вход Вход Регистрация



В общем случае мощность потерь в транзисторе имеет пять составляющих:

где: - основные потери, создаваемые током коллектора во включенном состоянии транзистора;

- потери при включении транзистора;

- потери при выключении транзистора;

- потери от токов истока;

- потери от тока управления.

В большинстве случаев, потерями от токов истока и тока управления можно пренебречь. Основные потери определяются произведением коллекторного напряжения насыщенного транзистора на ток коллектора:

Если предположить, что напряжение насыщения мало зависит от мгновенного тока коллектора, то есть , то под знаком интеграла остается среднее значение коллекторного тока и уравнения для основных потерь приобретает вид:

(1.22)

где: - напряжение насыщения транзистора;

- ток нагрузки;

- продолжительность импульса коллекторного тока;

- период повторяемости кривой коллекторного тока;

- коэффициент заполнения коллекторного тока.

Следует отметить, что допущение о постоянстве напряжения насыщения есть довольно грубым и неплохо работает лишь при условии, что ток коллектора имеет форму близкую к прямоугольному. Самая же величина остаточного напряжения довольно существенным образом зависит как от величины тока коллектора, так и от степени насыщения транзистора, поэтому при практических расчетах в уравнении (1.22) следует использовать или величины этого напряжения, которые приводятся в справочниках, или данные, что полученные экспериментально.

Потери при включении транзистора можно рассчитать по формулам (1.12), (1.14), в которых вместо подставляется , а вместо подставляется :

; (1.23)

= . (1.24)

Аналогично исчисляются и потери при выключении транзистора. Действительно, если принять во внимание, что напряжение между коллектором и емитером транзистора равняется напряжению на емкости , которые меняется согласно (1.21), а ток коллектора описывается уравнением (1.16), то соотношение для мощности потерь при выключении можно записать в следующем виде:

= . (1.25)

При практических расчетах удобно выбирать величины и так, чтобы выполнялись соотношения и . В этом случае, полные коммутационные потери, уровне сумме потерь при включении и выключении транзистора, можно вычислить по уравнению:

. (1.26)

На рис. 1.9(а) показанная траектория переключения транзистора при наличия элементов и , что обеспечивают описанные выше законы изменения коллекторного тока и напряжения (эти элементы, в совокупности с соединенными с ними деталями, называются устройством формирования траектории переключения транзистора). Точка 1 отвечает отключенному состояния транзистора, после подачи управляющего импульса транзистор перемыкается в направлении точки 2, что отвечает моменту времени, когда обратный ток диода достигает амплитудного значения и ток коллектора транзистора максимальный. В процессе убыли обратного тока диода рабочая точка перемещается в точку 3, что отвечает насеченному состояния транзистора. Процесс выключения транзистора отображается участком траектории между точками 3 и 4. Точка 5 отвечает моменту формирования перенапряжения на коллекторе транзистора после убыли тока коллектора к нулю. Нетрудно видеть, что каждая точка траектории переключения транзистора отвечает некоторой мгновенной мощности, которая выделяется в кристалле силового ключа, причем величины этой динамической мощности существенным образом превышают величину статической допустимой мощности, которая может рассеиваться коллектором в продолжительном режиме. Очевидно, что мгновенная мощность, которая выделяется в транзисторе, не может быть бесконечно большая, даже при условии, что продолжительность импульса этой мощности довольно имела. Допустимые величины мгновенной мощности задаются разработчиками с помощью специальных зависимостей, которые называются областями безопасной работы (ОБР) [12]. В общем случае, ОБР при включении отличается от ОБР при выключении транзистора, потому что к моменту выключения транзистора кристалл нагрет током коллектора, который протекает в приборе на интервале проводимости. Поэтому в большинстве случаев, разработчики пользуются ОБР при выключении. Как правило, ОБР транзисторов, которые приводятся в справочниках, строятся в логарифмическом масштабе. Поэтому траектории переключения, которое в линейных координатах выглядят вогнутыми кривыми, в логарифмических координатах становятся выпуклыми.

На рис. 1.9(б) показанная ОБР мощного низкочастотного транзистора (жирные линии) и типичная траектория переключения (тонкие линии), что перестроечная в координатах ОБР. Следует отметить, что область безопасной работы по правую сторону ограничена вертикальной прямой, которая отвечает напряжению, которое называется предельным. Предельное напряжение, что является параметром ОБР, может быть существенным образом меньше предельно допустимого напряжения коллектора, величина которой на ОБР отвечает "карману", расположенной снизу по правую сторону, у которой ток коллектора очень малый. Например, для КТ839А предельное напряжение равняется 900 В, а предельно допустимая - 1500 В. Для нормальной работы транзистора необходимо, чтобы траектория переключения транзистора не выходила за пределы ОБР. В частности, амплитуда мгновенной мощности, которая выделяется в транзисторе при переключении не должна превышать величину, которая задается "сколом" ОБР, расположенным в верхнем правом углу графика. Исследуя на максимум подинтегральной выражении в (1.24) и (1.25), можно показать, что при линейном законе убыли одной величины и квадратичном законе нарастания другой величины, амплитуда мгновенной мощности достигается при . Подставивши это условие у уравнения для тока и напряжения, получим координаты точки траектории переключения, которое отвечает амплитуде мощности потерь в приборе при переключении. Очевидно, что для нормальной работы прибора эта точка должна лежать в пределах ОБР.

Из уравнения (1.26) видно, уровень коммутационных потерь существенным образом зависит от скорости переключения и быстро растет с повышением рабочей частоты. Поэтому более скоростные силовые полупроводниковые приборы, например, такие как IGBT (биполярные транзисторы с изолированной базой) или MOSFET (полевые транзисторы типа МДН), позволяют работать на более высоких частотах переключения при сохранении допустимого уровня потерь. Кроме того, приборы типа IGBT и MOSFET, как правило, имеют более благоприятную (чем у биполярных транзисторов) форму ОБР.

Методика расчетов потерь в биполярном транзисторе, изложенная выше, может быть использованная и для силовых транзисторов других типов. При этом следует лишь учесть тот факт, которое остаточное напряжение в полевых транзисторах определяется сопротивлением канала в открытом состоянии, поэтому потери от прямого тока в полевых транзисторах пропорциональные квадрату коллекторного тока.

 

© 2018
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру