Микроэлектроники
 Скачать 1.83 Mb.
|
|
1.3.5. Ключевой режим В ключевом режиме рабочая точка может находиться только в двух положениях – в точке отсечки О ив точке насыщения Н (рис. 1.18). В точке отсечки транзистор заперт, и через него проходит очень маленький ток К. Поэтому, несмотря на значительное напряжение, мощность, выделяемая в транзисторе в состоянии отсечки, очень мала. Если на базу подан ток, обес- Рис. 1.17. Выбор рабочей точки покоя в различных классах усиления Рис. 1.18 Рабочие точки в ключевом режиме 27 печивающий насыщение, то падение напряжения КН на транзисторе мало. Поэтому даже при существенном токе КН потери в точке насыщения невелики. И те и другие потери существенно меньше, чем в точке Рв линейном режиме. Следовательно, ключевой режим энергетически значительно более выгоден, чем линейный. На рис. 1.19 приведена схема, обеспечивающая работу транзистора в ключевом режиме. Чтобы оценить преимущества ключевого режима, рассмотрим пример. Пусть КВ КН А 01 , 0 КА КН В. При этом в точке Р КР АКР В, тогда в линейном режиме в транзисторе выделяется мощность 250 5 50 = ⋅ = ⋅ = КР КР КР I U P Вт В ключевом режиме в точке насыщения и отсечки выделяется, соответственно 10 10 1 = ⋅ = ⋅ = КН КН КН I U P Вт, 1 01 , 0 100 0 0 0 = ⋅ = ⋅ = К К К I U P Вт. Если время нахождения транзистора в состоянии насыщения и отсечки одинаково, то средняя мощность, выделяемая в транзисторе Вт, почтив раз меньше, чем в линейном режиме, хотя средний ток через нагрузку в обоих случаях одинаков. Поэтому применение ключевого режима является основным методом повышения энергетической эффективности в электронных устройствах. При расчете не учтены коммутационные потери, возникающие при переключениях ключа, однако, они обычно не превышают 15…25% и поэтому не влияют на результаты сравнения. В связи с уменьшением потерь в ключевом режиме уменьшаются и теплоотводящие устройства (радиаторы, а следовательно, резко уменьшаются габариты и масса устройств. Поэтому применение ключевого режима – основной путь улучшения массогабаритных и энергетических показателей электронных устройств. Преимущества ключевого режима. Маленькие потери. Высокий КПД. Лучшие массогабаритные показатели. Рис. Схема включения транзистора в ключевом режиме 28 Транзисторы не боятся разброса параметров при правильном выборе тока базы (выбор по наименьшему коэффициенту передачи. Транзисторы не боятся изменения температуры при правильном выборе тока базы (выбор по коэффициенту передачи при низшей температуре. 1.3.6. Полевые транзисторы Полевые транзисторы (ПТ) – приборы, управляемые электрическим полем, делятся по принципу действия на ПТ с затвором в виде p- n перехода ина ПТ с изолированным затвором (ПТИЗ). Последние по их структуре называют также МОП-транзисторами (металл – окисел – полупроводник) или МДП-транзисторами (металл – диэлектрик – полупроводник. На риса, б приведена схема включения и структура ПТ с затвором в виде p-n перехода. Электрод, из которого выходят основные носители, называется истоком. Электрод, куда приходят основные носители, называется стоком. От истока к стоку носители движутся по каналу. Электрод, регулирующий ширину канала, называется затво- ром а) б) в) Рис. 1.20. Схема включения с общим истоком (а, структура (б) и выходные характеристики полевого транзистора с затвором в виде p-n перехода (в) При подаче на затвор отрицательного напряжения З p-n переход смещается в обратном направлении, проводящий канал между истоком истоком сужается. Чем больше напряжение на затворе, тем уже канал и больше сопротивление между истоком истоком, следовательно, меньше ток стока с при постоянном напряжении на стоке С . При этом входной ток З очень мала входное сопротивление ВХ r очень велико, так как p-n переход затвор – исток смещен в обратном направлении. На рис. 1.20, в приведены выходные ( ) const U С С З U f I = = характеристики для ПТ с затвором в виде p-n перехода для схемы включения с общим истоком. Другие схемы практически не применяются. Выходные характеристики ПТ похожи на характеристики биполярных, но вместо тока базы у них параметром является напряжение на затворе За вместо тока коллектора и напряжения на коллекторе – ток стока I C и напряжение на стоке С . На рис. 1.21 приведена структура и схема включения ПТИЗ с индуцированным каналом. Электрод, из которого выходят основные носители, называется истоком. Электрод, куда приходят основные носители, называется стоком. От истока к стоку носители движутся по каналу. Электрод, регулирующий ширину канала, называется затвором. Затвор изолирован от структуры слоем диэлектрика (окисла. Рис. 1.21. Структура ПТИЗ с индуцированным каналом (аи схема его включения (б) Если на затвор не подано напряжение, то между истоком истоком включено два встречно включенных p-n перехода, и ток в этой цепи очень мал. При подаче на затвор положительного напряжения З электроны из слоя p подтягиваются к затвору и образуют (индуцируют) проводящий канал между истоком истоком. Чем больше напряжение на затворе, тем шире канал и меньше сопротивление между истоком истоком, следовательно, больше ток стока I С при постоянном напряжении на стоке С . При этом входной ток З очень мала входное сопротивление ВХ r очень велико, так как затвор подключен к каналу через диэлектрик (окисел. На рис. 1.22 приведены выходные ( ) const U С С З U f I = = и передаточные (стоко-затворные) ( ) const U З С С U f I = = характеристики для ПТИЗ с индуцированным каналом для схемы включения с общим истоком. Другие схемы практически не применяются. Выходные характеристики ПТИЗ похожи на характеристики биполярных, но вместо тока базы у них параметром является напряжение на затворе За вместо тока коллектора и напряжения на коллекторе – ток стока и напряжение на стоке. а) б) Рис. 1.22. Выходные (аи передаточные (б) характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом для схемы с ОИ Основные параметры ПТИЗ: крутизна передаточной характеристики const U с c з dU dI S = = , дифференциальное сопротивление стока на участке насыщения C r , допустимый ток MAX C I , допустимое напряжение и допустимая мощность MAX C P . В современных транзисторах допустимые токи достигают сотен ампера напряжения сотен вольт, однако, эти значения не могут действовать одновременно. ПТИЗ – это наиболее перспективные полевые транзисторы. Основные преимущества полевых транзисторов очень высокие входные сопротивления, работоспособность до сотен мегагерц и отсутствие вторичного пробоя (вторичный пробой возникает при работе биполярных транзисторов в ключевом режиме. 1.3.7. Биполярные транзисторы с изолированным затвором Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) или, как они сокращенно называются по-английски IGBT, представляют собой гибрид биполярного транзистора и ПТИЗ, сочетающий их лучшие свойства. БТИЗ – это сложная многослойная структура и процессы в ней весьма сложны. Поэтому на риса приведена очень упрощенная схема замещения. При подаче на затвор З напряжения, положительного относительно точки Э, ПТИЗ открывается и начинает проходить ток от точки К через эмиттерно-базовый переход биполярного транзистора и открытый ПТИЗ к точке Э. При этом открывается биполярный транзистор, через который проходит ток от точки К к точке Э. Буквами ЭКЗ обозначены эмиттер, коллектор и затвор БТИЗ. На рис. 1.23, б приведено условное обозначение БТИЗ и пример его включения для прерывания тока в активном сопротивлении. Выходные характеристики БТИЗ похожи на характеристики ПТИЗ, нона участке насыщения они идут значительно круче. Это обуславливает значительно меньшее падение напряжения в ключевом режиме. а) б) Рис. 1.23. Упрощенная схема замещения БТИЗ (аи схема его включения для прерывания постоянного тока (б) Основные параметры БТИЗ: падение напряжения на участке насыщения КН при заданном токе К , допустимый ток К, допустимое напряжение MAX K U и допустимая мощность MAX K P . В современных БТИЗ допустимые токи достигают тысячу ампера напряжения две тысячи вольт. Основные преимущества БТИЗ: очень высокие входные сопротивления, допустимые токи и напряжения. Они предназначены для работы в ключевом режиме и работоспособны до сотен килогерц. В настоящее время это наиболее перспективные приборы для мощных устройств, преобразующих постоянное напряжение. 1.3.8. Сравнение транзисторов На рис. 1.24 для сравнения приведены начальные участки выходных характеристик транзисторов различных типов, а в табл. 1.1 сравниваются основные параметры транзисторов (в ключевом режиме. БТ находят основное применение в области низких напряжений и низких частот ПТИЗ применимы в области высоких частот БТИЗ наиболее перспективны в области больших напряжений, токов и мощностей. Таблица 1.1 БТ ПТИЗ БТИЗ R ВХ Мало Велико Велико Мало, (В Велико, (В Мало, (В U MAX 1000 В 500 В 2000 В I MAX 500 À 200 А А Частотные свойства Плохие Хорошие Средние Рис. 1.24. Сравнение начальных участков выходных характеристик 33 1.3.9. Переходные процессы в транзисторных ключах Переходные процессы в транзисторных ключах при активной нагрузке иллюстрирует рис. 1.25. Рабочая точка перемещается по линии нагрузки. Точки a, b, на рис, б ив соответствуют друг другу. Коммутационные потери относительно малы. Переходные процессы в транзисторных ключах при активно индуктивной нагрузке иллюстрирует рис. 1.26. Точки a, b, на рис, б ив соответствуют друг другу. Коммутационные потери при включении меньше, чем при активной нагрузке, так как замедляется нарастание тока. При выключении возникают огромные перенапряжения (при мгновенном отключении теоретически бесконечно большие. Поэтому такая нагрузка недопустима. Для исключения перенапряжений она должна быть шунтирована диодом. Переходные процессы в транзисторных ключах при активно- индуктивной нагрузке шунтированной диодом иллюстрирует рис. 1.27. Точки a, b, на рис, б ив соответствуют друг другу. Потери при выключении уменьшаются, но растут потери при включении, так как диод не мгновенно восстанавливает свои запирающие свойства, и по в) б) а) Рис. 1.25 Переходные процессы в транзисторных ключах при активной нагрузке схема (а, временные диаграммы (б) и траектории рабочей точки на плоскости выходных характеристик (вцепи Е – VD – VT протекает импульс тока, существенно превышающий ток нагрузки. 1.3.10. Защищенный транзисторный ключ Схема защищенного транзисторного ключа с улучшенной траекторией движения рабочей точки при переключении приведена на рис. 1.28. Для ограничения импульса тока, протекающего через диод при включении транзистора, применяют малую индуктивность ОГР L . Для уменьшения перенапряжений, возникающих при обрыве тока, параллельно транзистору включают RCD – цепочку. Конденсатор С уменьшает скорость нарастания напряжения на транзисторе, а диод D предотвращает быстрый разряд конденсатора на транзистор при его включении. Резистор ш обеспечивает разряд конденсатора к следующему выключению. Резистор р способствует разряду энергии, запасенной в индуктивности, к следующему включению. в) б) а) Рис. 1.26.. Переходные процессы в транзисторных ключах при активно-индуктивной нагрузке схема (а, переходные процессы (б, траектории рабочей точки на плоскости ВАХ (в) Контрольные вопросы Принципы действия транзисторов биполярного, полевого и БТИЗ. Объясните вид выходных характеристик биполярного транзистора. Сравните схемы включения транзистора. Укажите преимущества и недостатки схем по усилительным свойствам, частотным характеристиками термостабильности. Нарисуйте схему простейшего усилительного каскада. Укажите назначение элементов. Почему отличаются характеристики прямой передачи потоку транзистора и транзисторного усилительного каскада Рис. 1.27. Переходные процессы в транзисторных ключах при активно- индуктивной нагрузке, шунтированной диодом схема (а, переходные процессы (б, траектории рабочей точки на плоскости ВАХ (в) a) б) в) 36 Нарисуйте нагрузочную диаграмму транзисторного усилительного каскада. Что произойдет с выходным сигналом, если сместится рабочая точка покоя Что такое ключевой режим и каковы его преимущества Назовите основные параметры транзисторов. Укажите порядок величин параметров мощных транзисторов. Сравните параметры транзисторов, имеющих различные принципы действия. Отчего и как зависит переходный процесс при переключении транзисторного ключа Что такое защищенный транзисторный ключ Рис. 1.28. Защищенный транзисторный ключ 37 1.4. Тиристоры 1.4.1. Устройство и принцип действия Тиристор – полупроводниковый прибор, содержащий четыре и более слоев с разным типом проводимости, способный под действием управляющего сигнала переходить из закрытого в открытое состояние. Наиболее распространены тиристоры с четырехслойной структурой риса. Если напряжение на аноде А) по отношению к катоду К) положительное, то переходы Пи П смещаются в прямом направлении, а П в обратном. Тиристор закрыт, через него протекает маленький ток. При увеличении приложенного напряжения происходит лавинный пробой обратно смещенного перехода П, ток резко нарастает, так как электроны и дырки из крайних слоев устремляются в средние. а) б) Рис. 1.29. Структура тиристора (аи его анодные ВАХ (б) Сопротивление тиристора резко падает, а напряжение на нем снижается до 1...2 В. Если подать на управляющий электрод (УЭ) тиристора положительное напряжение, то через прямо смещенный переход П проходит ток управления от УЭ к К. Чем больше ток управления, тем при меньшем напряжении на аноде включается тиристор. Коэффициент передачи тиристора потоку очень велик (тысячи) После включения тиристора ток управления можно прекратить, однако, тиристор будет удерживаться во включенном состоянии Чтобы выключить тиристор нужно уменьшить ток вцепи анода до малой величины или приложить к нему обратное напряжение. Таким образом, обычный тиристор - это прибор с неполной управляемостью. Схемы включения Наиболее часто тиристоры применяют в управляемых выпрямителях. На риса приведена схема включения тиристора вод- нополупериодном управляемом выпрямителе, а на рис. 1.30, б представлены временные диаграммы, иллюстрирующие процессы в схеме. Для включения тиристора на его управляющий электрод подают управляющий импульс. Угол, измеряемый от момента перехода напряжения на аноде тиристора через нуль до момента подачи управляющего импульса, называется углом управления. Чем больше угол управления, тем меньше выпрямленное напряжение. Неполная управляемость тиристоров не вызывает затруднений при применении их в схемах выпрямления, так как ток через тиристор сам спадает до нуля, а к тиристору прикладывается обратное напряжение (рис. 1.30, баб) Рис. 1.30. Схема включения тиристора в однополупериодном выпрямителе (аи временные диаграммы, иллюстрирующие процессы (б) 39 1.4.3. Вольтамперные характеристики и диаграмма управления На рис. 1.29, б приведены анодные вольтамперные характеристики тиристора при различных токах управления. На риса приведена схема управления тиристором. Управляющие импульсы амплитудой У подаются на управляющий электрод через резистор У , служащий для ограничения тока. Диаграмма управления тиристором (рис, б) служит для выбора параметров схемы управления. Жирными линиями на рис. рис. 1.31, б показаны границы области существования входных характеристик соответствующих минимальному и максимальному сопротивлению управляющего перехода. Заштрихованная область 1 – это область существования токов управления, при которых тиристор не включается при минимальных напряжениях на аноде. Кривые 2 – это гиперболы постоянной средней мощности, выделяемой на управляющем переходе при различной относитель- а) в) Рис. 1.31. Схема управления тиристором (а, диаграмма управления тиристором (б) и форма сигнала управления У E (в) б) ной длительности импульсов Ирис. 1.31, в, где И – время импульса, а Т период их следования. На диаграмме показаны также предельно допустимые значения тока и напряжения управления. По диаграмме управления выбираются значения У , У и И А, при которых ток управления I У и напряжение на управляющем электроде У должны находиться внутри разрешенной области. Вовремя действия управляющего импульса справедливо уравнение, записанное по второму закону Кирхгофа для цепи управления (риса У У У У U R I Е + ⋅ = . (1.10) или У У У У R I E U ⋅ − = . (1.11) Это уравнение прямой, которая может быть построена по двум точкам при У, то У У E U = , при У, то У У У R E I = При значениях У , У , выбранных на (рис, б, не превышаются допустимые величины У У, а значение Ане должно превышать 0,1. 1.4.4. Переходные процессы в тиристоре Переходный процесс включения Схема включения тиристора и переходные процессы при включении тиристором активной нагрузки приведены на рис. Включение происходит не мгновенно, так как должны произойти сложные физические процессы, связанные с накоплением носителей зарядов в средних слоях и расширением проводящего канала от управляющего электрода по всему объему. Для количественной оценки процесс включения разбивается наряд интервалов. Время включения тиристора t ВКЛ – это время от момента подачи управляющего импульса до момента спада напряжения на тиристоре до 0,1 начального значения. Оно составляет несколько микросекунд. Н З ВКЛ t t t + = , (1.12) где З – время задержки – это время от момента подачи управляющего импульса до момента спада напряжения на тиристоре до 0,9 начального значения. Н время нарастания – это время изменения напряжения на тиристоре от 0,9 до 0,1 начального значения или нарастания тока от 0,1 до 0,9 установившегося значения. Однако, по истечении времени включения тиристор еще неполно- стью включается и напряжение на нем продолжает спадать до установившегося значения. Время спада напряжения на тиристоре от 0,1 начального до установившегося значения называется временем установления (УСТ составляет мкс. При включении тиристора мгновенная мощность потерь может достигать очень больших значений. Например, если E=1000 В, а УСТА, то p max =0,5E УСТ Вт кВт. Чтобы облегчить условия работы тиристора при включении, целесообразно включить последовательно с тиристором индуктивность L (рис. Это снизит скорость нарастания анодного тока и уменьшит потери при включении. С учетом а) б) Рис. 1.32. Переходный процесс включения cхема включения аи переходные процессы включения тиристора (б) У b з н уст уст уст уст а а а допустимых потерь при включении тиристора вводится параметр допустимая скорость нарастания анодного тока ( ) МКС ДОП А dt di 100 Переходный процесс выключения. На рис показана схема подачи на включенный тиристор обратного напряжения, и приведены временные диаграммы переходных процессов, возникающих при выключении тиристора. Переходный процесс выключения состоит из двух этапов восстановление запирающей способности в обратном направлении восстановление запирающей способности в прямом направлении. Время обратного восстановления t rr – это время от перехода прямого тока через нуль до перехода через нуль касательной к уменьшающемуся обратному току (составляет доли или единицы микросекунд. f s rr t t t + = , (1.13) где s t – время запаздывания обратного напряжения, f t – время спада обратного тока. Заряд, вытекающий из вентиля за время обратного восстановления f s rr Q Q Q + = , а) б) Рис. 1.33. Схема подачи на включенный тиристор обратного напряжения (аи диаграммы переходных процессов при выключении тиристора (б) rr s f a s f q b a где f S Q , Q – заряды, вытекающие из вентиля соответственно за время запаздывания обратного напряжения и за время спада обратного тока. Все сказанное об обратном восстановлении справедливо и для диодов. Время выключения q t – это наименьший интервал от момента спада тока до нуля, до момента перехода анодного напряжения через нуль без включения тиристора. Время выключения тиристора – это не время прекращения тока, а время восстановления управляющих свойств тиристора в прямом направлении. Оно составляет 10…500 мкс и ограничивает частотные возможности тиристоров. Если время, предоставленное для выключения тиристора, меньше q t рис. 1.33, б, то происходит прорыв анодного тока, те. включение тиристора без подачи управляющего сигнала (это аварийный режим. Переходный процесс прирезком нарастании прямого напряжения на тиристоре. При нарастании прямого напряжения на тиристоре риса) центральный p-n переход смещается в обратном направлении и через его емкость C на управляющий электрод протекает ток, определяемый скоростью нарастания прямого напряжения dt du , ⋅ = dt du C i C . Если при каком-то dt du этот ток достигает достаточной величины, то тиристор включается без подачи управляющего импульса. Следовательно, существует ДОП, при котором тиристор не включится. В современных тиристорах МКС ДОП В dt du = 1000 20K |