Силовые транзисторы

В ряде случаев требуется иметь более высокие значения для коэффициента передачи тока транзистора и его входного сопротивления. В этом случае может быть полезна схема составного транзистора. При этом коэффициент передачи тока базы будет равен:

Рис. 35. Схема составного транзистора.

b = b1+ b2 + b1b2.Если учесть, чтоb1 >> 1,и b2>> 1,то получимb » b1b2 Для получения максимального коэффициента b транзистор Т2 выбирают более мощным, с тем, чтобы его номинальный входной ток был равен выходному току транзистора Т1. Для получения максимального коэффициентаb транзистор Т2 выбирают более мощным,

с тем, чтобы его номинальный входной ток был равен выходному току транзистора Т1.

r_э = r_э2 + ( r_э1 + r_б2) / (1 + b₂) = (2 r_э1 + r_б2) / (1 +b₂ );

r_б » r_б1; r_к = r _к2// [ r_к1 / (1 + b₂)].

Коллекторные сопротивления составного транзистора меньше, чем сопротивление одного транзистора. Обратный ток коллектора становится несколько выше:

I_ко = I_ко2 + (1 +b₂ ) I_ко1. (3.11)

Составные транзисторы используются в схемах, где требуются повышенные значения входного сопротивления, коэффициентов усиления и пониженные значения выходного сопротивления.

По существу в составном транзисторе силовым является только транзистор Т₂, т.к. ток его коллектора во много раз больше тока коллектора транзистора Т₁ (отношение этих токов определяется коэффициентом β₂).

Входное напряжение составного транзистора, обеспечивающее его включенное состояние (режим насыщения), больше соответствующего напряжения обычного транзистора, т.к. равно сумме входных напряжений двух транзисторов. Тем не менее оно остается достаточно малым (не более нескольких вольт).

Напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения составного транзистора также превышает соответствующее напряжение обычного транзистора. Причина в том, что по существу в режиме насыщения работает только транзистор Т₁, а транзистор Т₂ остается в активном режиме. Напряжение между коллектором и базой транзистора Т₂ (т.е. напряжение между коллектором и эмиттером транзистора Т₁) остается положительным и в режиме насыщения транзистора Т₁. Однако и для составного транзистора напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения невелико (обычно не более 2 В).

Составные транзисторы используются в схемах, где требуются повышенные значения входного сопротивления, коэффициентов усиления и пониженные значения выходного сопротивления.

Промышленность выпускает также силовые биполярные транзисторы. Они предназначены для управления большими токами (десятки ампер и более) и большими напряжениями( сотни вольт и более). Силовые транзисторы были разработаны вскоре после изобретения в 1948 г. биполярных транзисторов. В эту группу относят транзисторы с рассеиваемой коллекторной мощностью Р_max 1,5 Вт. Силовыми называют

Рис. 36. Структура одиночного силового транзистора

приборы на токи 10А и более. Подавляющее большинство мощных транзисторов кремниевые, с планарной или мезапланарной структурой (рис. 36) На толстой сильнолегированной n+- подложке эпитаксиально выращен слаболегированный слой n-типа, в котором диффузией акцепторной примеси сформирован коллекторный p-n переход. С применением фотолитографии в оксиде, располо-

женном на р-слое, вскрыто окно, через которое проведена диффузия доноров, формирующих n-слой эмиттера Слой n-коллектора слаболегирован. Концентрация примеси в базе на 2 порядка выше. Коллекторный переход при обратном смещении расширяется в сторону коллектора, что предотвращает смыкание p-n переходов и обеспечивает высокое рабочее напряжение.

Мощные транзисторы работают преимущественно в режиме переключения, с быстрым переходом из закрытого состояния в открытое при большом коллекторном токе. При этом в коллекторе образуется значительный избыточный заряд дырок, что снижает быстродействие при закрытии транзистора.

Для улучшения свойств силовых транзисторов создают параллельную структуру из нескольких ячеек.

Основными параметрами являются:

1. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при заданных токах

U_{кс нас.}.

2. Время нарастания, задержки, рассасывания и спада при заданных напряжениях и токах коллектора и базы.

Максимальные параметры: ток 300 А, напряжение 1400 В,

коэффициент = 5 - 10, время переключения - 2 - 5 мксек. Недостатком силовых биполярных транзисторов является низкий коэффициент передачи тока базы, что требует большого тока управления (десятки ампер). Из-за этого конструкция управляющего устройства получается нерациональной.

В схемах силовой электроники часто используют типовые узлы (фрагменты). Состоящие из некоторого количества соединенных определенным образом мощных приборов. Оказалось удобным размещать такие узлы в одном корпусе. Соответствующее устройство принято называть силовым модулем. Примером может служить модуль по схеме Дарлингтона (рис.37) В этом случае β достигает значения 100, упрощается схема устройства управления. Переходы транзисторов шунтированы резисторами,

а б

Рис. 37. Составной транзистор: а - структура; б - электрическая схема

сформированными продольными участками р-базы. Эти резисторы увеличивают максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером, уменьшают время включения. Диод D обеспечивает протекание тока по направлению от эмиттера к коллектору составного транзистора при запертых транзисторах. Это повышает рабочие напряжения, уменьшает температурную нестабильность. Недостатком является высокое остаточное напряжение открытого ключа.

С 1980 г. силовые транзисторы использовали в ключевом режиме в преобразователях. Силовые транзисторы обычно используются в тяжелых режимах работы, близких к предельным. При этом происходит выделение значительной мощности в области коллекторного перехода. Максимально допустимая температура обычно указывается в справочнике. Особенно большая мощность выделяется при работе транзистора в активном режиме, например, в усилителях мощности. При этом снижается КПД устройства и создаются проблемы с охлаждением транзистора.

Наиболее эффективным способом снижения мощности, выделяющейся в коллекторе, является использование транзистора в ключевом режиме. При этом транзистор значительную часть времени работает в режиме отсечки, и ток коллектора близок к нулю, или в режиме насыщения, когда напряжение между коллектором и эмиттером близко к нулю. Мощность в режиме отсечки значительно меньше мощности в режиме насыщения, поэтому ею часто пренебрегают. Увеличение выделяемой мощности происходит только в переходных режимах.

Переход транзистора из выключенного состояния во включенное и наоборот происходит не мгновенно, а в течение определенного времени, что обусловлено инерционностью процессов изменения концентрации носителей зарядов и наличием в ней внутренних емкостей (рис. ). Предположим, что при t t₀ транзистор находиться в режиме отсечки (выключен). При t = t₀ в базу от источника управления поступает импульс тока, величина которого больше граничной (i_B1 i_{D sat} ) . Так как напряжение на входной емкости не может измениться скачком, начинается процесс ее заряда до напряжение U_{BE sat} .при котором начинается рост тока базового перехода (момент времени t₁ ). В момент времени t₂ достигается режим насыщения, ток коллектора перестает расти, а в базе продолжает увеличиваться избыточный заряд до момента времени t₃ . Таким образом, время включения транзистора состоит из времени задержки и времени нарастания тока коллектора

t_вкл = t_{d вкл} + t_ri .

Рис. 38. Динамические процессы в биполярном транзисторе

Процесс выключения транзистора начинается в момент подачи на базу запирающего импульса тока i_B2 (t₄) . Под воздействием этого тока начинается процесс рассасывания избыточного заряда. В момент времени t₅ транзистор выходит из режима насыщения и начинается спад коллекторного тока. Общее время выключения t_выкл = t _{d выкл.} + t_{fi ,} где и t_fi - длительность спада тока коллектора до наступления режима отсечки, т.е. длительность фронта выключения. Восстановление выходного напряжения закончится позже момента времени t₆ , когда ток коллектор станет равным нулю из-за наличия собственной выходной емкости транзистор.

Рис. 39. Область безопасной работы транзистора

На рис. 39 представлена область безопасной работы (ОБР) транзистора при постоянном и импульсном токах различной длительности. Участок аб соответствкет предельному значению постоянного токк. Участок бв - ограничивает ОБР в соответствии с максимально допустимой мощностью потерь в приборе. Участок вг соответствует максимально допустимому значению напряжения коллектор-эмиттер. В импульсном режиме работы границы ОБР расширяются, чем короче импульс тем больше могут быть допустимый ток и мощность.

Динамические вольт-амперные характеристики транзистора зависят от коммутируемой нагрузки. При выключении активно-индуктивной нагрузки возможны перенапряжения на ключевом элементе. Для ограничения перенапряжений применяются цепи формирования траектории переключения (ЦФТП), которые в литературе иногда называт снабберами. Можно шунтировать нагрузку обратно смещенным диодом, шунитировать транзистор стабилитроном или диодом с последовательно включенным конденсатором.