Работа транзистора в ключевом режиме, страница 2

2.  на рассасывание накопленного заряда  в базе транзистора.

Первая составляющая заряда равна          

Соответственно вторая -                              ,

где Iб – установившийся ток базы после окончания переходного процесса.

Заряд, прошедший через емкость Сб равен:

Qсб = Сб ∙ (Vген – Vбэ_насыщ) = Q1 + Q2,

отсюда найдем Сб:

Пример: для транзистора КТ3102 рассчитаем величины Rб и Сб, причем Vген = 3.5 В, Iб = 1 мА, Сбк = 7 пФ, tb = 80 нсек.

Rб = (Vген – Vбэ_нас)/Iб = (3.5 – 0.8)/10^{– 3}  = 2.7кОм

Q1 = 7 ∙ 10 ^{– 12}  ∙ (10 – 0.7) = 65.1  ∙ 10^{– 12}  кул.

Q2 =  10 ^{– 3}  ∙ 80∙10^{– 9} = 80 ∙ 10 ^{– 12}  кул.

Q1 + Q2 = 145 ∙ 10 ^{– 12}  кул.

Этот заряд при принятых выше допущениях равен заряду на емкости Сб после окончания переходного процесса, т.е. можно записать:

 

Ненасыщенные ключи.

 В большинстве случаев задержка выключения ключа играет отрицательную роль, но на включение транзистора насыщение сказывается положительно, поэтому разработано большое количество схем, у которых сохранены положительные стороны насыщенных ключей и устранены отрицательные. Таким требованиям удовлетворяет:

Ключ с нелинейной обратной связью.

Д – германиевый диод или диод Шоттки. При включении транзистора уменьшается напряжение на его коллекторе , но когда напряжение коллектор – база транзистора достигает  ~0.35 В для германиевых диодов и ~0.45 В для диодов Шоттки, диоды отпирается, сохраняя коллекторный переход запертым.  При этом излишки тока Iб сбрасываются в нагрузку. Эта схема используется для малых токов Iк нас, в интегральных схемах ТТЛШ, где диод Шоттки встраивается параллельно коллекторному переходу каждого транзистора. Такие транзисторы называются транзисторами Шоттки. Этот прием позволяет уменьшить ток потребления схемы при одинаковом или даже более высоком быстродействии. При повышенных тока переключения может использоваться более сложная схема. Здесь напряжение коллектора фиксируется на более высоком уровне, что позволяет работать при больших токах коллектора без насыщения транзистора.

Эмиттерно – связанный ключ.

Такой ключ, как правило, выполняется с двумя источниками питания на основе дифференциального каскада. Режим, т.е. значения Rк1, Rк2, Rэ выбираются так, чтобы транзисторы не входили в насыщение. Для этого  .

Воспользовавшись формулами для зависимости тока p-n перехода от напряжения, можно получить зависимость токов транзисторов Т1 и Т2 от напряжения Vген.

Для переключения транзистора (отпирания одного из транзисторов и запирания другого), нужно подавать на вход напряжение Vген = ± 0.5В, для увеличения скорости переключения ключа это напряжение нужно увеличивать. Время переключения такого ключа близко к ta, так как работа транзисторов для этой схемы близка к режиму ОБ.

Работа транзистора в лавинном режиме.

При увеличении напряжения на коллекторе транзистора напряженность его коллекторного перехода возрастает и при некоторой его величине на длине свободного пробега в кристаллической решетке коллекторного перехода носители приобретают энергию достаточную для ионизации атомов решетки. В результате число носителей возрастает и ток коллектора лавинообразно увеличивается, т.е. возникает лавинный процесс. Высокочастотные свойства транзистора также возрастают (от единиц мегагерц до сотен мегагерц. Лавинные транзисторы получили распространение в схемах формирователей импульсов с фронтом длительностью от долей до единиц наносекунд. Чаще в лавинном режиме используются обычные транзисторы, у которых лавинных режим более четко выделен, или транзисторы, специально созданные для работы в таком режиме.

Пример:

Лавинный транзистор ГТ338 А,  ГТ338Б

Vлав.=60В макс., Vост. = 5 – 15 В. Iк макс.=1А. tвкл  < 1 нсек

Кроме этого, могут быть использованы некоторые обычные транзисторы в лавинном режиме:

КТ312, КТ608, К Т921 (Vлав. = 60В,  Iк макс.=10А, tвкл  < 5 нсек)

Особенности применения.

1.  Большое остаточное напряжение на коллекторе приводит к большой рассеиваемой мощности на коллекторе, что ограничивает частоту повторения импульсов.

2.   Транзистор входит в режим с большим накопленным зарядом в базе, поэтому при необходимости для быстрого рассасывания этого заряда приходится прибегать к специальным мерам.

Полевые транзисторы в ключевом режиме.

В настоящее время в качестве элементов, работающих в режиме ключа, широко используются полевые транзисторы. Они работают в преобразователях напряжения, инверторах, вторичных источниках питания, а также в формирователях импульсов наносекундного и субнаносекундного диапазона. Преимуществом полевых транзисторов является отсутствие накопления заряда, что уменьшает время выключения. Кроме того, сопротивление полевых транзисторов в открытом состоянии растет с увеличение температуры, поэтому в отличие от биполярных транзисторов их можно включать параллельно без выравнивающих резисторов. Управление полевыми транзисторами существенно проще, чем биполярными, так как сопротивление утечки затвора велико и при включении и выключении транзистора нужно только зарядить емкость затвора.

В отличие от биполярных транзисторов у полевых полностью отсутствует вторичный тепловой пробой – повреждение коллекторного перехода в результате локального перегрева перехода из-за концентрации тока в этом месте.

В настоящее время промышленность выпускает обширный ряд полевых транзисторов различного назначения. В большинстве своем это транзисторы для работы в ключевом режиме для импульсных источников питания.

Пример 1.

N-канальный полевой транзистор IXFN120N20: ток стока – 120А, напряжение стока – 200В, сопротивление открытого канала 17 мОм, время включения – 250 нсек, мощность рассеяния на стоке – 600 ватт.

 

Пример 2

N-канальный полевой транзистор IRF440:

ток стока – 8А, напряжение стока – 500В, сопротивление открытого канала 0.85 Ом, мощность рассеяния на стоке – 125 ватт. 

На рисунке показана зависимость заряда затвора транзистора IRF440 от напряжения между затвором и истоком. Горизонтальный участок характеристики на графике объясняется реакцией емкости затвор – сток при включении транзистора. Эта емкость быстро уменьшается при увеличении напряжения на стоке выше 10-20 В и поэтому компонента заряда, обусловленная этим эффектом слабо изменяется при напряжении стока от 100В до 400В

IGBT – транзисторы(Isolated Gate Bipolar Transistor)

IGBT – транзисторы – это специализированные сложные полупроводниковые структуры, предназначенные для работы в ключевых регуляторах мощности. Выпускается широкая номенклатура IGBT – транзисторов для работы при различных напряжениях (до 1200 В) и переключаемых токах (до 1000А).

Структура представляет из себя комбинацию биполярных и полевых транзисторов, эквивалентная схема которой показана на рисунке. Особенностью работы выходного p-n-p транзистора является то, что он не насыщается в открытом состоянии, поэтому время включения и выключения транзистора примерно равны. Ниже приведены ориентировочные параметры IGBT – транзисторов.

Vкэ макс = 500 – 1200В

Iкэ макс = 10 – 1200А

Частотные свойства:  

Т вкл/выкл = 100 – 500 нсек

Iкоммутации = Iкэ макс/2,  при частоте коммутации  F= 10 кГц

Iкоммутации = Iкэ макс/5,  при частоте Fкоммутации = 100 кГц