Силовой ключ на основе двухоперационного тиристора (gto).
В отличие от рассмотренных однооперационных тиристоров, двухоперационные тиристоры можно не только включить по цепи управления, но и выключить. Это достигается благодаря тому, что в областях анода и катода, такой прибор состоит из большого числа технологических ячеек, представляющих отдельные тиристоры, которые включены параллельно. В результате чего прибор приобретает способность выключаться по управляющему электроду. Такой тиристор в зарубежной терминологии получил обозначение GTO-тиристор (Gate Torn – Off). Структура GTO-тиристора изображена на рис.1.28, а, на рис.1.28, б, представлено его графическое изображение, на рис.1.28, в – его вольтамперная характеристика. Вольтамперная характеристика GTO-тиристора аналогична характеристике обычного тиристора. Цикл работы его рассмотрен на рис.1.29.
Процесс включения состоит из задержки включения в течение времени и времени нарастания , в течение которого напряжение на тиристоре уменьшается до 0.1 от первоначального значения. Сумма
этих времен составляет время включения, выраженное по формуле (1.23):
Рис.1.28. GTO тиристор: а) – структура GTO тиристора; б) – графическое изображение; в) – вольтамперная характеристика
Для обеспечения малого времени включения и малых потерь при включении управляющий ток в начале должен обладать значительной скоростью нарастания >5 .
Процесс выключения в GTO-тиристорах протекает довольно медленно. На первой стадии ток тиристора спадает до 0.1¸0.2 от своего первоначального значения. На второй стадии происходит достаточно медленное уменьшение тока (так называемый «хвост»). Это время обычно больше времени спада и его необходимо учитывать.
Отрицательный ток управляющего электрода, выключающий тиристор, должен иметь значительную скорость нарастания и значительную амплитуду. Для современныхGTO-тиристоров эта амплитуда доходит до 30 % от амплитуды анодного тока. Считается, что эти тиристоры, благодаря своим свойствам, найдут наиболее широкое применение в высоковольтных преобразователях.
4. Силовой ключ на основе mosfet транзистора. Основные особенности.
MOSFET-это полевой транзистор с изолированным затвором. Устройство такого прибора и его графическое изображение представлено на рис.1.15 а, б.
Если подать (+) на затвор, (–) на исток, то между затвором и исходным полупроводником возникает электрическое поле, которое будет выталкивать дырки из приповерхностной области, а притягивать туда электроны. Когда концентрация электронов превысит концентрацию дырок, произойдёт инверсия проводимости и там возникнет канал n–типа проводимости, соединяющий области истока и стока. Чем больше напряжение между затвором и истоком, тем больше концентрация носителей в канале и больше его проводимость. В данном случае рассмотрен транзистор с каналом n–типа проводимости. Аналогичные процессы протекают в транзисторе с каналом проводимости р–типа, но в графическом обозначении такого транзистора стрелка направлена в противоположную сторону.
Полевой транзистор имеет две области работы: область линейного режима и область насыщения (область малого сопротивления сток–исток). Семейство выходных (стоковых) характеристик MOSFET-транзистора представлено на рис.1.17.
Процессы включения и выключения MOSFET-транзистора рассмотрим на примере схемы рис.1.18.
При изготовлении транзистора в нем присутствуют паразитные ёмкости, из которых наибольшее значение имеют ёмкости между затвором и истоком , и между затвором и стоком . При подаче на затвор прямоугольного импульса амплитудой вначале начнёт заряжаться емкость от источника входного напряжения через его внутреннее сопротивление . До тех пор, пока напряжение на ёмкости не достигнет порогового значения , ток стока равен нулю, а напряжение на стоке равно напряжению источника питания . Когда напряжение на ёмкости достигнет порогового значения , транзистор откроется и некоторое время будет находиться в области насыщения. Ток стока возрастает, а напряжение на стоке будет уменьшаться, так как: Емкость образует цепь отрицательной обратной связи по напряжению, связывая выходную цепь (стока) с входной цепью (затвора). В результате входное напряжение будет уменьшаться, а поскольку энергия входного конденсатора определяется по формуле: , то с уменьшением , должно резко возрасти. Поэтому скорость нарастания напряжения на затворе транзистора будет уменьшаться обратно пропорционально увеличению ёмкости . Таким образом, процесс заряда емкости будет продолжаться до тех пор, пока напряжение стока не уменьшится до значения, при котором транзистор окажется в линейной области. Ток стока, а следовательно, и напряжение , станут примерно постоянными, и сигнал отрицательной обратной связи через ёмкость исчезнет. При этом выходная ёмкость станет равной и скорость нарастания напряжения на ней резко возрастёт, в результате в конце процесса включения напряжение на затворе транзистора будет равно . Рассмотренный эффект изменения входной ёмкости транзистора называется эффектом Миллера и количественно его можно учесть по выражению: , где – коэффициент усиления каскада; ½ – крутизна стокозатворной характеристики
В результате процесса включения выходной импульс тока стока задерживается относительно импульса управления на время, определяемое по формуле (1.14):
Аналогичный процесс происходит при выключении транзистора (рис.1.18):
где – время задержки выключения транзистора;
–время выключения, в течение которого спадает импульс тока стока;
–время установления исходного состояния.
Следует отметить, что указанные промежутки времени, характеризующие динамические свойства полевых транзисторов значительно меньше, чем аналогичные параметры у биполярных транзисторов.
Таким образом, MOSFET-транзисторы в качестве управляемых силовых ключей обладают следующими очевидными достоинствами:
более простые системы управления и малая мощность управления;
отсутствие инжекции неосновных носителей и, следовательно, отсутствие явления накопления их в виде объёмного заряда, а значит, и отсутствие так называемого времени рассасывания, что значительно улучшает динамические свойства транзистора;
отсутствие саморазогрева полевого транзистора, характерного для биполярных транзисторов, а следовательно, хорошая термоустойчивость, что позволяет легко и просто решать проблему параллельного включения нескольких транзисторов;
полное отсутствие вторичного пробоя, что позволяет эффективнее использовать полевой транзистор по передаваемой мощности.
К числу недостатков MOSFET-транзисторов следует отнести вредное влияние на его работу ряда паразитных элементов. Кроме них очень вредное влияние на работу MOSFET-транзистора оказывает паразитный биполярный транзистор рис.1.19, образуемый областями n–типа проводимости истока и стока (эмиттер и коллектор паразитного транзистора) и областью р–типа проводимости исходного полупроводника (база паразитного транзистора) (рис.1.15, а).