Материал: TTE_Lect1

Таблиця 12.1

Випускаються також модулі МОП ПТ, які можуть розсіювати більші потужності й пропускати більші струми. Більших струмів і потужності можна домогтися паралельним увімкненням кількох транзисторів, вартість яких здебільшого в 1,3 -1,5 раза менша, однак перевагу надають модулям через спрощення конструкції й відсутність додаткових елементів. Параметри деяких модулів наведені в табл.12.3.

Водночас розробляють силові перетворювачі на МОП ПТ із напругою живлення 500 - 600 В, вихідною потужністю до 2 кВт, на робочих частотах до 500 - 800 кГц. Тривалість фронтів перемикання транзисторів 20 - 40 нс.

Таблиця 12.3

Розробки й подальший серійний випуск МОП ПТ показали, що одержати потужності перетворювачів більше 2,5 кВт при живленні від промислової силової мережі 220 В 50 Гц так і не вдалося. Крім того, існує проблема одержання високовольтних транзисторів. Але на більші потужності з використанням високовольтних біполярних транзисторів

166

особливо гостро постає питання зниження втрат потужності на керування.

12.3.2 Біполярний транзистор з ізольованим затвором У другій половині 80-х років з'явилася ідея створення

комбінованого силового біполярного транзистора з МОП - керуванням на вході, названого в закордонних публікаціях IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, тобто БТІЗ - біполярний транзистор з ізольованим затвором). Структурне ввімкнення транзисторів у такому складанні показане на рис.12.6.

Рисунок 12.6 – Структурна схема БТІЗ

У 1990-1992 рр. закордонні фірми серійно випустили транзистори

БТІЗ.

БТІЗ - транзистор являє собою р-n-р структуру, керовану від низьковольтного МОП з індукованим каналом через високовольтний польовий транзистор. На сьогоднішній день поки ще немає відомостей про транзистори БТІЗ n-р-n типу провідності.

Оскільки струм стоку низьковольтного МОП транзистора становить лише невелику частину струму навантаження (у вихідного біполярного транзистора Iн=Iз=Iб+Iк), то розміри його порівняно невеликі, і він має набагато менші відповідні ємності затвора, чим МОП ПТ. Пробивна вхідна напруга БТІЗ теоретично становить близько 80 В, але для забезпечення надійності роботи в довідкових даних практично всіх фірм виробників БТІЗ зазначене значення, що дорівнює 20 В. При роботі із транзисторами необхідно стежити, щоб напруга затвор-емітера не перевищувала ±20 В.

167

Напруга на затворі БТІЗ, при якому вхідний МОП - транзистор і вихідний біполярний починають відмикатися, становить від 3,5 до 6,0 В, і гарантована напруга, при якій транзистор повністю відкритий, тобто може пропускати максимально припустимий струм через колекторемітерний перехід, становить від 8 В до граничного значення 20 В.

Максимальний струм, який можуть комутувати сучасні БТІЗ, 7-100 А, а припустимий імпульсний струм, як правило, в 2,5-3 раза перевищує максимальний. Для більших потужностей випускають модулі, які складаються з декількох транзисторів. Граничні струми таких модулів до 1000 А. Пробивна напруга БТІЗ – 400-2500 В. Основні параметри деяких БТІЗ подані в табл.12.4, модулів - у табл.12.5, у яких взяті такі позначення:

Uкэ - напруга колектор-емітера;

Uкэн - напруга колектор-емітерного відкритого транзистора; Iк - постійний струм колектора;

Р - макс. розсіювальна потужність.

Таблиця 12.4

Напруга колектор-емітерного переходу відкритого транзистора 1,5- 4 В, залежно від типу, струму й граничної напруги БТІЗ, в однакових режимах. Для різних типів приладів напруга на переході відкритого транзистора тим вища, чим вищі пробивна напруга й швидкість перемикання.

Таблиця 12.5

Унаслідок низького коефіцієнта підсилення вихідного біполярного транзистора БТІЗ захищений від вторинного пробою, і що особливо важливо для імпульсного режиму, він має прямокутну область безпечної роботи.

168

Зі зростанням температури напруга на колектор-емітерному переході транзистора збільшується, це дає можливість умикати прилади паралельно до загального навантаження й збільшувати сумарний вихідний струм.

Так само, як МОП ПТ, БТІЗ мають ємності затвор-колектора, затвор-емітера, колектор-емітера. Величини цих ємностей, як правило, в 2-5 разів нижчі, ніж у МОП ПТ із аналогічними граничними параметрами, Це пов'язане з тим, що в БТІЗ на вході розміщений малопотужний МОП, що потребує для керування в динамічних режимах меншу потужність.

Істотною перевагою БТІЗ є те, що біполярний транзистор у структурі не насичується й, отже, не має часу розсмоктування, однак при зменшенні напруги на затворі струм через силові електроди ще проходить протягом від 80 - 200 нс до одиниць мікросекунд залежно від типу приладу. Зменшити ці тимчасові параметри неможливо, тому що база р-n-р - транзистора недоступна.

БТІЗ порівняно з МОП ПТ мають такі переваги:

-економічність керування, пов'язана з меншою ємністю затвора й відповідно динамічними втратами на керування;

-висока щільність струму в переході емітер-колектора така сама, як

іу біполярному транзисторі;

-менші втрати в режимах імпульсних струмів;

-практично прямокутна область безпечної роботи;

-можливість паралельного сполучення транзисторів з загальним навантаженням;

-динамічні характеристики останніх транзисторів наближаються до МОП ПТ.

Наприклад, залежність струму колектора БТІЗ від частоти для транзистора IRGPC5OUD2 показана на рис.12.7.

Рисунок 12.7 – Залежність струму колектора від частоти

169

. Як бачимо з рисунка, при частотах роботи транзисторів більше 10 кГц доводиться зменшувати струм колектора більш ніж удвічі.

Основним недоліком БТІЗ є великий час вимикання, що обмежує частоти перемикання до 40-100 кГц навіть у самих швидкодіючих транзисторів, крім того, зі зростанням частоти необхідно зменшувати струм колектора.

Керування МОП ПТ І БТІЗ транзисторами

МОП ПТ і БТІЗ транзистори - прилади, які керуються напругою. Фірми-виробники силових напівпровідників випускають драйвери керування, які узгоджують малопотужну схему керування з вихідними транзисторами верхнього й нижнього плечей силового інвертора. Вихідні каскади цих драйверів виконують, як правило, у вигляді двотактних підсилювачів потужності на польових транзисторах, що забезпечують імпульсний вихідний струм до 2 А. Живлення верхнього плеча інвертора виконується за схемою зарядного "насоса", показаного

на рис.12.8.

Рисунок 12.8 – Схема живлення інвертора

Схема формування, гальванічної розв'язки й підсилювач нижнього плеча драйверів живиться від низьковольтного допоміжного джерела живлення UH. При ввімкненні транзистора нижнього плеча VT2 (у першому півперіоді роботи) діод V01 відкривається й заряджає накопичувальний конденсатор C1, надалі – живильний підсилювач верхнього плеча. У кожному півперіоді при відкритому транзисторі VT2

170