Применение полевых транзисторов в импульсных источниках питания и стабилизаторах

Сейчас ситуация такова, что стоимость энергии составляет главную статью расходов не только на производстве, но и в жизни. Ни одно из обычных непрерывных устройств (инверторов, стабилизаторов и источников питания) не в состоянии обеспечить энергией без принятия мер по его охлаждению. Хорошо известно о больших потерях энергии вследствие теплового рассеяния и о возможности повышения коэффициента полезного действия (КПД) при переходе к импульсным источникам питания и стабилизаторам, представляющим устройства переключательного типа с периодической подачей энергии. Высокоэффективное преобразование энергии стало осуществимым только после появления биполярных транзисторов и тиристоров. Но даже эти полупроводниковые приборы не исчерпывают возможности дальнейшего повышения КПД. Легче управлять полевыми транзисторами, имеющими очень большое входное сопротивление, чем мощными биполярными транзисторами, требующими больших токов базы. Поэтому между логическим устройством и полевым транзистором будет меньше промежуточных элементов [6].

Другой пример касается снижения стоимости применяемых деталей. Импульсный преобразователь энергии эффективнее непрерывного преобразователя и с повышением рабочей частоты выигрыш по габаритам, массе и, возможно, стоимости возрастает. С повышением быстродействия (частоты) уменьшается время восстановления. Повышение быстродействия означает повышение частоты. Для многих импульсных преобразователей энергии на биполярных транзисторах рабочие частоты не превышают диапазона 20−100 кГц в зависимости от отдаваемой ими мощности. Некоторые преобразователи работают на частотах даже выше 100 кГц, но только в маломощных устройствах. Активный элемент, будь то биполярный или мощный полевой транзистор, должен сохранять максимальный КПД, работая при больших токах и напряжениях на большие реактивные нагрузки (в основном, индуктивные).

Полевые транзисторы обладают двумя преимуществами перед мощными биполярными транзисторами. Во-первых, в полевом транзисторе используются только основные носители и поэтому в нем отсутствуют эффекты, обусловленные накоплением неосновных носителей; во-вторых, он обладает теплоустойчивостью. Эти два фактора обеспечивают быстрое переключение полевого транзистора и значительно уменьшают вероятность выхода его из строя при случайной перегрузке [7].

Разумеется, можно обеспечить быстрое переключение мощных биполярных транзисторов, правда, не такое, как у мощных полевых транзисторов с идентичными номинальными параметрам. Единственная проблема при этом состоит в том, что мы должны использовать специальные схемы управления, которые будут препятствовать переходу биполярного транзистора в режим насыщения, когда время рассасывания неосновных носителей становится недопустимо большим. Биполярный транзистор, работающий вне области насыщения, имеет намного меньшее время рассасывания. полевой транзистор стабилизатор импульсный Другая важная особенность применения управляемых напряжением мощных полевых транзисторов становится очевидной при разработке полумостового или мостового импульсного преобразователя, когда необходимо включить полевые транзисторы по схеме, которую принято называть парафазной. На рис. 6 сравниваются парафазные схемы на биполярных и МДП-транзисторах. Сначала проследим за работой парафазной схемы на МДП — транзисторах. При подаче положительного напряжения на входы транзисторов «а» и «с» они отпираются, причем первый из них понижает напряжение на затворе транзистора «b», в результате чего последний остается запертым. Когда входное напряжение уменьшается, транзисторы «а» и «с» запираются, а напряжение на затворе транзистора «b» повышается до напряжения на положительной шине источника питания, обеспечивая тем самым его отпирание. Затем этот цикл может повторяться.

Рисунок 7 — Парфазная схема на МДП транзисторах [5]: a, b, c — МДП-транзисторы, Rн — сопротивление нагрузки Парафазная схема на биполярных транзисторах работает аналогичным образом. Входной положительный импульс отпирает биполярные транзисторы «а» и «b», причем транзистор «а» понижает напряжение на базе транзистора «с», вследствие чего последний находится в запертом состоянии. При уменьшении напряжения на базах транзисторов «а» и «b» они запираются, а транзистор «с» отпирается. Мы можем легко представить себе проблемы, с которыми нам бы пришлось столкнуться при попытке осуществить быстрое переключение парафазной схемы на биполярных транзисторах [6].

Так как для высокоскоростного переключателя требуется быстродействующая схема управления, можно понять, почему мы должны остановить свой выбор на полевых транзисторах. Если мы попытались бы увеличить скорость переключения парафазной схемы на биполярных транзисторах и по той или иной причине случайно оба: биполярных транзистора «b» и «с» (рисунок 7) оказались бы в. отпертом состоянии, то в схеме возникло бы короткое замыкание.

Рисунок 7 — Парфазная схема на биполярных транзисторах [5]: a, b, c — МДП-транзисторы, Rн — сопротивление нагрузки Другой очень простой и эффективный способ управления парафазной схемой на мощных МДП-транзисторах, используемый в импульсных преобразователях, заключается в применении разделительного трансформатора для верхнего МДП-транзистора.