Силовые биполярные транзисторы

Современные силовые биполярные транзисторы изготавливаются на основе монокристаллического кремния. Базовая ячейка транзистора n-p-n –типа показана на рисунке 13.1.

Рисунок 13.1 - Структура базовой ячейки силового биполярного транзистора

Эмиттер состоит из нескольких частей, что позволяет снизить сопротивление между базой и эмиттером, а также равномерно распределить ток по всему проводящему сечению. Коллектор имеет две области: сильно легированную и слабо легированную . Слабо легированная область делает коллекторный p-n переход широким и сдвинутым в область коллектора, что повышает допустимое напряжение на коллекторе. Скосы на кристалле позволяют уменьшить утечки по поверхности кристалла и снизить напряженность электрического поля.

Рассмотрим работу транзистора в режиме ключа, на рисунке 13.2 показана схема транзисторного ключа (а) и выходная характеристика (b).

Рисунок 13.2 - Схема транзисторного ключа (а) и выходная характеристика (b)

Проводя нагрузочную прямую в системе выходных характеристик транзистора, получим две точки, определяющие режимы работы ключа. В точке 1 транзистор закрыт (режим отсечки), коллекторный переход находится под обратным, а эмиттерный - под прямым напряжением. Часто для более полного и быстрого закрытия транзистора напряжение база – эмиттер также делают отрицательным. Ток коллектора равен нулю, а напряжение коллектор – эмиттер равно , , . В точке 2 транзистор находится в открытом состоянии (режим насыщения), коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении. В этом случае, ток коллектора равен току насыщения , а напряжение на коллекторе равно напряжению насыщения , , которое обычно составляет несколько милливольт. Минимальное значение тока базы, которое необходимо для того, чтобы обеспечить открытое состояние транзистора, называют током базы насыщения . Для ускорения процесса открытия транзистора ток базы делают больше тока базы насыщения, превышение тока базы над минимальным значением оценивают степенью насыщения

, (13.1)

которая может быть от 1,1 до 3.

Переключение транзистора, переход из точки 1 в точку 2 происходит достаточно быстро, т.е. в активной области нагрузочной прямой транзистор находится минимальное время. Мощность, выделяемая на транзисторе в точках 1 и 2, практически равна нулю, затраты энергии происходят только в моменты переключения. Процесс переключения не происходит мгновенно, на переключение затрачивается некоторое время, которое определяет быстродействие ключа, т.е. его способность работать на высоких частотах. Тогда становится понятным стремление разработчиков повысить быстродействие ключей.

Рассмотрим переходные процессы, сопровождающие переключение транзистора из закрытого состояния в открытое, и наоборот. Временная диаграмма переключения транзистора показана на рисунке 13.3.

Рисунок 13.3 -. Переходные процессы в транзисторном ключе

На интервале 0-1 на базу подано отрицательное напряжение, транзистор закрыт, режим работы соответствует точке 1 нагрузочной прямой. В момент времени 1 на вход подается передний фронт входного напряжения амплитудой , начинается рост тока коллектора, который происходит по закону

, , (13.2)

где - предельная частота транзистора при схеме включения с общим эмиттером.

Такой закон объясняется тем, что нарастание тока происходит одновременно с накоплением заряда в базовой области.

За интервал времени 1-2 формируется передний фронт импульса тока, в точке 2 ток достигает значение

, (13.3)

из этого выражения найдем

. (13.4)

Из последнего выражения видно, что длительность процесса включения уменьшается с увеличением степени насыщения .

Ток , достигнув значения , остается неизменным. После открытия транзистора продолжается процесс накопления заряда в базовой области. Этот процесс можно представить как рост тока (показан пунктирной линией) до некоторого значения тока , которое называют кажущимся, т.е. соответствующим накопленному заряду.

В момент времени 3 подается запирающее напряжение , но ток не изменяется, транзистор остается открытым еще некоторое время. Это объясняется наличием избыточного заряда неосновных носителей в базовой области, за счет которого транзистор удерживается в открытом состоянии. Отрицательное входное напряжение приводит к смене направления базового тока, однако, заряд мгновенно измениться не может, он уменьшается по экспоненте до момента времени 4. В этой точке он соответствует току . Интервал времени 3-4 называют временем рассасывания неосновных носителей в базовой области , его можно определить из уравнения

. (13.5)

С момента времени 4 начинается процесс выключения транзистора , длительность которого зависит от тока разряда

. (13.6)

Увеличение быстродействия ключа на биполярном транзисторе связано с противоречием. Для уменьшения включения необходимо увеличивать степень насыщения S, однако это приведет к увеличению времени рассасывания неосновных носителей.

Эта проблема решается путем формирования входного сигнала специальной формы (рисунок 13.4).

Рисунок 13.4 - Форма входного сигнала

На интервале времени создается ток базы , что приводит к быстрому открытию транзистора, затем ток уменьшают до значения .

Транзистор остается открытым, но накопление избыточного заряда не происходит, таким образом, время рассасывания сводится к нулю. Достаточно часто, импульсы такой формы используются и для управления тиристорами. Небольшой ток в цепи управляющего электрода поддерживают тиристор в открытом состоянии, исключая сбои в работе силовой схемы.

Преимущества ключей на биполярном транзисторе:

1. Малое остаточное напряжение на открытом ключе, напряжение насыщения составляет доли вольт и не зависит от тока.

2. Мощность, рассеиваемая на открытом ключе, при , практически линейно зависит от тока насыщения .

Недостатки ключей на биполярном транзисторе:

1. Малое быстродействие из-за эффекта рассасывания неосновных носителей в области базы.

2. Значительная мощность затрачивается на управление транзисторным ключом. Коэффициент передачи по току мощного транзистора не превышает десяти (), что требует значительного тока в управляющей цепи.

Область применения ограничена диапазоном средних мощностей (600 В , =50 А 20 кГц), используется в преобразователях DC/DC и AC/DC.