Герман-Галкин С.Г. - Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MatLab 6.0 (1057404), страница 19
Текст из файла (страница 19)
При этом обычно приходится решать задачи, связав. ные как с уменьшением статических и динамических потерь а СТК, так и обеспечением области безопасной работы (ОБР) сидо. вого транзистора. При построении высоковольтных СТК основным требованиеи является обеспечение траектории переключения силового транзис. тора в области безопасной работы.
Известно, что основной причиной выхода из строя транзистора является вторичный пробой (ВП), возникающий при включении и выключении СТК. Типовая ОБР силового транзистора (СТ), построенная в лога. рифмическом масштабе, изображена на рис. 3.20. Эта ОБР имеет четыре границы, каждая из которых соответствует предельным параметрам СТ. Граница 1 соответствует максимальному току коллектора в ре. жиме насыщения. Пробой транзистора на границах ! и 2 соответствует электрическим режимам, при которых температура структуры транзистора достигает предельно допустимого значения.
ффу$ Рис. 3.20. Область безопасной работы $ф~ силового транзистора Силовые пол и ово пиковые и еоб азователи Граница 3 ОБР соответствует наступлению в приборе вторичного пробоя (ВП). Под ВП подразумевается локальный саморазогрсв структуры, приводяший к проплавлешпо перехода транзистора Области локального саморазогрсва получили название «горячих пятен». ПиВП р однородное распределение тока через транзистор с ется неоднородным. При этом возникает положительная обратная связь, при которой увсличсште локальной плотности тока вызывает увеличение температуры в этой области, которая в свою очередь вызывает ешс большее увеличение плотности тока и т.
д. На рис. 3.2! в качестве прил1сра приведены области безопасной работы реальных транзисторов фирм Рп33 и Тоз!ййа. Рис. ° 3.21. Реальные ОБР транзисторов Для надежной защиты СТК при переключении в процессе работы нсобходилю либо как-то определять прсдпробойнос состояние силового транзистора и принимать меры к его защите, либо заведомо управлять транзистором так, чтобы он нс выходил из ОБР. Конечно, более предпочтителен первый способ обеспечения надежности СТК, но здесь возникают две сложности. Во-первых, ВП развивается достаточно быстро и зашита должна быть достаточно быст о сйсзв родсйсзвуюшсй.
Во-вторых, довольно сложно зарегистрировать прсдпробойнос состояние транзистора и принять свосврсмснныс меры к его прсдотврашению. Этот способ возлюжно реализовать лишь для процесса включения СТК, основываясь на деформации входных вольт-ампсрных характеристик. С точки зрсния простоты схсмной реализации наиболес удоб ным оказывается критерий, позволяющий определить границу Окр по рсзкому возрастанию тока коллектора.
В этом случае СТК вклю. частся на 1 — 2мкс, по истечении которых опрсдслястся ток через силовой транзистор. Если этот ток прсвышаст критичсскос значс. нис, то поступает команда на выключение силового транзистора соли нет — силовой транзистор остается включбнным, Врслзя развития ВП при изотсрмичсско!и процсссс шнурованнз тока (в процессе выключения) составляет нссколько десятков наносе. кувд, поэтому практически отсутствует схсмная возможность выявить прсдпробойнос состоянис и принять л!сры к ого прсдотвращснию, Для обсспсчсния надежной работы силового транзистора прв запирании в настоящее время используются в основном три разомкнутых способа управления. Первый сводится к автоматической регулировке управля!ощсп! тока с обсспсчснисм заданной начальной форснровки и последующим отслеживанием малой глубины насыщения выходного транзистора 1 Этот способ наиболсс просто реализуется цепью нслинсйна!! диодной обратной связи, охватывающсй управляющий транзистор (рис.
3.22 а). Второй способ, обсспсчивающнй форсированное выключение силового транзистора, эффективно реализуется в каскадной схема соединений высоковольтного и низковольтного транзисторов (рт!с. 6) Компьютерное моделирование полупроводниковых систем а) Щф~~ Рис. 3.22. Схемы защиты силового транзистора ! ! ЧТ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 'хТ2,! Силовые пол п ово пиковые п еоб взоввтели 3.22 б). При этом низковольтный транзистор включен в цепь эмиттсра высоковольтного транзистора. На рнс. 3.23 привсдсна схслза, в которой рсалнзуются оба рассмотрснных способа.
Эту схсму можно считать самой надежной с точки зрения обеспечения ОГ>Р, однако, лишний т анзис анзистор в силовой цспи, особенно при больших токах, деласт сс малопривлекательной для проектировщиков. ТК ! ! ! ! ! ла ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ЧТ5,! Рис. 3.23. ни Универсальная схема защиты силового транзистора Наконсц, трстий способ обеспечения надбжной защиты СТК при запирании сводится к использованию цепей формирования траектории выключения. Примсры выполнения цспсй формирования траектории (снабсров) для силовой транзисторной стойки привсдсны на рис.
3.24. Здесь жс приведены траектории псрсключсния силовых транзисторов. Простая йС-цепочка (рис. 3.24 а) обычтю нс устраивает проектировщиков, т. к. допускает значительное прсвышснис напряжсния на коллекторе транзистора в процсссс запирания. Типовым рсшснисм является схема, привсдснная на рис. 3.24 б. ет нт нт а) 3 25.
Схемы формирования лае ектории СТК б) т) в) а) б) 24 демпфирующие " Компьютерное моделирование полулроводниковых систем Здесь эффективное ограничение коллскторного напряжения СТК в начальный псриод запирания обеспсчнвастся диодом, шунтирую щим разрядное сопротивлснис. Ограничсннс коллскторного напряжения при запирании обсспс чивастся за счет выбора достаточно большой емкости дсмпфирую. шсго кондснсатора. Этот кондснсатор заряжастся после запирания силового транзис.
тора до полного напряжсния но~очипка питания, а при следующем включении СТК полностью разряжастся через разрядное сопротив псине. Послсднсс обстоятельство обуславливает достаточно большие потсри в дсмпфирующих цспях. Избсжать нх можно, применив схему (рис. 3.24 в), где конденсатор всегда находится под напряжением питания и стабилизирует напряжснис на коллекторе, срсзая коммутационный выброс при выключении СТК. Это повышает надежность, но нс исключаст полностью возможность возникновения ВП. Наиболее эффективной является дсмпфирующая цепочка по схеме рис. 3.24 г.
Здесь емкость С1 выбирается достаточно малой, т. к. она формирует фронт выключсния СТК, а емкость С2 выбирается достаточно большой. В результате ограничиваются одновременно Силовые пол и оао пиковые и еоб ааоаатели пик коллскторного напряжсння, потери в СТК н потери в дсмпфнр юших цспях. Выбор дсмпфируюшсй цспочкн зависит от условий работ СТК, Для эффсктивной работы дсмпфируюших цспсй необходимо опрсделсннос врсмя, в течение которого кондснсато ' р разряжастся черсз СТК, подготавливая условия для последующего ого выключения. Отмсчсннос трсбованис часто нс удается рсалнзовать при Ш М СТК, а нмснно такая модуляция использустся при управлении транзисторным силовым преобразователем в систсмах элсктропрпвода. Поэтому применение дсмпфируюших цспсй может оказаться нерсзультативным и слсдуст обратиться к рассмотренным вышс способам управлсния СТК.
Нск скоторыс модификации дсмпфирующих цспсй СТК представлены на рис. 3.25. На рис. 3.25 а разрядный ток дсмпфирующего 1 конденсатора С1 использустся для начальной форсировки тока базы СТК УТ2. Это позволит уменьшить врсл1я включения СТ н потери при включснии. В схеме рис. 3.25 б рсализустся форсированное включение СТК за счет разряда кондснсатора по цепи С)-й)-ЧТ!-УТ2 и поддержание малой глубины насыщения СТ ЧТ2 за счст цепи У01УТ!. лис. 3 27. СТК фирмы йапис ЮИ' Я Рис. 3.26. СТК ФиРмы нол "г==:»- К ер ое моделирование полупроводниковых систем 3.4.3.
Схемные реализации синовых транзисторных ключей Рассмотрнги некоторые практические реализации, в которых в той или иной мере реализуются способы защиты СТК. На рис. 3.2б изображена схема СТК преобразователя Ргсп!с фирмы Рщй Схема содержит силовой транзистор (СТ) ЧТ4, источник вторичного пита. ния (ВИП) со средней точкой, узел гальваничсской развязки (УГР) формирователь базового тока СТ, выполненный на комплиментарной ~ парс транзисторов ЧТ2 и ЧТЗ, узел автоматического регулирования управляющего тока с обеспечением заданной начальной форсировкв и последующити отслеживанием малой глубины насыщения транзис. тора за счет нелинейной днодной обратной связи ЧО2, цепь защиты СТ реализована на транзисторе ЧТ! со стабилитроном У!31, работающую на принципе контроля напряжения на переходе коллектор эмитгер СТ УТ4 через диод 'Л)2. На рис. 3.27 приведена схема СТК преобразователя фирмы Раппе.
Схема содержит узел гальванической развязки УГР, однополярный ВИП, узел формирования базового тока и узел регулирования базового тока СТ. Особенностью схемы является использование однополярного ВИП, что представляется большим достоин- Силовые пол п ово пиковые и еоб азователи ством и пригиененис нелинейной обратной связи по току через ди ку через диод УЭ9. Последнее позволяет регулировать ток базы СТ при изменении его коллскторного тока и использовать для питания базовой цепи СТ силовой источник.
Если проанализировать все предложения и рекомендации по построению СТК, помещенные в многочисленных публикациях, то для преобразователей в системах элсктропривода, работающих при значительных изменениях тока нагрузки, они сведутся к следующему: ° для исключения ВП при включении СТК предпочтительней использовать замкнутую систему защиты, выявляющую прсдпробойнос состояние и отключающую СТ при выходе на границу ОБР; ° для исключения ВП при выключении (СТК) целесообразно, во-псрвых, ограничивать запирающий ток базы СТ и, во-вторых, выводить СТ перед выключением (за ! — 2 мкс) на границу насыщс- ~~ ния, либо поддерживать его вблизи этой границы все время за счет диодной обратной связи; ,4 ° возможность ВП как при включении, так и при выключении, уменьшается, если разгрузить СТ по току и напряжению до 50% от предельно допустимого значения; Компьютерное моделирование полупроводниковых систем ° для обеспечения слежения тока базы за током коллектора СТ, следует использовать нелинейную обратную связь; проще всего это осуществляется при использовании диода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
