Силовые (мощные) полевые транзисторы. IGBT-транзистор. Транзистор силовой

2.4.2.2 Силовые (мощные) полевые транзисторы

Полевые транзисторы долгое время оставались мало­мощными.

Первые промышленные образцы силовых полевых транзисторов появились в 70-е гг. XX в.

В настоящее время полевой транзистор является одним из наиболее важных и перспективных силовых приборов электроники.

Как правило, силовые полевые транзисторы являются кремниевыми. Перспективными являются транзисторы на основе арсенида галлия.

В настоящее время полевые транзисторы очень широко (опережая в этом биполярные транзисторы) используются в качестве основы интеллектуальных силовых интеграль­ных схем, интеллектуальных приборов и интеллектуаль­ных силовых модулей.

Из всего многообразия полевых транзисторов в сило­вой электронике наиболее широко используются полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцирован­ным каналом. Изложение ориентировано именно на эти транзисторы.

Используются транзисторы как с каналом n-типа, так и каналом p-типа.

Силовые полевые транзисторы, как и биполярные, обычно работают в ключевом режиме. Поэтому для них, как и для биполярных транзисторов, важными величина­ми являются напряжение в открытом состоянии (теперь это напряжение иис между истоком и стоком), а также вре­мя включения и время выключения. Рабочая точка тран­зистора в открытом состоянии находится в линейной («омической») области, причем напряжение иис определя­ется сопротивлением rис цепи исток—сток транзистора. Поэтому это сопротивление является важным параметром полевого транзистора. В справочниках оно указывается для заданного напряжения ииз между истоком и затвором. Зная ток стока ic, напряжение иис легко вычислить, вос­пользовавшись законом Ома:

Uис =Iс * rис

Часто говорят не о сопротивлении цепи исток—сток, а о сопротивлении канала, так как оно составляет значи­тельную долю сопротивления rис.

Проблема уменьшения сопротивления цепи исток— сток и, в частности, сопротивления канала в настоящее время является одной из наиболее актуальных и успешно решается. Постоянно появляются новые типы силовых полевых транзисторов со все меньшими значениями этих сопротивлений.

Один из путей уменьшения сопротивления канала — уменьшение его длины. Поэтому силовые транзисторы имеют короткие каналы.

Многоканальностъ силовых полевых транзисторов. Для снижения сопротивления цепи исток—сток и увеличения максимально допустимого тока стока в силовых транзис­торах используют многоканальные структуры (число ка­налов — сотни и тысячи), причем каналы соединяют па­раллельно.

Параллельное соединение большого количества кана­лов оказывается возможным потому, что при увеличении температуры в допустимом диапазоне сопротивление кана­ла увеличивается. Если по какой-либо причине некоторый канал окажется перегруженным током, то его температура возрастет. Это приведет к увеличению сопротивления ка­нала и к уменьшению его тока. Равномерная загрузка ка­налов токами восстановится.

Высокая теплостойкость силовых полевых транзисторов. Свойство канала увеличивать сопротивление при увеличе­нии температуры является одним из важнейших достоинств полевого транзистора. Это свойство резко снижает веро­ятность саморазогрева и вторичного пробоя, описанных при рассмотрении биполярного транзистора. Оно препят­ствует дальнейшему росту тока стока при токовых пере­грузках. Это свойство также позволяет использовать па­раллельное включение силовых транзисторов без дополнительных элементов.

Вертикальная структура силового полевого транзисто­ра. Структуру маломощного полевого транзистора форми­руют на одной стороне полупроводниковой пластины. С одной стороны расположены исток, затвор и сток. Та­кую структуру называют горизонтальной. Иллюстрацией может служить схематическое изображение структуры МДП-транзистора с индуцированным каналом, приведен­ное выше.

Силовые полевые транзисторы имеют вертикальную структуру, для которой характерно то, что исток и затвор расположены с одной стороны полупроводниковой пласти­ны, а сток — с другой. Электроны или дырки значительную часть пути между истоком и стоком движутся в поперечном направлении по отношению к пластине полупроводника.

Горизонтальный и вертикальный каналы. В силовых транзисторах (имеющих вертикальную структуру) канал может располагаться как горизонтально, так и вертикаль­но (если говорить более точно, то почти вертикально). Горизонтальный канал формируют параллельно, а верти­кальный — почти перпендикулярно по отношению к по­верхности полупроводниковой пластины.

МДП-транзистор, изготовленный методом двойной диф­фузии (ДМДП-транзистор). Этот транзистор имеет гори­зонтальный канал. Дадим схематическое изображение структуры такого транзистора с каналом р-типа (рис. 1.156). На рисунке показан один элемент структуры, содержащий один канал.

Подложкой является слой полупроводника n-типа. Истоком является верхний слой полупроводника p-типа.

Подложка соединена с истоком через металлический контакт. Назначение этого соединения было указано при описании полевых транзисторов.

Легко увидеть, что структура содержит паразитный транзистор типа р-п-р и паразитный диод (образованный подложкой и нижним слоем полупроводника p-типа).

Изобразим эквивалентную схему структуры ДМДП (рис. 1.157).

В эквивалентную схему входит сопротивление R6 базо­вой области биполярного транзистора. Это сопротивление достаточно малое, поэтому в обычных режимах биполяр­ный транзистор закрыт (соответствующие пояснения были даны при изучении силового биполярного транзис­тора) и оказывает слабое влияние на процессы в структу­ре полевого транзистора.

Однако при быстром нарастании напряжения иис, т. е. при большом значении производной этого напряжения по времени duuc/dt через паразитные емкости, не показанные на эквивалентной схеме, начинает протекать ток базы, который может открыть биполярный транзистор. Это мо­жет привести к выходу из строя силового полевого тран­зистора. Описанный эффект называют эффектом du/dt.

Диод, в зависимости от особенностей структуры сило­вого транзистора, включают в эквивалентную схему или так, как показано сплошной линией, или так, как пока­зано пунктирной.

Если потенциал истока больше потенциала стока, что соответствует нормальному включению транзистора, то диод заперт.

V-образный МДП-транзистор (УМДП-транзистор). Канал рассматриваемого транзистора — вертикальный.

Приведем схематическое изображение структуры тако­го транзистора с каналом p-типа (рис. 1.158). Этот рису­нок соответствует одному элементу структуры, содержа­щему два канала.

Легко заметить, что структура УМДП-транзистора по­добна структуре ДМДП-транзистора. Поэтому и эквива­лентная схема по существу остается прежней.

Эффект Миллера. Этот эффект имеет место и в бипо­лярном транзисторе, но особые проблемы он создает при использовании именно полевых транзисторов.

Обратимся к схеме (рис. 1.159) на основе МДП-тран-зистора с каналом р-типа, на которой показаны емкости

Сзи и Сж транзистора (рассмотрены при изучении полевого транзистора).

Через иист обозначено напряжение, через iucm — ток, а через Rucm — выходное сопротивление источника входно­го сигнала.

Когда напряжение иист равно нулю, напряжение ииз также равно нулю и транзистор находится в режиме отсеч­ки. При этом ток нагрузки iH равен нулю и поэтому выпол­няется равенство иж = Ес (используя второй закон Кирх­гофа и закон Ома, легко показать, что иис= Ес — /я • RH).

Учитывая, что иш = 0, получаем изс = иис — Ес (в соот­ветствии со вторым законом Кирхгофа изс = иис — ииз). Та­ким образом, проходная емкость Сзс будет заряжена до напряжения источника питания. Полярность этого напря­жения показана на рис. 1.159.

При возникновении напряжения иист достаточной ве­личины транзистор начинает открываться.

Вначаче рассмотрим идеализированную ситуацию, ког­да влияние проходной емкости Сзс несущественно (хотя реально именно эта емкость играет основную роль). При этом напряжение на входной емкости Сзи (т. е. напряже­ние ииз) будет увеличиваться по экспоненциальному зако­ну с постоянной времени τ, которая определяется выра­жением τ = Rucm * Сзи. Чем больше входная емкость Сзи, тем медленнее будет открываться транзистор (что, как отме­чалось при изучении силовых биполярных транзисторов, имеет негативные последствия). Полярность напряжения на входной емкости показана на рис. 1.159.

Теперь перейдем непосредственно к изучению эффек­та Миллера и рассмотрим влияние проходной емкости Сзс на процесс заряда входной емкости Сзи.

Увеличение тока нагрузки будет приводить к уменьше­нию напряжения Uис (так как иис = ЕС- iH * RH) и к умень­шению напряжения изс (так как изс = иис - иш , причем напряжение иис уменьшается, а напряжение ииз увеличи­вается). Проходная емкость Сзс начнет разряжаться. На рисунке указано условно положительное направление для тока /с этой емкости, соответствующее положительным значениям тока разряда.

Легко заметить, что ток ic будет препятствовать росту напряжения ииз. В результате напряжение ииз будет увели­чиваться значительно медленнее, чем в идеализированной ситуации.

При запирании транзистора проходная емкость также будет оказывать вредное влияние, замедляя уже процесс выключения транзистора.

Для количественной оценки степени влияния проход­ной емкости вычисляют эквивалентную входную емкость С зи.экв . Эквивалентная емкость в идеализированной ситуации так же замедляет процесс переключения, как и со­вместно действующие две емкости в реальной ситуации. Можно показать, что

Ссиз.жв = Сзи + Сзс * (Ки +1),

гдеКи - коэффициент усиления по напряжению схемы.

Легко показать, что в случае, когда сопротивление Ян не очень большое,

Ки = S *RH,

где S — крутизна стокозатворной характеристики (рас­смотрена при изучении полевых транзисторов).

Эквивалентная емкость может многократно превышать входную емкость Сзи.

Эффект Миллера состоит в увеличении входной экви­валентной емкости из-за влияния проходной емкости.

Эффект Миллера, с одной стороны, замедляет пере­ключение транзистора, а с другой — увеличивает ток, по­требляемый от источника входного сигнала. Иногда этот ток настолько возрастает, что работа источника входного сигнала нарушается.

Область безопасной работы. Одним из преимуществ си­ловых полевых транзисторов по сравнению с биполярными является расширение области безопасной работы, так как ограничение по вторичному пробою исчезает (рис. 1.160).

При уменьшении длительности импульсов тока стока отрезок АВ перемещается вверх, а отрезок ВС — вверх и вправо. При достаточно коротких импульсах область бе­зопасной работы становится прямоугольной.

studfiles.net

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).

13.1 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 коллекторныйp-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 называютвременем 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 А20 кГц), используется в преобразователяхDC/DC и AC/DC.

studfiles.net

Силовые (мощные) полевые транзисторы. IGBT-транзистор. — КиберПедия

В настоящее время полевой транзистор является одним из наиболее перспективных силовых приборов. Наиболее широко используются транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Для уменьшения сопротивления канала уменьшают его длину. Для увеличения тока стока в транзисторе выполняют сотни и тысячи каналов, причем каналы соединяют параллельно. Вероятность саморазогрева полевого транзистора мала, т.к. сопротивление канала увеличивается при увеличении температуры.

Силовые полевые транзисторы имеют вертикальную структуру. Каналы могут располагаться как вертикально, так и горизонтально.

IGBT – гибридный полупроводниковый прибор. В нем совмещены два способа управления электрическим током, один из которых характерен для полевых транзисторов (управление электрическим полем), а второй – для биполярных (управление инжекцией носителей электричества).

Обычно в IGBT используется структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа. Структура этого транзистора отличается от структуры ДМДП-транзистора дополнительным слоем полупроводника р-типа.

 

Обратим внимание на то, что для обозначения электродов IGBT принято использовать термины "эмиттер", "коллектор" и "затвор".

Добавления слоя р-типа приводит к образованию второй структуры биполярного транзистора (типа p-n-p). Таким образом, в IGBT имеется две биполярные структуры – типа n-p-n и типа p-n-p.

УГО и схема выключения IGBT показаны на рисунке:

Типичный вид выходных характеристик показаны на рисунке:

9 SIT-транзистор со статической модуляцией. Сравнительные характеристики силовых полупроводниковых приборов.

SIT – полевой транзистор с управляющим p-n переходом со статической индукцией. Является многоканальным и имеет вертикальную структуру. Схематическое изображение SIT и схема включения с общим истоком показаны на рисунке:

Области полупроводника р-типа имеют форму цилиндров, диаметр которых составляет единицы микрометров и более. Эта система цилиндров играет роль затвора. Каждый цилиндр подсоединен к электроду затвора (на рисунке "а" электрод затвора условно не показан).

Пунктиром обозначены области p-n-переходов. Реальное число каналов может составлять тысячи. Обычно SIT используется в схемах с общим истоком.

Каждый из рассмотренных приборов имеет свою область применения. Ключи на тиристорах применяются в устройствах, работающих на низких частотах (килогерцы и ниже). Основным недостатком таких ключей являются низкое быстродействие.

Основной областью применения тиристоров являются низкочастотные устройства с большой коммутируемой мощностью вплоть до нескольких мегаватт, не предъявляющих серьезных требований к быстродействию.

Мощные биполярные транзисторы применяются в качестве высоковольтных ключей в устройствах с частотой коммутации или преобразования, находящейся в диапазоне 10-100 кГц, при уровне выходной мощности от единиц Вт до нескольких кВт. Оптимальный диапазон коммутируемых напряжений 200-2000 В.

Полевые транзисторы (MOSFET) применяются в качестве электронных ключей для коммутации низковольтных высокочастотных устройств. Оптимальные значения коммутируемых напряжений не превышают 200 В (максимальное значение до 1000 В), при этом частота коммутации может находится в пределах от единиц кГц до 105 кГц. Диапазон коммутируемых токов составляет 1,5-100 А. Положительным свойствами этого прибора является управляемость напряжением, а не током, и меньшая зависимость от температуры по сравнению с другими приборами.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) применяются на частотах менее 20 кГц (некоторые типы приборов применяются на частотах более 100 кГц) при коммутируемых мощностях выше 1 кВт. Коммутируемые напряжения не ниже 300-400 В.Оптимальные значения коммутируемых напряжений свыше 2000 В. IGBT и MOSFET требуют для полного включения напряжения не выше 12-15 В, для закрытия приборов не требуется подавать отрицательное напряжение. Они характеризуются высокими скоростями переключения.

 

 

 

10 Магнитное поле и его характеристики.

Магни́тное по́ле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения; магнитная составляющаяэлектромагнитного поля.

Основные характеристики магнитного поля. Магнитная индукция B — это векторная величина определяющая силу действующую на заряженную частицу со стороны магнитного поля. Измеряется в теслах Тл. B = Ф/S

магнитная постоянная.

µ— относительная магнитная проницаемость — табличная величина (для вакуума = 1)

Магнитный поток Ф — скалярная физическая величина числено равная произведению магнитной индукции на площадь поверхности ограниченной замкнутым контуром. Измеряется в веберах Вб.

. Магнитный поток через контур максимален,если плоскость контура перпендикулярна магнитному полю.

Тогда магнитный поток рассчитывается по формуле: Φmax = B · S

Магнитный поток через контур равен нулю, если контур располагается параллельно магнитному полю.

Напряженность H – это векторная величина независящая от магнитных свойств среды. Измеряется в ампер на метр А/М.

Магнитная проницаемость. Магнитная индукция зависит не только от силы тока, проходящего по проводнику или катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит магнитная проницаемость.

cyberpedia.su

Силовые транзисторы

Биполярные транзисторы выпускают на токи до 120 А, на напряжение до 1500 В и частоту коммутации до 100 кГц. Особенностью силовых биполярных транзисторов является низкий коэффициент усиления по току h31э (типично 5–15). Для увеличения h31э изготавливают модули по схеме Дарлингтона (напомнить). Но они характеризуются увеличенными потерями (пояснить).

МОП-транзисторы обычно рассчитаны на работу с напряжением не более 1200 В, чаще используются при напряжениях менее 600 В и токах до 80 А. Одной из причин, ограничивающих повышение рабочего напряжения, является необходимость утолщения полупроводниковых слоев транзистора для обеспечения его электрической прочности. В результате значительно возрастает резистивное сопротивление транзистора в проводящем состоянии, что создает значительное падение напряжения и увеличение выделяемой мощности. МОП-транзисторы являются высокочастотными и способны работать на частотах до 1 МГц.

IGBT-транзисторы.Дальнейшее развитие ПП-технологии позволило в 1985 создать силовой ПП прибор, являющийся гибридом БТ и ПТ. Он получил название IGBT-(Isolated Gate Bipolar Transistor). Русская аббревиатура – БТИЗ (биполярный транзистор с изолированным затвором). На рис. 7.4 представлены упрощенная структура (а) и эквивалентная схема (б) IGBT-транзистора с каналом n-типа.

Структура содержит входной МДП-транзистор, паразитный биполярный транзистор VT1 и мощный p-n-p биполярный транзистор VT2. (Паразитный транзистор и без того есть в структуре МДП-транзистора, и его влияние нужно парировать специальными методами).

Всю схему в целом можно представить как единый полупроводниковый прибор, имеющий вывод коллектора, эмиттера и затвора. Прибор управляется электрическим полем, как МДП-транзистор, т.е. имеет очень большое входное сопротивление, но имеет по сравнению с МДП-транзистором значительно бóльшую крутизну и значительно меньшее сопротивление в открытом состоянии. Таким образом удалось объединить положительные качества биполярного и МДП-транзистора.

Для IGBT с номинальным напряжением в диапазоне 600-1200 В прямое падение напряжения в полностью включенном состоянии, так же как и для биполярных транзисторов, находится в диапазоне 1,5–3,5 В. Это значительно меньше, чем характерное падение напряжения на МДП-транзисторе с такими же номинальными напряжениями.

Транзисторы IGBT первого поколения использовались при напряжениях до 1200 В и токах до 50 А с диапазоном рабочих частот 20– 50 кГц. Дальнейшее развитие этого прибора позволило создать на базе одного большого кристалла прибор с рабочим током до 100 А и напряжением 3000 В. Параллельное включение нескольких кристаллов в одном модуле позволило фирме «Мицубиси» создать модуль на 1200 А и напряжение 3300 В. Известно о высоковольтном модуле IGBT (HVIGBT) на напряжение 4,5 кВ и коммутируемый ток 1800 А со временем выключения 6 мкс.

Условное графическое изображение IGBT и типовые коллекторные характеристики представлены нарис. 7.5.

Динамические свойства IGBT несколько хуже, чем у МДП-транзисторов. но значительно лучше, чем у биполярных транзисторов. Это связано с явлением накопления заряда неосновных носителей в базе биполярного транзистора, и как следствие – с временем рассасывания этих носителей. Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спадания тока при выключении IGBT находятся в диапазонах 0,2–0,4 и 0,2–1,5 мкс соответственно.

Силовые тиристоры

Силовые тиристоры, построенные по традиционной структуре (рассмотрена ранее), являются в настоящее время наиболее мощными управляемыми ПП-ключами. Способны коммутировать электрические цепи с напряжением до 9 кВ и токами до 8 кА. Важным параметром тиристора, определяющим его быстродействие, является время выключения (для обычных тиристоров – десятки мкс, для быстродействующих – несколько единиц мкс).

Дата добавления: 2017-12-05; просмотров: 64;

znatock.org

Выбор силовых транзисторов

Рекомендуем приобрести: Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек - в наличии на складе! Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации. Сварочные экраны и защитные шторки - в наличии на складе! Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор. Доставка по всей России! Силовые транзисторы - это сердце сварочного инвертора! От правильного выбора силовых транзисторов зависит надёжность работы всего аппарата. Технический прогресс не стоит на месте, на рынке появляется множество новых полупроводниковых приборов, и разобраться в этом разнообразии довольно сложно. Первое, с чего нужно начинать, это приблизительное определение мощности будущего преобразователя. Если мы хотим получить в дуге 200 ампер при напряжении 24 вольта, то перемножив эти величины мы получим полезную мощность которую наш инвертор обязан отдать и при этом не сгореть. 24 вольта это среднее напряжение горения электрической дуги длинной 6 - 7мм, в действительности длинна дуги всё время меняется, и соответственно меняется напряжение на ней, меняется также и ток. Но для нашего расчёта это не очень важно! Так вот перемножив эти величины получаем 4800 Вт, ориентировочно прикинув КПД преобразователя 85%, можно получить мощность которую должны перекачивать через себя транзисторы, это примерно 5647 Вт. Зная общую мощность можно подсчитать ток, который должны будут коммутировать эти транзисторы. Если мы делаем аппарат для работы от сети 220 вольт, то просто разделив общую мощность на напряжение сети, можно получить ток, который аппарат будет потреблять от сети. Это приблизительно 25 ампер! С величиной тока вроде разобрались, но это не должен быть максимальный ток выбранных нами транзисторов! Сейчас в справочных данных многих фирм приводится два параметра максимального тока, первый при 20 градусах Цельсия, а второй при 100! Так вот при больших токах протекающих через транзистор, на нём выделяется тепло, но скорость его отвода радиатором не достаточно высока и кристалл может нагреться до критической температуры, а чем сильнее он будет нагреваться, тем меньше будет его максимально допустимый ток, и в конечном итоге это может привести к разрушению силового ключа. Обычно такое разрушение выглядит как маленький взрыв, в отличии от пробоя по напряжению, когда транзистор просто тихо сгорает. Отсюда делаем вывод, для рабочего тока величиной 25 ампер необходимо выбирать такие транзисторы у которых рабочий ток будет не ниже 25 ампер при 100 градусах Цельсия! Это сразу сужает район наших поисков до нескольких десятков доступных силовых транзисторов. При выборе ключей не стоит пользоваться максимально допустимыми параметрами, и параметрами для импульсных токов. Лучше пускай будет запас, чем авария в самый неподходящий момент. Поэтому смотрим только на максимальные значения постоянных величин, токов и напряжений! Естественно определившись с током нельзя забывать и о рабочем напряжении, во всех приведенных схемах, на транзисторах напряжение не превышает напряжение питания, или проще говоря не может быть больше 310 вольт, при питании от сети 220 вольт. Исходя из этого выбираем транзисторы с допустимым напряжением не ниже 400 вольт. Многие могут сказать, что мы поставим сразу на 1200, это мол будет надёжнее, но это не совсем так, транзисторы одного вида, но на разные напряжения могут очень сильно отличаться!. пример: IGBT транзисторы фирмы IR типа IRG4PC50UD - 600В - 55А, а такие же транзисторы на 1200 вольт IRG4PH50UD - 1200В - 45А, и это ещё не все отличия, при равных токах на этих транзисторах различное падение напряжения, на первом 1,65В, а на втором 2,75В! А при токах в 25 ампер это лишние ватты потерь, мало того, это мощность которая выделяется в виде тепла, её необходимо отвести, значит нужно увеличивать радиаторы почти в два раза! А это дополнительный не только вес, но и объём! И всё это необходимо помнить при выборе силовых транзисторов, но и это ещё только первый прикид! Следующий этап, это подбор транзисторов по рабочей частоте, в нашем случае параметры транзисторов должны сохраняться как минимум до частоты 100 кГц! Для "жёсткого" переключения на частоте ЗОкГц, необходим запас по частоте не менее чем в три раза! Для резонансных преобразователей наоборот, можно пользоваться не слишком быстрыми транзисторами. Дело в том, что процесс переключения на резонансной частоте не требует таких затрат энергии, как при "силовом" переключении, и транзисторы замечательно работают на частотах в 4-5 раз выше, чем предельно допустимые! Фирма IR обычно даёт значения граничных частот и для "силового" и для резонансного режимов. Вот собственно всё, что нужно знать при выборе транзисторов. Сейчас самые доступные и по цене и по наличию в продаже это транзисторы фирмы IR. В основном это IGBT, но есть и хорошие полевые транзисторы с допустимым напряжением 500 вольт. Они хорошо работают в подобных схемах, но не очень удобны в крепеже, нет отверстия. В корпусе, для нормальной работы IGBT транзисторов необходима пауза между закрытием и открытием, чтобы завершились все процессы внутри транзистора. Это не менее 1,2 микросекунды для IGBT, и для MOSFET транзисторов, это время не может быть менее 0,5 микросекунды! Вот все требования к транзисторам, и если все они будут выполнены, то Вы получите надёжный сварочный аппарат! Исходя из всего выше изложенного - лучший выбор это транзисторы фирмы IR типа IRG4PC50UD, IRG4PH50UD, полевые транзисторы IRFPS37N50A, IRFPS40N50, IRFPS43N50K. Эти транзисторы были опробованы и показали свою надёжность и долговечность при работе в мощных сварочных инверторах. Для маломощных преобразователей, мощность которых не превышает 2,5 кВт можно смело использовать IRFP460. Источник: Назаров В.И. и др. "Сварочный инвентор. Теория и практика". Рыбинск, 2008

www.autowelding.ru

Силовой транзистор - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Силовой транзистор

Cтраница 1

Силовые транзисторы предназначены для работы преимущественно в ключевых режимах в схеме с общим эмиттером.  [1]

Силовые транзисторы для преобразователя и ключевого стабилизатора должны быть высоковольтными - с допустимым напряжением коллектор-эмиттер 500 - 1000 В, коммутировать токи 3 - 5 А и допускать не менее десятикратную импульсную перегрузку по току коллектора.  [2]

Поскольку отечественные серийные силовые транзисторы обладали сравнительно небольшими максимальными напряжениями, для получения увеличенной амплитуды импульса напряжения были разработаны генераторы типа ТГИ-1 и ТГИ-2 с последовательным включением транзисторных каскадов.  [4]

Для силовых транзисторов и запираемых тиристоров практически используют одни и те же схемные способы защиты в переходных процессах переключения. Однако более высокие амплитуды коммутируемыхтоков и мощностей определяют дополнительное воздействие паразитных элементов схемы на переходные характеристики. При этом изменяются формы коммутируемых токов и напряжений, что накладывает дополнительные требования при расчете защитных цепей.  [5]

Эмиттеры силовых транзисторов изготавливаются обычно в виде полосок самой различной конфигурации, в том числе и гребенчатой. На этом же рисунке изображено примерное распределение плотности тока эмиттера.  [6]

Параметры силовых транзисторов непрерывно улучшаются и поэтому они представляют серьезную конкуренцию для тиристоров в низковольтных устройствах, работающих при высоких скоростях переключения.  [7]

Применение кремниевых силовых транзисторов снижает КПД, поэтому использовать их следует только для коммутаторов, рассчитанных на работу при температуре выше 50 - 60 С. Полупроводниковый коммутатор в зависимости от назначения двигателя содержит различные узлы. Для управляемых двигателей основными узлами коммутатора являются: силовые ключи коммутации обмотки, генератор напряжения питания датчика положения, регулятор скорости.  [8]

В паспортных данных силовых транзисторов и диодов обычно приводится допустимая рассеиваемая мощность, как с радиатором, так и без него. Поэтому определение мощности, рассеиваемой транзистором и диодом, может рассматриваться как конечный результат расчета.  [9]

При включении силового транзистора импульсом эмиттерного тока начинает увеличиваться ток в катушке индуктивности намагничивания импульсного трансформатора под действием приложенного к ее обмоткам напряжения.  [10]

Технология изготовления силовых транзисторов до сих пор требует применения специальных мер для обеспечения надежной работы СТК. При этом обычно приходится решать задачи, связанные как с уменьшением статических и динамических потерь в СТК, так и обеспечением области безопасной работы ( ОБР) силового транзистора.  [12]

Типовая ОБР силового транзистора ( СТ), построенная в логарифмическом масштабе, изображена на рис. 3.20. Эта ОБР имеет четыре границы, каждая из которых соответствует предельным параметрам СТ.  [13]

Цепь запирания силовых транзисторов, представленная на рис. 37.97, обеспечивает во время действия синхроимпульса прерывание тока цепи ПОС и задание вместо него запирающего тока в базовую цепь силового транзистора, находящегося в данном такте в состоянии проводимости.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5

www.ngpedia.ru

Силовые (мощные) полупроводниковые приборы. Составные транзисторы. Побисторы. MGT-схема. Схема с коммутируемым эмиттером.

Тиристоры и силовые диоды пока остаются основными приборами в области преобразования сверхвысоких мощностей (до нескольких гигавольт-ампер), например, в высоковольтных линиях электропередачи постоянного тока. Новые приборы находят широкое применение в агрегатах бесперебойного питания, электропривода, вторичных источниках питания, си­ловых электронных аппаратах и др.

Рис. 1.12. Характерные предельные параметры силовых полупроводниковых приборов: 1—тиристоры; 2—запираемые тиристоры; 3—биполярные транзисторы; 4—транзисторы с изолированным затвором; 5 — МОП-транзисторы.

На рис. 1.12 приведены области характерных параметров основных типов новых силовых полупроводниковых приборов, выпускаемых в настоящее время. Среди новых приборов — мощные МОП-транзисторы, запираемые тиристоры, транзисторы с изолированным затвором [5]. Эти транзисторы применяются в большинстве типов преобразователей средней мощности, применяемых в качестве источников питания силовых электронных регуляторов для электропривода.

Составной транзистор, или как его ещё называют - транзистор Дарлингтона, - это два транзистора, соединённые таким образом, чтобы ток, усиленный первым транзистором, поступал на базу второго и усиливался им. Это, по сути, последовательное соединение транзисторов, при котором их коэффициенты усиления перемножаются. Таким образом, у составного транзистора получается очень высокий коэффициент усиления, например 10000. Транзисторы Дарлингтона (составные транзисторы) изготавливаются в обычном транзисторном корпусе, внутри которого содержатся два транзистора. Они имеют три вывода (B, C и E), которые эквивалентны одноимённым выводам обычного одинарного транзистора.

Схема составного транзистора

Можно собрать свой составной транзистор из двух отдельных транзисторов, соединив их как показано на схеме. Например:

· Для TR1 используется транзистор с коэффициентом усиления = 200

· Для TR2 используется транзистор с коэффициентом усиления = 50

Общий коэффициент усиления Дарлингтонской пары будет 200 x 50 = 10000 Максимальный ток коллектора будет равен максимальному току коллектора транзистора TR2 а максимальный ток базы - току базы транзистора TR1Таким образом, составные транзисторы применяются в тех схемах, где требуется большой коэффициент усиления. Например, в стабилизаторах блоков питания.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором(IGBT или побисторы). Достоинства и недостатки силовых биполярных транзисторов и МОП-транзисторов обусловили поиск решений в области создания новых силовых транзисторов. Работы в этом направлении, начавшиеся на основе гибридной технологии, в целях объединения двух приборов в одном кристалле в дискретном виде не принесли значительных успехов. Поэтому были начаты исследования по обеспечению стандартных функций этих приборов в одном кристалле. В результате был создан новый прибор — биполярный транзистор с изолированным затвором[1]. Этот новый тип транзистора сочетает высокое входное сопротивление МОП-транзисторов с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном состоянии биполяр­ных транзисторов. Структура этого транзистора аналогична структуре силового МОП-транзистора за исключением того, что имеет дополнительный слой со стороны стока с соответствующим типом проводимости. Первые образцы этих приборов имели относительно низкое быстродействие. Однако использование специальных технологических операций по упра­влению временем жизни неосновных носителей позволило уменьшать время переключения до десятых долей микросекунды. В результате были созданы промышленные образцы транзисторов на напряжение до 800 В и токи до 50 А, способные эффективно работать на повышенных частотах. При этом новые приборы обладают такими положительными качествами, как малая мощность сигнала управления, способность выдерживать высокие обратные напряжения и хорошие температурные характеристики.

Интенсивное освоение промышленностью этих приборов и тенденция улучшения технических характеристик' позволяют прогнозировать их лидирующее положение в области силовых транзисторов.

В транзисторе, включенном по схеме ОЭ, зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора Iб = f1(Uбэ) называют входной или базовой вольт-амперной характеристикой (ВАХ) транзистора. Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированных значениях тока базы Iк = f2(Uкэ), Iб – const называют семейством выходных (коллекторных) характеристик транзистора.

Входная и выходная ВАХ биполярного транзистора средней мощности типа n-p-n приведены на рисунке:

Как видно из рисунка, входная характеристика практически не зависит от напряжения Uкэ. Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения Uкэ.

Зависимость Iб = f(Uбэ) представляет собой экспоненциальную зависимость, характерную для тока прямосмещённого p-n перехода. Поскольку ток базы – рекомбинационный, то его Iб величина в β раз меньше, чем инжектированный ток эмиттера Iэ. При росте коллекторного напряжения Uк входная характеристика смещается в область больших напряжений Uб. Это связано с тем, что вследствие модуляции ширины базы (эффект Эрли) уменьшается доля рекомбинационного тока в базе биполярного транзистора. Напряжение Uбэ не превышает 0,6…0,8 В. Превышение этого значения приведет к резкому увеличению тока, протекающего через открытый эмиттерный переход.

Зависимость Iк = f(Uкэ) показывает, что ток коллектора прямопропорционален току базы: Iк = B · Iб

7 Особенности режимов работы силовых транзисторов.

Силовые транзисторы обычно приходится использовать в тяжелых режимах, достаточно близких к предельным. В противном случае стоимость силовых устройств, их вес и габаритные размеры оказываются чрезмерно большими. Температура кремниевого кристалла, составляющего основу транзистора, может достигнуть 200°С и более. Основная доля мощности выделяется в области коллекторного перехода и его температура наибольшая. Максимально допустимая температура коллекторного перехода часто указывается в справочниках и используется в тепловых расчетах. Часто, говоря о температуре коллекторного перехода, прилагательное "коллекторный" опускают (и поэтому в справочниках фигурирует температура перехода).

В некоторых устройствах силовой электроники транзистор работает в активном режиме (например, в рассматриваемых ниже усилителях мощности). Однако в этом режиме и ток коллектора, и напряжение между коллектором и эмиттером велики, и поэтому велика мощность рю выделяющаяся в коллекторном переходе. Это во-первых, снижает коэффициент полезного действия устройства, и. во-вторых, создает проблемы с охлаждением транзистора.

Наиболее эффективным способом снижения мощности Рк является переход на ключевой режим работы транзистора (режим переключения). При этом транзистор подавляющую долю времени или закрыт (работает в режиме отсечки, причем ток коллектора практически равен нулю), или полностью открыт (работает в режиме насыщения или в близком к нему режиме, причем напряжение между коллектором и эмиттером близко к нулю), В обоих случаях мощность, выделяющаяся в коллекторном переходе, мала. Только в короткие отрезки времени, соответствующие переключению, указанные ток и напряжение одновременно велики и мощность значительна. Но среднее значение мощности остается малым и оно тем меньше, чем более быстродействующим является транзистор и чем меньше частота его переключения.

Мощность в режиме отсечки обычно значительно меньше мощности в режиме насыщения. Поэтому при расчетах мощность в режиме отсечки часто не учитывают.

Конечно, разработчик силовых устройств, ориентируясь на ключевой режим работы, сталкивается со многими специфическими проблемами. Однако указанное преимущество режима настолько велико, что только он используется в достаточно мощных устройствах.

Силовые транзисторы, как правило, предназначаются для работы именно в ключевом режиме.

cyberpedia.su

---

• 
  Куда обращаться если нет горячей воды в квартире
• 
  Моэск 51
• 
  Транзистор с открытым коллектором
• 
  Пожаловаться на отопление в москве
• 
  Проект электроснабжения выполнить
• 
  Поверка счетчиков воды без паспорта
• 
  Крым мост строительство
• 
  Мск расшифровка аббревиатуры
• 
  Аппарат сварочный плазма
• 
  Получение энергии из отходов сельского хозяйства
• 
  Жилищный кодекс оплата коммунальных услуг