вход Вход Регистрация



В общем случае мощность потерь в транзисторе имеет пять составляющих:

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

- потери при включении транзистора;

- потери при выключении транзистора;

- потери от токов утечки;

- потери от тока управления.

В большинстве случаев, потерями от токов утечки 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, т.е. , то под знаком интеграла остаётся среднее значение коллекторного тока и уравнение для основных потерь приобретает вид:

(1.22)

где: - напряжение насыщения транзистора;

- ток нагрузки;

- длительность импульса коллекторного тока;

- период повторяемости кривой коллекторного тока;

- коэффициент заполнения коллекторного тока.

Следует отметить, что допущение о постоянстве напряжения насыщения является достаточно грубым и неплохо работает лишь при условии, что ток коллектора имеет форму близкую к прямоугольной. Сама же величина остаточного напряжения достаточно существенно зависит, как от величины тока коллектора, так и от степени насыщения транзистора, поэтому при практических расчётах в уравнении (1.22) следует использовать или величины этого напряжения, приводимые в справочниках, или данные 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 вычисляются и потери при выключении транзистора. Действительно, если принять во внимание, что напряжение между коллектором и эмиттером транзистора равно напряжению на ёмкости , которое изменяется в соответствии с (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 расчётах удобно выбирать величины и так, чтобы выполнялись соотношения и . В этом случае, полные коммутационные потери, равные сумме потерь при включении и выключении транзистора, можно вычислить по уравнению:

. (1.26)

На рис. 1.9(а) показана траектория переключения транзистора при наличии элементов и , обеспечивающих описанные выше законы изменения коллекторного тока и напряжения (эти элементы, в совокупности с сопряжёнными с ними деталями, называются устройством формирования траектории переключения транзистора). Точка 1 соответствует выключенному состоянию транзистора, после подачи управляющего импульса транзистор переключается в направлении точки 2, которая соответствует моменту времени, когда обратный ток диода достигает амплитудного значения и ток коллектора транзистора максимален. В процессе спада обратного тока диода рабочая точка перемещается в точку 3, соответствующую включенному состоянию транзистора. Процесс выключения транзистора отображается участком траектории между точками 3 и 4. Точка 5 соответствует моменту формирования перенапряжения на коллекторе транзистора после спада тока коллектора до нуля. Нетрудно видеть, что каждая точка траектории переключения транзистора соответствует некоторой мгновенной мощности, выделяющейся в кристалле силового ключа, причём величины этой динамической мощности существенно превышают величину статической допустимой мощности, которая может рассеиваться коллектором в длительном режиме. Очевидно, что мгновенная мощность, выделяющаяся в транзисторе, не может быть бесконечно велика, даже при условии, что длительность импульса этой мощности достаточно мала. 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, так как к моменту выключения транзистора кристалл нагрет током коллектора, протекающим в приборе на интервале проводимости. Поэтому в большинстве случаев, разработчики пользуются ОБР при выключении. Как правило, ОБР транзисторов, приводимые в справочниках, строятся в логарифмическом масштабе. Поэтому траектории переключения, которые в линейных координатах выглядят вогнутыми кривыми, в логарифмических координатах становятся выпуклыми. На рис. 1.9(б) показана ОБР мощного низкочастотного транзистора (жирные линии) и типичная траектория переключения (тонкие линии), перестроенная в координатах ОБР. Следует отметить, что область безопасной работы справа ограничена вертикальной прямой, соответствующей напряжению, называемому граничным. Граничное напряжение, являющееся параметром ОБР, может быть существенно меньше предельно допустимого напряжения коллектора, величина которого на ОБР соответствует "карману", расположенному снизу справа, в котором ток коллектора весьма мал. Например, для КТ839А граничное напряжение равно 900 В, а предельно допустимое - 1500 В. Для нормальной работы транзистора необходимо, чтобы траектория переключения транзистора не выходила за пределы ОБР. В частности, амплитуда мгновенной мощности, выделяющейся в транзисторе при переключении не должна превышать величину, задаваемую "сколом" ОБР, расположенной в верхнем правом углу графика. Исследуя на максимум подынтегральные выражения в (1.24) и (1.25), можно показать, что при линейном законе спада одной величины и квадратичном законе нарастания другой величины, амплитуда мгновенной мощности достигается при . Подставив это условие в уравнения для тока и напряжения, получим координаты точки траектории переключения, соответствующей 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 существенно зависит от скорости переключения и быстро растёт с повышением рабочей частоты. Поэтому более скоростные силовые полупроводниковые приборы, например, такие как IGBT (биполярные транзисторы с изолированной базой) или MOSFET (полевые транзисторы типа МДП), 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. Например, IGBT типа IRG4PC50U (изготовитель фирма International Rectifier) при номинальном значении максимального тока коллектора 50 А имеет ОБР прямоугольной формы, ограниченную по току значением 220 А и по напряжению – 600 В.

Методика расчёта потерь в биполярном транзисторе, изложенная выше, может быть использована и для силовых транзисторов других типов. При этом следует лишь учесть тот факт, что остаточное напряжение в полевых транзисторах определяется сопротивлением канала в открытом состоянии, поэтому потери от прямого тока в полевых транзисторах пропорциональны квадрату коллекторного тока. Что касается транзисторов типа IGBT, то их вольт-амперные характеристики для включенного состояния близки к соответствующим характеристикам тиристоров, поэтому потери от прямого тока в них следует рассчитывать так же, как для диодов и тиристоров.

 

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