Принципы построения силовых транзисторных ключей

Силовой транзисторный ключ (СТК), является тем элементом преобразователя, который управляет процессами преобразования энергии. Специфика протекания этих процессов требует более детального рассмотрения принципов работы СТК и его элементной базы для обеспечения надежности электропривода в целом. Рассмотрим классическую схему одного плеча преобразователя. Заметим, что ШИП содержит два таких плеча, а АИН — три. Поэтому специфика работы транзисторов в такой схеме остается одной и той же, как в приводах постоянного так и в приводах переменного тока. На рис. 2.3 представлена схема такого плеча и показаны электромагнитные процессы, протекающие в нем при включении и выключении транзистора.

Рисунок 2.3 — Динамические процессы переключения СТК Классическая теория динамических процессов выделяет четыре коммутационных интервала при работе плеча на активно-индуктивную нагрузку, два при включении транзистора и два при выключении. При включении транзистора выделяются этап восстановления диода в фазе высокой обратной проводимости (t1 на рис. 2.3) и этап установления стационарного состояния силового высоковольтного транзистора (t2 на рис 2.3). На первом из отмеченных этапов по цепи «транзистор-диод» протекает значительный ток, который может превысить номинальный в несколько раз. При этом напряжение на транзисторе остается равным напряжению питания. Этот этап является наиболее опасным для транзистора. На втором этапе ток уменьшается до номинального при одновременном уменьшении напряжения на транзисторе. При выключении транзистора выделяются этап рассасывания неосновных носителей заряда в коллекторе силового высоковольтного транзистора (t3 на рис. 2.3) и этап спада тока коллектора силового транзистора и включения диода (t4 на рис. 2.3). На всех отмеченных интервалах коммутации в транзисторе и диоде выделяется значительная мощность. Эту мощность, которая определяет динамические потери в преобразователе, необходимо уметь определять для того что иметь возможность уверенно судить о надежности работы последнего.

Кроме необходимости расчета мощности динамических потерь имеет еще ряд факторов, которые необходимо принимать во внимание при проектировании преобразователя.

Технология изготовления силовых транзисторов до сих порт требует применения специальных мер для обеспечения надежной работы СТК. При этом обычно приходится решать задачи, связанные как с уменьшением статических и динамических потерь в СТК, так и обеспечением области безопасной работы (ОБР) силового транзистора.

При построении высоковольтных СТК основным требованием является обеспечение траектории переключения силового транзистора в области безопасной работы. Известно, что основной причиной выхода из строя транзистора является вторичный пробой (ВП), возникающий при включении и выключении СТК.

Типовым ОБР силового транзистора (СТ), построенная в логарифмическом масштабе, изображена на рис. 2.4. Эта ОБР имеет четыре границы, каждая из которых соответствует предельным параметрам СТ.

Рисунок 2.4 — Область безопасной работы силового транзистора Граница 1 соответствует максимальному току коллектора в режиме насыщения. Пробой транзистора на границах 1 и 2 соответствует электрическим режимам, при которых температура структуры транзистора достигает предельно допустимого значения.

Граница 3 ОБР соответствует наступлению в приборе вторичного пробоя (ВП). Под ВП подразумевается локальный саморазогрев структуры, приводящий к проплавлению перехода транзистора. Области локального саморазогрева получили названия «горячих пятен».

При ВП однородное распределение тока через транзистор сменяется неоднородным. При этом возникает положительная обратная связь при которой увеличение локальной плотности тока вызывает увеличение температуры в этой области, которая в свою очередь вызывает еще большее увеличение плотности тока и т. д.

С точки зрения простоты схемной реализации наиболее удобным оказывается критерий, позволяющий определить границу ОБР по резкому возрастанию тока в коллектора. В этом случае СТК включается на 1−2 мкс, по истечении которых определяется ток через силовой транзистор. Если этот ток превышает критическое значение, то поступает команда на выключение силового транзистора, если нет — силовой транзистор остается включенным.

Время развития ВП при изотермическом процессе шнурования тока (в процессе выключения) составляет несколько десятков наносекунд, поэтому практически отсутствует схемная возможность выявить пред пробойное состояние и принять меры к его предотвращению.

Для обеспечения надежной работы силового транзистора при запирании в настоящее время используются в основном три разомкнутых способа управления. Первый сводится к автоматической регулировке управляющего тока с обеспечением заданной начальной форсировки и последующим отслеживанием малой глубины насыщения выходного транзистора. Этот способ наиболее просто реализуется цепью нелинейной диодной обратной связи, охватывающей управляющий транзистор (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 — Первый вариант схемы защиты силового транзистора Второй способ, обеспечения форсированное выключение силового транзистора, эффективно реализуется в каскадной схеме соединений высоковольтного и низковольтного транзисторов (рис. 2.6). При этом низковольтный транзистор включен в цепь эмитора высоковольтного транзистора.

Рисунок 2.6 — Второй вариант схемы защиты силового транзистора На рис. 2.7 приведена схема, в которой реализуются оба рассмотренных способа. Эту схему можно считать самой надежной с точки зрения обеспечения ОБР.

Рисунок 2.7 — Универсальная схема защиты силового транзистора Наконец, третий способ обеспечения надежной защиты СТК при запирании сводится к использованию цепей формирования траектории выключения.

Примеры выполнения цепей формирования траектории (снаберов) для силовой транзисторной стойки приведены на рис. 2.8. Здесь же приведены траектории переключения силовых транзисторов.

Рисунок 2.8 — Цепи СТК: (а) простоя RC; (б) с шунтирующим диодом; (в) с демпфирующим конденсатором; (г) более эффективная демпфирующая цепь Простая RC — цепочка (рис. 2.8 а) обычно не устраивает проектировщиков, т.к. допускает значительное превышения напряжения на коллекторе транзистора в процессе запирания.

Типовым решением является схема, приведенная на рис. 2.8 б. Здесь эффективное ограничение коллекторного напряжения СТК в начальный период запирания обеспечивается диодом, шунтирующим разрядное сопротивление.

Ограничение коллекторного напряжения при запирании обеспечивается за счет выбора достаточно большой емкости демпфирующего конденсатора.

Этот конденсатор заряжается после запирания силового транзистора до полного напряжения источника питания, а при следующем включении СТК полностью разряжается через разрядное сопротивление. Последнее обстоятельство обуславливает достаточно большие потери в демпфирующих цепях. Избежать их можно применив схему (рис. 2.8 в), где конденсатор всегда находится под напряжением питания и стабилизирует напряжение на коллекторе, резая коммутационный выброс при выключении СТК. Это повышает надежность, но не исключает полностью возможность возникновения ВП.

Наиболее эффективной является демпфирующая цепочка по схеме рис. 2.8 г. Здесь емкость С1 выбирается достаточно малой, т.к. она формирует фронт выключения СТК, а емкость С2 выбирается достаточно большой в результате ограничиваются одновременно пик коллекторного напряжения, потери в СТК и потери в демпфирующих цепях.

Выбор демпфирующей цепочки зависит от условий работ СТК.

Для эффективной работы демпфирующих цепей необходимо определенное время, в течении которого конденсатор разряжается через СТК, подготавливая условия для последующего его выключения. Отмеченное требование часто не удается реализовать при ШИМ СТК, а именно такая модуляция используется при управлении транзисторным силовым преобразователем в системах электропривода. Поэтому применение демпфирующих цепей может оказаться нерезультативным и следует обратиться к рассмотренным выше способам управления СТК.

Некоторые модификации демпфирующих цепей СТК представлены на рис. 2.9.

Рисунок 2.9 — Схемы формирования траектории СТК: (а) первая модификация; (б) вторая модификация На (рис. 2.9 а) разрядный ток демпфирующего конденсатора С1 используется для начальной фосировки тока базы СТК VT2. Это позволит уменьшить время включения СТ и потери при выключении.

В схеме (рис. 2.9 б) реализуется форсированное включение СТК за счет разряда конденсатора по цепи C1-R1-VT1-VT2 и поддержание малой глубины насыщения СТ VT2 за счет цепи VD1, VT1.