Силовые биполярные транзисторы

Современные силовые биполярные транзисторы изготавливаются на основе монокристаллического кремния. Базовая ячейка транзистора n-p-n –типа показана на рисунке 13.1.

Рисунок 13.1 - Структура базовой ячейки силового биполярного транзистора

Эмиттер состоит из нескольких частей, что позволяет снизить сопротивление между базой и эмиттером и равномерно распределить ток по всему проводящему сечению. Коллектор имеет две области: сильно легированную и слабо легированную . Слабо легированная область делает коллекторный p-n переход широким и сдвинутым в область коллектора.

Рисунок 13.2 - Схема транзисторного ключа (а) и выходная характеристика (b)

Проводя нагрузочную прямую в системе выходных характеристик транзистора, получим две точки, определяющие режимы работы ключа. В точке 1 транзистор закрыт (режим отсечки), коллекторный переход находится под обратным, а эмиттерный - под прямым напряжением. Ток коллектора равен нулю, а напряжение коллектор – эмиттер равно , , . В точке 2 транзистор находится в открытом состоянии (режим насыщения), коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении. В этом случае, ток коллектора равен току насыщения , а напряжение на коллекторе равно напряжению насыщения , . Минимальное значение тока базы, которое необходимо для того, чтобы обеспечить открытое состояние транзистора, называют током базы насыщения . Для ускорения процесса открытия транзистора ток базы делают больше тока базы насыщения, превышение тока базы над минимальным значением оценивают степенью насыщения

. (13.1)

Переход из точки 1 в точку 2 происходит достаточно быстро. Мощность, выделяемая на транзисторе в точках 1 и 2, практически равна нулю, затраты энергии происходят только в моменты переключения. На переключение затрачивается некоторое время, которое определяет быстродействие ключа, т.е. его способность работать на высоких частотах.

Рассмотрим переходные процессы, сопровождающие переключение транзистора из закрытого состояния в открытое, и наоборот. Временная диаграмма переключения транзистора показана на рисунке 13.3.

 

Рисунок 13.3 -. Переходные процессы в транзисторном ключе

На интервале 0-1 на базу подано отрицательное напряжение, транзистор закрыт, режим работы соответствует точке 1 нагрузочной прямой. В момент времени 1 на вход подается передний фронт входного напряжения амплитудой , начинается рост тока коллектора, который происходит по закону

, , (13.2)

где - предельная частота транзистора при схеме включения с общим эмиттером.

Такой закон объясняется тем, что нарастание тока происходит одновременно с накоплением заряда в базовой области.

За интервал времени 1-2 формируется передний фронт импульса тока, в точке 2 ток достигает значение

, (13.3)

из этого выражения найдем

. (13.4)

Из последнего выражения видно, что длительность процесса включения уменьшается с увеличением степени насыщения .

Ток , достигнув значения , остается неизменным. После открытия транзистора продолжается процесс накопления заряда в базовой области. Этот процесс можно представить как рост тока (показан пунктирной линией) до некоторого значения тока , которое называют соответствующим накопленному заряду.

В момент времени 3 подается запирающее напряжение , но ток не изменяется, транзистор остается открытым еще некоторое время. Это объясняется наличием избыточного заряда неосновных носителей в базовой области, за счет которого транзистор удерживается в открытом состоянии. Отрицательное входное напряжение приводит к смене направления базового тока, однако, заряд мгновенно измениться не может, он уменьшается по экспоненте до момента времени 4. В этой точке он соответствует току . Интервал времени 3-4 называют временем рассасывания неосновных носителей в базовой области , его можно определить из уравнения

. (13.5)

С момента времени 4 начинается процесс выключения транзистора , длительность которого зависит от тока разряда

. (13.6)

Увеличение быстродействия ключа на биполярном транзисторе связано с противоречием. Для уменьшения включения необходимо увеличивать степень насыщения S, однако это приведет к увеличению времени рассасывания неосновных носителей.

Эта проблема решается путем формирования входного сигнала специальной формы (рисунок 13.4).

Рисунок 13.4 - Форма входного сигнала

На интервале времени создается ток базы , что приводит к быстрому открытию транзистора, затем ток уменьшают до значения .

Транзистор остается открытым, но накопление избыточного заряда не происходит, таким образом, время рассасывания сводится к нулю. Небольшой ток в цепи управляющего электрода поддерживают тиристор в открытом состоянии, исключая сбои в работе силовой схемы.

Преимущества ключей на биполярном транзисторе:

1. Малое остаточное напряжение на открытом ключе.
2. Мощность, рассеиваемая на открытом ключе практически линейно зависит от тока насыщения .

Недостатки ключей на биполярном транзисторе:

1. Малое быстродействие из-за эффекта рассасывания неосновных носителей в области базы.

2. Значительная мощность затрачивается на управление транзисторным ключом.