Ключ на биполярном транзисторе

Схема ключа на биполярном транзисторе с общим эмиттером представлена на рис. 4.8.

При подаче во входную цепь транзистора импульса прямого тока I_b1 Начинается переходный процесс включения, состоящий из трех этапов [2,3]. На начальной стадии включения, называемой задержкой tD(on), происходит перезаряд барьерной емкости входного эмиттерного перехода. Время задержки приближенно оценивается по формуле:

(4.1)

где С_ЕВ – барьерная емкость эмиттерного перехода;
V_E0 = 0.7 В – напряжение прямого смещения эмиттерного перехода для кремниевого транзистора.

Затем начинается этап нарастания коллекторного тока. Для количественного анализа переходных процессов в биполярном транзисторе используют метод заряда, в соответствии с которым изменение накопленного заряда в базе определяется входным током транзистора и процессом рекомбинации носителей:

(4.2)

где Q_В – заряд накопленных носителей в базе транзистора;

t_В – время жизни носителей, определяющее скорость рекомбинации.

Основным допущением метода заряда является прямая пропорциональность накопленного заряда Qв и выходного тока транзистора Ic(t):

(4.3)

где tc — время пролета носителей через область базы;

В_N — статический коэффициент усиления тока в схеме с общим эмиттером в нормальном усилительном режиме.

Решение уравнения (4.2) при начальном условии Q_B(0) = 0 определяет изменение накопленного заряда во времени Q_B(t):

(4.4)

С учетом допущения (4.3) для тока коллектора ic(t) можно записать:

(4.5)

Длительность этапа нарастания тока коллектора t_r определяется условием насыщения транзистора, при котором выходной ток ключа становится равным максимально возможному, определяемому внешней нагрузкой:

(4.6)

где Е – напряжение внешнего источника;

R – сопротивление нагрузки;

I_C(sat) – ток коллектора в режиме насыщения.

При выполнении условия (4.6) в базе транзистора накапливается заряд, называемый граничным Q_гр:

(4.7)

Из уравнений (4.5) и (4.6) время нарастания tr можно выразить формулой:

(4.8)

Чтобы обеспечить переход транзистора в насыщенное состояние необходимо выполнение условия:

(4.9)

где I_B(sat) – ток насыщения базы.

Для количественной оценки глубины насыщения используют параметр, называемый степенью насыщения N. Данный параметр определяется как относительное превышение базовым током I_В1 граничного значения I_B(sat):

(4.10)

На последнем этапе переходного процесса включения ток коллектора не изменяется и равен Ic(sat), однако заряд в базовом слое продолжает накапливаться в соответствии с выражением:

(4.11)

где τ_н – постоянная накопления заряда при работе транзистора в режиме насыщения.

Рис. 4.8

Данный заряд называется избыточным Q_ИЗб,так как он превосходит граничную величину накопленного заряда Огр при переходе транзистора из активной области в насыщение. Распределение зарядов Qв для различных режимов работы транзистора представлено на рис. 4.9.

Поскольку распределение заряда носителей при насыщении заметно отличается от распределения в нормальном активном режиме, постоянная τ_н отличается от времени жизни носителей τ_в. Часто постоянную накопления τ_н полагают равной инверсному значению времени жизни, которое определяется поверхностной рекомбинацией и меньше τ_в. Практическую оценку параметра τ_н можно провести на основе справочных данных, о чем будет сказано ниже.

Процесс накопления избыточного заряда заканчивается через время, называемое временем накопления t_H:

(4.12)

Переходный процесс выключения транзистора начинается в момент изменения входного тока от положительного уровня I_В1 до отрицательного I_B2. При этом начинается уменьшение накопленного заряда в базе. Выключение протекает в два этапа. На первом, называемым этапом рассасывания избыточного заряда, происходит уменьшение Q_В до граничного значения Q_гp. В течение процесса рассасывания коллекторный ток транзистора остается неизменным и равным I_C(sat), так как ключ продолжает находиться в насыщенном состоянии.

Длительность данного этапа характеризуется параметром, называемым временем рассасывания t_D. Для его определения можно воспользоваться уравнением (4.2), заменив постоянную времени тв на тн, а входной ток I_В1 на I_B2. Начальное условие для решения полученного уравнения определяется по формуле (4.4) при t = t_D, где f_D – длительность протекания прямого входного тока /_В1. Обычно выполняется условие t_D >> τ_н, при котором Q_В(0) определяется максимальным избыточным зарядом:

(4.13)

Тогда на этапе рассасывания заряд в базе изменяется по закону:

(4.14)

В момент времени t = t_D накопленный заряд становится равным граничному Qгр и для tD можно записать:

(4.15)

Полученную формулу можно использовать для количественной оценки параметра Tн на основе справочных данных. В них, как правило, задается величина t_D для конкретного типа транзистора и режим ее измерения (I_B1,I_B1,I_B(sat)).

На втором этапе переходного процесса выключения происходит спад коллекторного тока от значения I_C(sat) до нуля. Длительность этапа называется временем спада t_F. Данный параметр можно также рассчитать с помощью основного зарядного уравнения (4.2), используя в качестве входного тока величину I_В2 и постоянную времени активного режима τ_в. Для начального условия Q_В(0) = Q_ГР изменение заряда в базе на этапе спада определяется уравнением:

(4.16)

Аналогичным образом изменяется и выходной коллекторный ток, связанный с величиной накопленного заряда уравнением (4.3). При условии QB(tf) = 0 для времени спада можно записать выражение:

(4.17)

Основные этапы переключения биполярного транзистора показаны на рис. 4.10.

Рис. 4.9 Рис. 4.10

Временные параметры t_r, t_d, t_f характеризующие скорость переключения, являются одними из главных и задаются в справочных данных на каждый тип транзистора. Приводятся также характеристики влияния на указанные параметры режимов нагрузки (выходного тока) и цепи управления (прямой и запирающий ток базы).

Характер изменения временных параметров при изменении режимов в схеме определяется полученными уравнениями. Времена нарастания и спада коллекторного тока транзистора уменьшаются с ростом амплитуды соответственно отпирающего и запирающего входного тока. Время рассасывания увеличивается с ростом отпирающего тока базы I_B1 и уменьшается с увеличением запирающего I_В2. При увеличении тока нагрузки фронты переключения увеличиваются, а время рассасывания уменьшается. Для проведения количественных оценок разработчику схемы необходимо, помимо постоянной накопления τ_Н, иметь также численное значение параметра τ_В (или τ_С). Данные величины также могут быть получены с использованием справочных данных.

Время пролета носителей можно определить по формуле:

(4.18)

Где f_T = f_M [h_21Э] – частота единичного усиления;

f_M – частота усиления, при которой определяется модуль коэффициента передачи [h_21Э], приводимый в справочных данных.

Временные параметры переключения могут быть использованы для приближенного расчета потерь мощности в статическом и динамическом режиме (см. раздел 3.4.1).

Однако более оправданным является использование дополнительных справочных параметров, характеризующих энергию потерь при переключении (E_ON и E_OFF), которые измеряются с учетом особенностей конкретного типа транзистора и режима его работы.

Полученные выражения для временных параметров переключения не учитывают многих особенностей, свойственных силовым транзисторам. Остановимся на некоторых, наиболее принципиальных.

Влияние барьерной емкости перехода коллектор—база. Данное влияние учитывается как дополнительный емкостный ток в уравнении базового заряда:

(4.19)

Где С_СВ – барьерная емкость коллекторного перехода;

- изменение напряжения в цепи коллектора в переходном режиме.

Для чисто активной нагрузки R справедливо равенство:

(4.20)

С учетом основного допущения (4.3) легко преобразовать уравнение (4.19) к виду:

(4.21)

Где τ_О= (τ_В+B_NRC_CB) – эквивалентная постоянная времени.

Для высоковольтных транзисторов С_СВ сильно изменяется при изменении выходного напряжения. В диапазоне больших коллекторных токов значительно уменьшается коэффициент передачи тока B_N. При этом уравнение (4.21) становится нелинейным. Для приближенных расчетов данные параметры необходимо усреднять в диапазоне рабочих токов и напряжений.

Влияние высокоомного коллекторного слоя. Модуляция сопротивления коллектора приводит к расширению базового слоя, что увеличивает область накопления носителей и затягивает длительность фронтов нарастания и спада (эффект квазинасыщения). При работе на низкоомную нагрузку (единицы — доли Ом) транзистор значительную часть времени переключения находится в режиме квазинасыщения, что увеличивает дополнительные коммутационные потери (рис. 4.11).

В справочных данных большинства отечественных производителей параметры для данного режима не приводятся. Разработчики новых технологий биполярных ключевых транзисторов («Motorola» («ON-Semiconductor»), «Thomson-CSF») в качестве параметров, характеризующих режим квазинасыщения, приводят значения выходного напряжения для двух моментов времени после включения (рис. 4.12).

Рис. 4.11 Рис. 4.12