Силові транзистори - студопедія
У ряді випадків потрібне мати більш високі значення для коефіцієнта передачі струму транзистора і його вхідного опору. У цьому випадку може бути корисна схема складеного транзистора. При цьому коефіцієнт передачі струму бази буде дорівнює:
b = b1 + b2 + b1 b2 .Якщо врахувати, чтоb1 >> 1, і b2 >> 1, то получімb »b1 b2 Для отримання максимального коефіцієнта b транзистор Т2 вибирають більш потужним, з тим, щоб його номінальний вхідний струм дорівнював вихідному току транзистора Т1. Для отримання максимального коеффіціентаb транзистор Т2 вибирають більш потужним,
з тим, щоб його номінальний вхідний струм дорівнював вихідному струму транзистора Т1.
Для складеного транзистора справедливі співвідношення:
Колекторні опору складеного транзистора менше, ніж опір одного транзистора. Зворотний струм колектора стає трохи вище:
Складові транзистори використовуються в схемах, де потрібні підвищені значення вхідного опору, коефіцієнтів посилення і знижені значення вихідного опору.
По суті в складеному транзисторі силовим є тільки транзистор Т2. тому ток його колектора у багато разів більше струму колектора транзистора Т1 (відношення цих струмів визначається коефіцієнтом # 946; 2).
Вхідна напруга складеного транзистора, що забезпечує його включений стан (режим насичення), більше відповідного напруги звичайного транзистора, тому що дорівнює сумі вхідних напруг двох транзисторів. Проте воно залишається досить малим (не більше декількох вольт).
Напруга між колектором і емітером в режимі насичення складеного транзистора також перевищує відповідну напругу звичайного транзистора. Причина в тому, що по суті в режимі насичення працює тільки транзистор Т1. а транзистор Т2 залишається в активному режимі. Напруга між колектором і базою транзистора Т2 (тобто напруга між колектором і емітером транзистора Т1) залишається позитивним і в режимі насичення транзистора Т1. Однак і для складеного транзистора напруга між колектором і емітером в режимі насичення невелика (зазвичай не більше 2 В).
Складові транзистори використовуються в схемах, де потрібні підвищені значення вхідного опору, коефіцієнтів посилення і знижені значення вихідного опору.
Промисловість випускає також силові біполярні транзистори. Вони призначені для управління великими струмами (десятки ампер і більше) і великими напруженнями (сотні вольт і більше). Силові транзистори були розроблені незабаром після винаходу в 1948 р біполярних транзисторів. У цю групу відносять транзистори з розсіюваною колекторної потужністю Рmax 1,5 Вт. силовими називають
прилади на струми 10А і більше. Переважна більшість потужних транзисторів кремнієві, з планарной або мезапланарних структурою (рис. 36) На товстої сильнолегированной n + - підкладці епітаксійних вирощений слаболегірованних шар n-типу, в якому дифузією акцепторної домішки сформований колекторний p-n перехід. Із застосуванням фотолитографии в оксиді, располо-
женном на р-шарі, розкрито вікно, через яке проведена дифузія донорів, які формують n-шар емітера Шар n-колектора слаболегірованних. Концентрація домішки в базі на 2 порядки вище. Колекторний перехід при зворотному зміщенні розширюється в бік колектора, що запобігає змикання p-n переходів і забезпечує високу робочу напругу.
Потужні транзистори працюють переважно в режимі перемикання, з швидким переходом з закритого стану у відкрите при великому коллекторном струмі. При цьому в колекторі утворюється значний надлишковий заряд дірок, що знижує швидкодію при закритті транзистора.
Для поліпшення властивостей силових транзисторів створюють паралельну структуру з декількох осередків.
Основними параметрами є:
1. Напруга насичення колектор-емітер при заданих токах
2. Час наростання, затримки, розсмоктування і спаду при заданих напрузі і токах колектора і бази.
Максимальні параметри: струм 300 А, напруга 1400 на,
коефіцієнт = 5 - 10, час перемикання - 2 - 5 мксек. Недоліком силових біполярних транзисторів є низький коефіцієнт передачі струму бази, що вимагає великого струму управління (десятки ампер). Через це конструкція керуючого пристрою виходить нераціональною.
У схемах силової електроніки часто використовують типові вузли (фрагменти). Що складаються з певної кількості з'єднаних певним чином потужних приладів. Виявилося зручним розміщувати такі вузли в одному корпусі. Відповідний пристрій прийнято називати силовим модулем. Прикладом може служити модуль за схемою Дарлінгтона (мал.37) У цьому випадку # 946; досягає значення 100, спрощується схема пристрою управління. Переходи транзисторів шунтовані резисторами,
Мал. 37. Складовою транзистор: а - структура; б - електрична схема
сформованими поздовжніми ділянками р-бази. Ці резистори збільшують максимально допустима напруга між колектором і емітером, зменшують час включення. Діод D забезпечує протікання струму у напрямку від емітера до колектора складеного транзистора при замкнених транзисторах. Це підвищує робочі напруги, зменшує температурну нестабільність. Недоліком є висока залишкова напруга відкритого ключа.
З 1980 р силові транзистори використовували в ключовому режимі в перетворювачах. Силові транзистори зазвичай використовуються в важких режимах роботи, близьких до граничних. При цьому відбувається виділення значної потужності в області колекторного переходу. Максимально допустима температура зазвичай вказується в довіднику. Особливо велика потужність виділяється при роботі транзистора в активному режимі, наприклад, в підсилювачах потужності. При цьому знижується ККД пристрою і створюються проблеми з охолодженням транзистора.
Найбільш ефективним способом зниження потужності, що виділяється в колекторі, є використання транзистора в ключовому режимі. При цьому транзистор значну частину часу працює в режимі відсічення, і струм колектора близький до нуля, або в режимі насичення, коли напруга між колектором і емітером близько до нуля. Потужність в режимі відсічення значно менше потужності в режимі насичення, тому нею часто нехтують. Збільшення виділеної потужності відбувається тільки в перехідних режимах.
Перехід транзистора з вимкненого стану у включене і навпаки відбувається не миттєво, а протягом певного часу, що обумовлено інерційністю процесів зміни концентрації носіїв зарядів і наявністю в ній внутрішніх ємностей (рис.). Припустимо, що при tt0 транзистор перебувати в режимі відсічення (вимкнений). При t = t0 в базу від джерела управління надходить імпульс струму, величина якого більше граничної (iB1iDsat). Так як напруга на вхідний ємності не може змінитися стрибком, починається процес її заряду до напруження UBEsat .при якому починається ріст струму базового переходу (момент часу t1). У момент часу t2 досягається режим насичення, струм колектора перестає рости, а в базі продовжує збільшуватися надлишковий заряд до моменту часу t3. Таким чином, час включення транзистора складається з часу затримки і часу наростання струму колектора
Мал. 38. Динамічні процеси в біполярному транзисторі
Процес вимкнення транзистора починається в момент подачі на базу замикаючого імпульсу струму iB2 (t4). Під впливом цього струму починається процес розсмоктування надлишкового заряду. У момент часу t5 транзистор виходить з режиму насичення і починається спад колекторного струму. Загальний час вимикання tвикл = t dвикл. + Tfi, де і tfi - тривалість спаду струму колектора до настання режиму відсічення, тобто тривалість фронту виключення. Відновлення вихідної напруги триватиме довше моментів часу t6. коли струм колектор стане рівним нулю через наявність власної вихідний ємності транзистор.
Мал. 39. Область безпечної роботи транзистора
На рис. 39 представлена область безпечної роботи (ОБР) транзистора при постійному і імпульсному токах різної тривалості. Ділянка аб соответствкет граничного значення постійного ТОККО. Ділянка бв - обмежує ОБР відповідно до максимально допустимої потужністю втрат в приладі. Ділянка ВГ відповідає максимально допустимому значенню напруги колектор-емітер. В імпульсному режимі роботи кордону ОБР розширюються, чим коротше імпульс тим більше можуть бути допустимий струм і потужність.
Динамічні вольт-амперні характеристики транзистора залежать від комутованої навантаження. При виключенні активно-індуктивного навантаження можливі перенапруги на ключовому елементі. Для обмеження перенапруг застосовуються ланцюги формування траєкторії перемикання (ЦФТП), які в літературі іноді називат снабберамі. Можна шунтировать навантаження назад зміщеним діодом, шунітіровать транзистор стабілітроном або діодом з послідовно включеним конденсатором.