Часть1 (Рябов В.Т. - Комплексная разработка механических, электронных и программных компонентов ТО), страница 15

Топология (а) и схемотехнические обозначения n-МОП транзистора.На кремниевой подложке р-типа сформированы две области, сток и исток. В силовыхтранзисторах исток соединен с подложкой. Для этого металлическая пленка, служащая выводом с истока, контактирует и с р+ областью. Сток имеет больший потенциал, чем исток.У других МОП транзисторов подложка часто никуда не подсоединена и сток с истоком практически неразличимы и могут подключаться к напряжению любой полярности. Затвор отделен от подложки слоем оксида кремния толщиной в доли микрометра. При подачена затвор напряжения в несколько вольт электроны из области подложки концентрируютсяпод затвором и образуют канал проводимости между стоком и истоком.

Транзистор начинаетпроводить ток. При снятии напряжения ток прекращается.Если исток не соединен с подложкой, транзистор обозначают, как показано на рис.2.6, б). При этом подложка р-типа за счет обратного тока диодов, образующихся между стоком и подложкой и истоком и подложкой приобретает потенциал, примерно на 0,5 вольтаменьше минимального из потенциалов стока или истока. Принято в таких приборах c nканалом меньший потенциал присоединять к стоку.Если исток и подложка имеют контакт внутри прибора (рис.2.6, в), то между стоком иистоком образуется диод, р-область которого соединена с истоком. Чтобы подчеркнуть это,иногда прибор на схемах рисуют, как на показано на рис.

2.6, г).На малых частотах работы этот диод не оказывает отрицательного влияния. Более того, он шунтирует отрицательные выбросы при коммутации нагрузки, т.е. не требуется подключение внешнего диода. Однако на частотах переключения порядка 100 кГц и выше из-занего возникают заметные динамические потери. Но они обычно меньше, чем у биполярноготранзистора.48МОП транзистор ведет себя, как управляемое потенциалом переменное сопротивление. У маломощных элементов, используемых в качестве коммутаторов аналоговых сигналов, сопротивление канала во включенном состоянии составляет около Ro = 100 Ом.

Привыборе коммутатора нужно всегда оценивать, допустимы для Вас такие потери или нет и длякоммутации целесообразно использовать релейные решения, несмотря на то, что это дороже,гораздо габаритнее и весомее. Что самое важное, ТКС канала положителен, поэтому тепловое равновесие внутри прибора устойчиво!У мощных ключевых транзисторов сопротивление в открытом состоянии может составлять уже доли Ома. Статический коэффициент полезного действия равен:I2RRHηK = 2 C H 2=.I C RH + I C RO RH + ROЗдесь к.п.д. стремится к единице при высокоомных нагрузках, биполярные же припрочих равных условиях выгоднее, как было показано ранее, при высоковольтных.Схема типового ключа на МОП транзисторепредставлена на рис.2.7. Здесь вычислительное ядроВЯ также, как и на рис.2.4 гальванически развязано отобъекта управления и имеет питание +UВЯ. Если навыводе присутствует логическая единица (U>2.4B),ток через светодиод оптопары DA1 не идет и база фототранзистора не освещена.

Резистор R2 ограничиваеттемновой ток фототранзистора, поэтому на затвореVT1 уровень напряжения близок к нулю и транзисторзакрыт.Напряжение на затворе определяется произвеРис.2.7. Схема ключа на МОП трандением остаточного темнового тока (порядка 0.1 мА)зисторе.на значение сопротивления R3. В тоже время, при сигнале Вкл0=0, протекающий по R3 ток должен создавать напряжение на затворе, достаточноедля надежного открытия ключа и не перегрузить фототранзистор (обычно 10…20 мА). Видно, что схема получилась заметно проще, чем на рис.2.5 и надежнее из-за устойчивости теплового равновесия.IGBT транзисторы. В большинстве случаев биполярные транзисторы оказываютсяболее выгодными не только экономически, но и энергетически.

Редко, когда мощные нагрузкипитают напряжением меньше 24 В, обычно это100 и более вольт, значит КПД дешевого биполярного ключа гарантированно 0,99 и более. Одна беда – тепловое равновесие. В конце 80-хгодов прошлого века были созданы IGBT транзисторы (Isolated Gate Bipolar Transistor) – биполярные транзисторы с изолированным затвором, совместившие в себе независимое от тока нагрузки падение напряжения на выходном биполярном транзисторе и простоту управления вместе с устойчивым тепловым равновесием полевого. По своим частотным свойствам IGBT транзисторы близки к биполярным и имеютдопустимые динамические потери причастотах переключения до 50…100 кГц.В основе IGBT – составной биполярный транзистор, базовый ток которого формируется МОП транзистором (рис.2.8). Управление подается наРис.2.8.

Устройство и схемотехническое обознаего затвор. При подаче положительночение IGBT транзистора.го напряжения на затвор формируетсяток между стоком и истоком, поступающий в базу p-n-p транзистора. Открываясь, этот транзистор формирует ток базы n-p-n транзистора, а он дополнительно открывает p-n-p, посколь-49ку включен между его коллектором и базой. Параметры транзисторов и внутреннего резистора подобраны так, что при снятии напряжения с затвора IGBT закрывается.

Эмиттер p-n-pтранзистора выполняет функции коллектора IGBT, поскольку подключен к положительномупотенциалу. В различной литературе Вы можете увидеть разные символические обозначенияэтого транзистора, как показано на рис.2.8, б)…г).Благодаря тому, что сопротивление канала имеет положительный ТКС, локальногоперегрева переходов p-n-p и n-p-n транзисторов не наблюдается. При повышении плотноститока в каком либо месте перехода, возрастающая температура приводит к сокращению поступающего туда тока полевого транзистора.Статический коэффициент полезного действия ключа на IGBT рассчитывается так же,как и КПД ключа на биполярном транзисторе:U − UКηK = H.UHIGBT широко используются для изготовления интегральных инверторов - двуполярныхключей, способных формировать положительные или отрицательные импульсы.

Трехфазные инверторы применяют для частотной регулировки скорости вращения асинхронных электродвигателей. На рис.2.9 показано формирование одного из трех фазных напряжений (фазы А ).В таком инверторе переменное трехфазное сетевое напряжение частотой 50Гц сначалавыпрямляется.

Затем, в течение первого полупериода фазного напряжения, управляющиеимпульсы подаются на затвор одного из двух IGBT транзисторов (на рис.2.9 - G2), формируяна выходе А напряжение требуемой полярности (на рис.2.9 – отрицательной).В течение второго полупериода – на затвор второго транзистора (G1).

Заданныйпериод фазного напряжения определяет скорость вращения двигателя. Частота следованияимпульсов составляет несколько десятков килогерц (обычно 20..50 кГц). Ширина этихимпульсов t в течение полупериода фазного напряжения соотносится таким образом, чтопосле их фильтрации и сглаживания на индуктивной нагрузке формируется синусоидальноефазное напряжение заданной частоты.Рис.2.9.

Трехфазный IGBT инвертор.Для регулировки тока и напряжения с целью поддержания момента на валу двигателя,используется скважность импульсов - отношение длительности импульса t к его периоду T.Таким образом формируются три фазных напряжения А, В и С, сдвинутые друг относительнодруга на 120°.Управляет инвертором специализированный микроконтроллер (МК), на входкоторого подается управляющий сигнал, определяющий скорость вращения двигателя. МК,исходя из заданной скорости вращения, рассчитывает длительности импульсов t и управляетзатворами IGBT инверторов.

При скалярном управлении поддерживается постоянноеотношение заданной частоты и формируемой амплитуды фазного напряжения. Такоеуправление применяют обычно для слабо меняющихся нагрузках на валу (насосы,вентиляторы и т.п.). В более сложных случаях при переменных и ударных нагрузкахприменяют уже векторное управление. При этом учитывается положение ротора двигателя.50Это сравнительно просто решается введением датчиков углового положения ротора(энкодеров). В современных локальных регуляторах скорости вращения векторноеуправление реализуют уже без энкодеров, благодаря автонастройке и формированию в МКмодели конкретного привода, которая и используется для последующего управленияинвертором.Тиристоры и симисторы.

Тиристор представляет из себя прибор с двумя устойчивыми состояниями с чередованием слоев p-n-p-n. На рис.2.10, а) представлено его схемотехническое обозначение. При подаче на управляющий электрод положительного потенциала, тиристор открывается и сохраняет своесостояние, если управляющий потенциалснят. Для выключения тиристора необходимоснять анодное напряжение. Проводит ток тиРис.2.10. Схемотехническое обозначение:ристор, как и диод, в одну сторону.а) тиристора; б) симистора.На рис.2.10, б) представлено схемотехническое обозначение симистора, по своей сути, являющегося встречно-параллельным включением двух тиристоров.

В нем уже семь слоев, этот прибор проводит в обоих направлениях и прекрасно коммутирует переменный ток. Некоторые тиристоры и симисторы устойчивого состояния не имеют и выключаются не снятием анодного напряжения, а управляющим сигналом, поэтому способны коммутировать постоянный ток. Такие приборы со встроенной оптронной развязкой получили название твердотельных реле.Серийно выпускаются тиристоры и симисторы с током в несколько сотен ампер и напряжением до 1000В. В иностранной литературе тиристоры и симисторы иногда обобщенноназывают триаками.

Этот термин используется в переводах и перекочевал в русскоязычнуюлитературу.Тиристоры и симисторы обычно используют для регулирования мощности в нагрузке.Различают фазоимпульсное и широтно-импульсное управление. При фазоимпульсномуправлении (рис.2.11, а) некоторое устройство, называемое сетевым таймером, фиксируетмоменты прохождения сетевого напряжения Uc через ноль и формирует последовательность импульсов St. Дляформирования требуемой мощности внагрузке система управления через заданную задержку t_зд формирует импульсы открытия тиристорных или симисторных ключей Ду.

Чем больше задержка, тем меньше будет уровень мощности, выдаваемой в нагрузку. Недостаток фазоимпульсного управления – нелинейность зависимости мощности отвремени задержки, хотя микропроцессору вполне по плечу задача линеаризации.Приширотно-импульсномуправлении (рис.2.11, б) выбирается некоторый интервал регулирования Т, вРис.2.11. Способы управления симистором:течении которого: на время То нагрузкаа) фазо-импульсное; б) широтно-импульсноеподключена к сети, либо источнику постоянного напряжения, на время, оставшееся до конца интервала регулирования – отключена. Выделяемая в нагрузке мощность составит:TN = Nm O ,T51здесь Nm – мощность, выделяемая в нагрузке при подключении к сети либо источнику постоянного напряжения.

Таким образом, аналоговое управление реализуется через выдачудискретного управления в заданные периоды времени.Свето и фотодиоды, фототранзисторы, оптопары. При определенных условияхэнергия рекомбинации электронов и дырок в p-n переходе выделяется в виде света, а не тепла, как в обычных диодах. Для этих целей используются не монокристаллы кремния, а сложные композитные полупроводники на основе соединений галлия (Ga), мышьяка (As), фосфора (Р), индия (In), алюминия (Al) и других элементов.Вольтамперная характеристика светодиода напоминает приведенную на рис2.1 характеристику кремниевого диода. Напряжение прямого падения составляет от 1,6В до 2,4В (меньшие значения у красных светодиодов).