196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор полупроводниковых компонентов

Биполярные транзисторы

На Рис. 7.5 изображён в разрезе высоковольтный биполярный транзистор. Большая обеднённая основными носителями область между базой и коллектором похожа на обеднённую область в p-i-n-диоде. Как и в диоде, увеличение толщины этой области увеличивает предельно допустимое (пробивное) напряжение транзистора. Ценой такого увеличения напряжения пробоя будет снижение коэффициента усиления при больших токах и увеличение времени коммутации.

Транзистор с номиналом VCES = 1500 В, применяемый в прямоходовом преобразователе, будет гораздо менее быстродействующим, чем 400-вольтовый транзистор. Время запирания — наиболее важный динамический параметр биполярного транзистора. Отпирание происходит относительно просто и является прямым результатом инжекции небольшого тока базы, которая инициирует протекание тока коллектора. Постепенно переход коллектор — эмиттер насыщается, и потенциал коллектора становится ниже потенциала базы. Из-за этого переход коллектор-база смещается в прямом направлении, что вызывает ещё большую инжекцию в область перехода неосновных носителей заряда. Процесс запирания длится существенно дольше, поскольку для этого нужно «вывести» неосновные носители заряда из обоих переходов, и напоминает обратное восстановление плоскостных диодов. Обычно применяется небольшое отрицательное смещение перехода эмиттер-база, чтобы отрицательный ток ускорил выведение неосновных носителей заряда.

Неоднозначность в определении предельно допустимого напряжения коллектора для транзисторов может поначалу слегка сбить с толку. Например, для широко распространённого переключательного транзистора BUT11  (отечественный аналог КТ8108) приводятся следующие параметры: VCEO = 400 В и VCES = 850 В. Параметр VCES применяется, когда вывод базы замкнут с эмиттером или к нему приложено отрицательное напряжение. Параметр VСЕО соответствует разомкнутой цепи базы. Если к переходу коллектор-эмиттер транзистора приложено высокое напряжение, всегда есть небольшой ток утечки базы, который может привести к открыванию транзистора. Часть этого тока составляют дырки, создаваемые в области базы. Эти дырки выводятся из области базы, если база замыкается с эмиттером или к ней прикладывается отрицательное напряжение. Если цепь базы остаётся разомкнутой, дырки дрейфуют по направлению к эмиттеру. Величина VCEO обычно в 2 раза ниже, чем VCES.

Область устойчивой работы и вторичный пробой — основные моменты, на которые необходимо обращать особое внимание при проектировании схем на биполярных транзисторах. При высоком напряжении коллектор-эмиттер и большом токе коллектора напряжённость электрического поля в области коллектора может стать достаточной для того, чтобы инициировать процесс лавинного умножения тока. Лавинный пробой происходит в область базы и разогревает транзистор до очень высокой температуры, что быстро приводит к выходу его из строя. Этот эффект называется вторичным пробоем.

График области устойчивой работы при прямом смещении (FBSOA)Рис. 7.6. а) График области устойчивой работы при прямом смещении (FBSOA)

В справочных данных по транзистору всегда указываются границы области устойчивой работы при прямом смещении (FBSOA) для разной ширины импульсов. Прямое (или обратное) смещение относится к переходу база-эмиттер. Область возможного вторичного пробоя находится в правой части диаграммы FBSOA. В справочных данных по мощным транзисторам часто приводится также графическое изображение области устойчивой работы при обратном смещении (RBSOA), когда переход эмиттер-база смещён в обратном направлении, но ток коллектора всё ещё течёт. Область RBSOA значительно уменьшается, если напряжение базы равно нулю. Если к базе прикладывается отрицательное напряжение, область RBSOA продлевается в сторону более высоких напряжений, как показано на Рис. 7.6.

График области устойчивой работы при обратном смещении (RBSOA)Рис. 7.6. б) График области устойчивой работы при обратном смещении (RBSOA)

Уменьшение области RBSOA при нулевом токе базы может стать некоторой проблемой для работы переключательных схем в момент запирания транзистора, поэтому в импульсных схемах для запирания транзистора обычно используется обратное смещение базы. Для повышения устойчивости работы в областях FBSOA и RBSOA часто применяются демпферные цепи. Следует заметить, что в нашем примере учёт FBSOA транзистора ограничивает ток коллектора до значений гораздо ниже максимального тока насыщения, если приложенное напряжение превышает 20 В. Необходимо заново рассчитывать ток коллектора, и это является существенным недостатком биполярных транзисторов.

Для оптимального управления высоковольтным биполярным транзистором требуется нечто большее, чем просто ток прямоугольной формы. В целях минимизации потерь коммутации база должна быть перегружена. Уменьшить сопротивление коллектора можно путём инжектирования заряда из базы в слаболегированную обеднённую область коллекторного перехода. Чем быстрее этот заряд инжектируется, тем быстрее транзистор открывается и переходит в состояние насыщения. На Рис. 7.7 показаны ток базы, ток коллектора и напряжение на коллекторе в момент быстрого отпирания транзистора.

Ток базы, ток коллектора и напряжение на коллекторе во время быстрого отпирания транзистораРис. 7.7. Ток базы, ток коллектора и напряжение на коллекторе во время быстрого отпирания транзистора

Не будь инициирующего импульса тока базы, напряжение на коллекторе по мере возрастания тока коллектора уменьшалось бы незначительно, что привело бы к значительным потерям мощности при переключении транзистора. В первом приближении, длительность отпирающего импульса должна быть равна времени накопления заряда. Это так, поскольку мы пытаемся инжектировать достаточный заряд в коллектор, чтобы перевести транзистор в состояние насыщения.

Подобным же образом для минимизации потерь коммутации при запирании транзистора недостаточно просто «выключить» ток базы. Как слишком быстрое, так и слишком медленное запирание транзистора приводят к потерям мощности при переключении. В случае слишком быстрого запирания транзистора переход коллектор-база резко закрывается, чем блокирует остаточный заряд в коллекторе. Заряд будет медленно рекомбинировать, что увеличивает время, за которое ток коллектора убывает до нуля. В случае, когда транзистор запирается слишком медленно, напряжение на коллекторе успеет вырасти до существенного значения, в то время как ток коллектора всё ещё будет ненулевым.

Можно несколько «растянуть» время рассасывания заряда коллектора, если подавать запирающее транзистор отрицательное напряжение в цепь базы через дроссель. Изменяя это напряжение и индуктивность дросселя, можно подобрать такой обратный ток базы, при котором время рассасывания накопленного в транзисторе заряда будет оптимальным. Соответствующие формы сигналов при запирании транзистора изображены на Рис. 7.8.

Оптимальные формы сигналов при запирании биполярного транзистораРис. 7.8. Оптимальные формы сигналов при запирании биполярного транзистора

Оптимальный отрицательный ток базы составляет около половины тока коллектора. Обратите внимание, что ток коллектора не начинает падать, пока обратный ток базы не достигнет пикового значения. Это происходит из-за того, что ток коллектора разделяется на ток базы и ток эмиттера. Ток коллектора начинает падать, когда перестаёт течь ток эмиттера.

Эти формы сигналов очень похожи на сигналы, которые наблюдаются при плавном обратном восстановлении диодов FRED. Как и для этих диодов, рассеивание мощности при запирании биполярных транзисторов можно уменьшить с помощью демпфера, снижающего крутизну нарастания напряжения на коллекторе. Ток заряда ёмкости Миллера1, возрастающий при высоком значении параметра dv/dt коллектора, препятствует току базы, который стремится запереть транзистор. Этот паразитный эффект также минимизируется демпфером.

На Рис. 7.9 изображена оптимизированная схема управления транзистором.

Оптимизированная схема управления транзисторомРис. 7.9. Оптимизированная схема управления транзистором

Компоненты T1, Q2 и Q3 служат для согласования уровня сигнала управления, поступающего с транзисторов Q4 и Q5, которые обычно входят в состав управляющей ИС. Через трансформатор T1 сигнал управления, диапазон которого составляет 0…5 В, поступает на драйвер с биполярным выходом ±5 В. Компоненты D3, С2 и R2 обеспечивают открывающий ток для переключательного транзистора Q1. Рекомендуется задавать постоянную времени цепочки R2-C2 равной времени накопления заряда базы при отпирании транзистора. Резистором R2 подбирается требуемый ток базы. Диод D3 исключает влияние заряда конденсатора С2 на процесс запирания транзистора. Дроссель L1 предназначен для управления временем рассасывания заряда коллектора при запирании транзистора. Его индуктивность обычно составляет порядка 1…10 мкГн. Диод D1 гарантирует, что ток через дроссель будет протекать только при запирании. Демпфер скорости нарастания (С1, D2, R1) предназначен для того, чтобы при большом токе коллектора напряжение на нём соответствовало области устойчивой работы FBSOA (20 В для транзистора BUT11).

Вследствие значительной величины времени запирания рабочая частота большинства схем источников питания с использованием биполярных транзисторов не превышает 100 кГц, но практически верхний предел составляет 50 кГц. Биполярные транзисторы могут соперничать с полевыми МОП-транзисторами только на частотах ниже 50 кГц и при напряжениях ниже 400 В. Напряжение насыщения транзистора BUT11 составляет менее 1 В в нормальном режиме работы, поэтому потери за счёт проводимости у него довольно низкие. Стоит этот транзистор примерно 0.2 $. Даже с учётом дополнительных компонентов в цепи управления общие затраты будут меньше, чем при использовании МОП-транзистора. Однако с повышением требований к рабочему напряжению или рабочей частоте биполярные транзисторы теряют конкурентоспособность. Очень немногие биполярные транзисторы способны работать с напряжением выше 400 В, к тому же они не могут коммутировать высокое напряжение с высокой частотой. Существующая ныне тенденция, связанная с непрерывным повышением рабочих частот источников питания, ведёт к тому, что биполярные транзисторы вытесняются из широкого применения.

1 Эффективная входная ёмкость полупроводникового прибора, величина которой определяется эффектом Миллера.

196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208