходная характеристика (b)

Нагрузкой схемы управления является входная емкость полевого транзистора, она может достигать порядка нескольких тысяч пикофарад. При открывании транзистора необходимо его входную емкость зарядить до порогового напряжения, а при закрывании транзистора емкость следует разрядить. Это приводит к увеличению длительности процессов коммутации. Поэтому ключом следует управлять от источника с очень малым выходным сопротивлением, положим его равным нулю. Тогда общая емкость, подключенная к стоку, равна

, (13.6)

где - емкость нагрузки, - емкость монтажа, - емкость сток – исток, - емкость сток – затвор.

Транзистор может находиться в двух устойчивых состояниях.

Транзистор закрыт, точка 1 на выходных характеристиках , , , сопротивление канала , общая емкость заряжена до значения .

Транзистор открыт, точка 2 на выходных характеристиках , , сопротивление канала , причем .

Эквивалентная схема процесса коммутации и временная диаграмма показаны на рисунке 13.7.

Рисунок 13.7 - Эквивалентная схема (а)

и временная диаграмма работы (b) ключа

При подаче положительного напряжения на вход ключа индуцируется канал, и емкость начинает разряжаться постоянным током через открытый канал, напряжение на стоке изменяется по закону

, (13.7)

т.к. - сonst, то

, (13.8)

если , тогда .

Время включения ключа определяется как

. (13.9)

В процессе переключения линия 1-3 на выходных характеристиках (рисунок 13.6,b) перемещается параллельно до тех пор, пока точка 3 не окажется в точке 2.

Рассмотрим процесс закрытия транзистора. Транзистор закрывается, если , ток , практически мгновенно ток становится равным нулю, ключ S размыкается, начинается процесс заряда емкости через сопротивление по закону

, где . (13.10)

За время выключения принимается интервал времени, за который напряжение на стоке достигнет 90% от установившегося значения

, (13.11)

. (13.12)

Сравнивая выражения времени включения и времени выключения, учитывая, что , можно установить, что .

Область применения ограничена коммутируемым током 50 А, блокирующим напряжением 500 В, частота коммутации100 кГц. Используется в импульсных преобразователях DC/DC, AC/DC, DC/AC, например, в источниках бесперебойного питания.

Преимущества силовых ключей на МОП транзисторах:

1. Высокое быстродействие, определяемое только временем заряда и разряда емкости стока.

2. Малое потребление мощности в цепи управления, ток от схемы управления протекает только в моменты заряда и разряда входной емкости ключа. Схема управления часто реализуется в интегральном исполнении.

3. Возможно параллельное соединение нескольких транзисторов. При параллельном соединении проявляется эффект самовыравнивания токов, протекающих через каждый транзистор. Сток и исток транзистора изготовлены из сильно легированного полупроводника n – типа, который имеет положительный ТКС. Если ток через один из транзисторов возрос, это вызовет местный нагрев кристалла и увеличение сопротивления канала; произойдет выравнивание токов по всем параллельно соединенным транзисторам.

Основной недостаток – это большая мощность, выделяемая на транзисторе в открытом состоянии, она пропорциональна квадрату тока.

Сравним мощность , выделяемую на коллекторе биполярного транзистора, у которого напряжение насыщения величина постоянная, не зависимая от тока = 0.1 В х 50А=5 ВА. Мощность, выделяемая на стоке полевого транзистора, =(50 А)²х 0.1 Ом=250 ВА. Сравнение явно не в пользу полевого транзистора.

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 927; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!