Характеристики и параметры силовых ключей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Характеристики и параметры силовых ключей



Введение

Справочная информация по полупроводниковые ключные приборы содержит многие десятки параметров и характеристик.

Разработчику электронных схем в первую очередь следует знать, как по имеющимся данным правильно выбрать ключевой прибор, а также как правильно его применить. Поэтому основная цель настоящей главы- рассмотреть систему справочной информации с точки зрения специфики применения ключевого прибора в схеме.



1. Параметры силового полупроводникового ключа

Условно все параметры силового полупроводникового ключа можно разделить на следующие группы:

1. По напряжению выходной цепи ключа, которое характеризует блокирующую способность прибора и его остаточное напряжение в открытом состоянии.

2. По току выходной цепи ключа, который включает средние, импульсные и ударные токовые параметры ключа, также токи утечки в закрытом состоянии.

3. Группа параметров, характеризующих цепь управления ключевого прибора.

4. Параметры эффективности, характеризующие усилительные свойства ключа и его качество

5. Временные параметры отпирания и запирания, которые характеризуют продолжительность переходных процессов и их составляющие этапы.

6. Динамические параметры, представляющие максимально допустимые скорости изменения тока и напряжения, соответственно, в открытом и закрытом состоянии ключа, а также паразитные емкости и индуктивности.

7. Тепловые параметры, характеризующие допустимую температуру и тепловые сопротивления ключевого прибора.

8. Мощностные и энергетические параметры, представляющие собой различные составляющие потерь в структуре ключа.

Для успешного применения ключевого прибор любого типа нельзя превышать ни один из предельно допустимых параметров, к какой бы группе он ни относился. Но очевидно также что слишком большой коэффициент запаса приведет к снижению экономичности разрабатываемой схемы. Поэтому выбор ключевого элемента следует производить в строго определенной последовательности:

1. определяются требования к полупроводниковому ключу с точки зрения напряжения и тока применяемой схеме. При этом напряжение и ток ключа должны быть выражены через входное напряжение схемы и требуемую мощность в нагрузке.

2. Проводится оценка амплитуды напряжения в схеме в переходных режимах, а также оценка токовой нагрузки ключа, если форма тока не соответствует нормализованной.

3. Определяется диапазон рабочих температур схемы, а также максимальная температура окружающей среды.

4. На основе сравнения полученных данных с данными каталога проводится выбор типа ключевого прибора.

5. Проводится расчет и выбор соответствующего теплоотвода для данного ключевого прибора.

6. На основе параметров цепи управления определяются требования к схеме управления ключом.

7. Рассчитываются схемы и определяются алгоритмы защиты от возможных перегрузок

Режим работы схемы определяет диапазон изменения амплитуды блокируемых напряжений и тока ключа, соответственно, в его закрытом и открытом состоянии. Поэтому большой интерес представляют зависимости параметров прибора от воздействия выходных токов и напряжений. Для самого ключевого прибора связь выходных тока и напряжений задается выходной характеристикой. ключ полупроводниковый силовой

2. Характеристики ключей и режим работы схемы

Режим работы схемы определяет диапазон изменения амплитуды блокируемых напряжений и тока ключа, соответственно, в его закрытом и открытом состоянии. Поэтому большой интерес представляют зависимости параметров прибора от воздействия выходных токов и напряжений. Для самого ключевого прибора связь выходного тока и напряжения задается выходной характеристикой. Это одна из важнейших характеристик, которая определяет, какой выходной ток может протекать через прибор при определенном выходном напряжении для заданного входного воздействия.Для всех основных разновидностей транзисторов выходные характеристики представлены на Рис.1--4. Данные зависимости являются статическими, поэтому для ключевого режима работы состояние транзистора по выходу определяется перемещением его рабочей точки вдоль линии нагрузки.Один из главных параметров эффективности прибора -- коэффициент усиления.Для биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, коэффициент усиления определяется уравнением:

= const

Рис.1. Выходная характеристика биполярного транзистора



Рис.2. Выходная характеристика МДП-транзистора

Рис.3. Выходная характеристика IGBT

Аналогично определяется коэффициент передачи тока В для индукционных транзисторов с биполярным режимом работы и для BSIT транзисторов, включенных по схеме с общим истоком:



Рис. 5. Выходнаяхарактеристика СИТ

Для полевых транзисторов с МДП структурой, биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT и индукционных транзисторов при полевом режиме переключения в качестве коэффициента усиления большого сигнала используется параметр, называемый силовой крутизной S. Для схемы с общим истоком (или общим эмиттером для IGBT) данный коэффициент определяется уравнением:

Применительно к приборам ключевого типа коэффициент усиления используется, во-первых, для оценки показателя качества прибора K, определяемого какпроизведение коэффициента усиления на полосу пропускания.

Для биполярных транзисторов:



где фд -- время жизни неосновных носителей в базе транзистора.

Для полевых транзисторов:

где С_IN -- входная емкость транзистора.

Во-вторых, коэффициент усиления характеризует способность ключевого транзистора находиться в насыщенном состоянии при заданном входном воздействии и нагрузочном токе.

Для практического учета влияния режима работы схемы на коэффициенты передачи тока используют эмпирические зависимости. Для биполярного транзистора:

где V_CE и I_C -- выходное напряжение и ток;

V₀, А, С и D -- постоянные параметры, рассчитываемые по справочным данным или определяемые экспериментально.

Для статических индукционных транзисторов:

где I_D -- выходной ток стока;

B₀ и I₀ -- постоянные параметры, рассчитываемые по справочным данным или определяемые экспериментально, при заданном значении выходного напряжения.

Поскольку между условиями применения транзисторов (ключевой режим работы) и условиями измерения коэффициентов передачи тока (линейный режим работы) существует некоторое несоответствие, для гарантированного насыщения транзистора используется определенный запас по входному току, определяемый коэффициентом насыщения K_SAT. Данный коэффициент определяется как отношение входного тока, необходимого для гарантированного насыщения транзистора к входному току, определяемому на основе справочного значения коэффициента передачи тока и заданного тока нагрузки:

K_SAT для различных транзисторов выбирается в диапазоне 2…5.

Мощные полевые транзисторы имеют короткие каналы, обеспечивающие насыщение скорости носителей благодаря сильному электрическому полю, создаваемому напряжением стока. Поскольку силовая крутизна S пропорциональна скорости движения носителей заряда, в области малых токов наблюдается ее рост с увеличением выходного тока. Затем наступает насыщение крутизны, при котором смещение в цепи затвора и увеличение тока стока не вызывают дальнейшего роста параметра S. Данное свойство обеспечивает устойчивость полевых транзисторов к токовым перегрузкам по сравнению с биполярными аналогами.

Изменение параметра S при изменении тока стока для мощных полевых транзисторов в области малых токов определяется выражением:



где b -- параметр, определяемый для конкретного типа транзистора. Для больших токов нагрузки, когда величина тока стока линейно зависит от напряжения в цепи затвора:

где S₀ -- справочная силовая крутизна, измеренная в области больших токов. Влияние сопротивления открытого канала на усилительные свойства полевого транзистора может быть оценено выражением (Рис. 6).

Рис.6. Влияние сопротивления открытого МДП-транзистора на силовую крутизну

где S -- силовая крутизна транзистора;

S? -- силовая крутизна с учетом влияния сопротивления канала;

r_S-- паразитное сопротивление канала в истоковой области транзистора.

Для мощных МДП-транзисторов на крутых участках выходных характеристик сопротивление канала определяется выражением:

Данная зависимость может объясняться влиянием отрицательной обратной связи сопротивления канала на силовую крутизну в соответствии с приведенной зависимостью (11).

Так как силовая крутизна высоковольтных МДП-транзисторов составляет единицы и доли ампер на вольт, сопротивление канала в открытом состоянии имеет порядок единиц и долей Ома. Соответственно для низковольтных силовых транзисторов сопротивление канала составляет сотые и даже тысячные доли Ома. При этом их силовая крутизна увеличивается в десятки и сотни раз. Статические индукционные транзисторы с очень коротким каналом в полевом режиме работы имеют выходные характеристики так называемого “триодного” типа, поскольку действие отрицательной обратной связи на силовую крутизну прибора практически отсутствует. Внутреннее сопротивление СИТ в данном режиме определяется выражением:

где S -- силовая крутизна;

µ -- параметр транзистора, называемый внешним коэффициентом усиления.



3. Предельные характеристики полупроводниковых ключей

Система предельно допустимых параметров ключа объединяет граничные значения напряжений и токов для входной и выходной цепи прибора, предельно допустимые температуры переходов и корпуса, а также максимально возможную рассеиваемую мощность. Предельное значение напряжения определяется развитием какого-либо из видов пробоев в структуре прибора. В современных ключевых приборах, как правило, определяющим является лавинный пробой, приводящий к неконтролируемому процессу умножения носителей при достижении критической напряженности электрического поля.

Максимально допустимые токи ключа устанавливаются из условий не превышения максимально допустимой рабочей температуры переходов, конструктивных особенностей прибора, определяемых надежностью выводов и контактов, а также допустимыми пределами изменения усилительных свойств ключа, которые не должны ухудшаться при заданной токовой нагрузке.

Предельно допустимая температура полупроводниковой структуры прибора и его корпуса определяются свойствами исходного материала и особенностями конструкции.

Максимальная рассеиваемая мощность определяется тепловым сопротивлением ключа, которое связывает данный параметр с максимально допустимой температурой перехода. Зависимость температуры от выделяющейся мощности определяется способом отведения тепла и конструкцией охладителя.

Предельные возможности силовых ключей наглядно представляются диаграммами области безопасных режимов (ОБР).



4. Потери в силовых ключах

На Рис. 7 представлена форма импульса прямого тока ключа. Введем следующие временные параметры, характеризующие заданную токовую нагрузку:

t_P = t₃ - t₂--длительность прямого тока;

t_R = t₂ - t₁ -- время нарастания прямого тока;

t_F = t₄ - t₃-- время спада прямого тока.

При известной амплитуде прямого тока I_M мгновенные значения данного тока на интервалах включения, проводящего состояния и выключения могут быть представлены соответственно:

Рис.7 Форма импульса прямого тока

На Рис. 8 представлены типовые варианты кривых тока и напряжения в переходном процессе включения полупроводникового ключа соответственно для резистивной и индуктивной нагрузки в режимах импульсного и непрерывного тока. Если энергия потерь на включение E_on представляется формулой



для соответствующих вариантов нагрузки можно записать:

Резистивная нагрузка:

Индуктивная нагрузка в режиме импульсных токов:

Индуктивная нагрузка в режиме непрерывного тока:

где E -- напряжение на закрытом ключе; V_COND -- напряжение на ключе в проводящем состоянии (напряжение насыщения).

Потери на включение можно представить общей формулой:



Рис. 8. Типовые кривые переходного процесса включения при работе ключа на резистивную (а) и индуктивную нагрузку в режиме импульсных (б) и непрерывных (в) токов

где K_ON -- коэффициент, определяемый типом нагрузки. Соответственно рассматриваемым вариантам: K_ON = 6;

На Рис. 9представлены стилизованные кривые тока и напряжения в переходном процессе запирания ключа. Энергия потерь на выключение E_OFF определяется формулой:



Рис.9 Типовые кривые переходного процесса выключения при работе ключа на резистивную (а) и индуктивную нагрузку в режиме импульсных (б) и непрерывных (в) токов

Применяя приближения, используемые в расчете E_ON, для потерь на выключение, можно записать аналогичную обобщенную формулу:

где K_OFF -- коэффициент, определяемый типом нагрузки.

Для рассматриваемых вариантов K_OFF определяется соответственно: K_OFF = 6;

Энергия потерь в проводящем состоянии E_COND определяется выражением:



После определения энергии потерь в статическом и динамическом режиме оценивают суммарные потери. Для ключей с минимальными потерями в цепи управления энергию общих потерь E₀ можно рассчитать, как сумму статических и динамических потерь:

Для силовых биполярных транзисторов и СИТ в биполярном режиме энергия дополнительных потерь на управление E_y оценивается по формуле:

где V_IN(sat) -- входное напряжение на управляющем переходе в режиме насыщения;

I_IN -- амплитуда входного тока.

Для мощных полевых транзисторов и ключей с изолированным затвором дополнительные потери на управление определяются выражением:

где Q_G -- заряд, накопленный во входной емкости затвора; V_IN -- напряжение во входной цепи ключа.

С учетом потерь на управление суммарная энергия потерь Е₀ представляется выражением:



При заданной частоте переключения f средняя мощность потерь в структуре ключа P_AV рассчитывается по формуле:

Максимальную мощность потерь P_M при заданной длительности протекания тока t_P можно определить по формуле:

Представленный расчет энергии и мощности потерь основан на типовых формах токов и напряжений ключа. Реальные кривые имеют несколько отличительных особенностей, связанных переходными процессами и действием паразитных элементов схемы. Более подробный анализ основных этапов переключения силовых приборов будет представлен в последней главе книги, здесь же заметим, что в справочной литературе приводятся значения энергии потерь на переключение E_ON и E_OFF при заданном режиме измерения. Тогда динамические потери в режиме эксплуатации E^*_onи E^*_off можно оценить по формулам:

где E_ON, E_OFF -- справочные динамические потери;

E_ИЗМ, I_M, И_ЗМ -- напряжение и ток режима измерения;

E^*, I^*_M -- напряжение и ток режима эксплуатации.



5. Допустимые режимы работы ключей

можно определить зависимость тока нагрузки от температуры корпуса силового ключа с учетом максимально допустимой температуры перехода. Для импульса прямого тока (Рис. 7) были получены формулы 31 и 32, определяющие среднюю P_AV и максимальную P_M мощность потерь в ключе. С учетом тепловых сопротивлений прибора для средней T_J (av) и максимальной T_J (max) температуры перехода можно записать выражения:

где T_C-- температура корпуса ключа;

R_ThJC-- статическое тепловое сопротивление переход-корпус;

Z_ThJC(tР) -- переходное тепловое сопротивление переход--корпус в конце импульса тока нагрузки;

t_Р -- длительность тока нагрузки.

Рис. 10 Переходное тепловое сопротивление переход--корпус

С уменьшением длительности импульсного тока t_Р и увеличением скважности D, что фактически эквивалентно росту частоты переключения, переходное тепловое сопротивление Z_ThJC(t) выходит на горизонтальные участки (Рис. 10). Это означает, что в данном интервале частот тепловая инерция в структуре ключа достаточно велика, а средняя температура перехода T_J (av) практически не отличается от максимальной T_J(max). При этом выполняется равенство:

Расчеты показывают, что данное утверждение справедливо для частот переключения f> 3…10 кГц. В остальных случаях T_J (max)>T_J (av) и расчет тепловой перегрузки следует производить с использованием диаграмм переходного теплового сопротивления.

Используя формулы 32 и 36 для максимальной температуры перехода, можно записать выражение:

В общем случае энергия потерь E₀ является функцией тока нагрузки. Тогда при заданной максимально допустимой температуре перехода уравнение (38) представляет собой неявную формулу для расчета допустимого тока ключа. Например, для мощного МДП-транзистора энергию потерь E₀ с учетом формул (21), (24) и (26) можно представить в виде:

Напряжение насыщения МДП-ключа в открытом состоянии V_COND можно также выразить функцией тока нагрузки:



где R_DS(on) -- сопротивление проводящего канала в открытом состоянии.

Тогда допустимый ток нагрузки при максимальной температуре перехода T_J(max) определяется решением квадратного уравнения:

Размещено на Allbest.ru