19. Полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом, принцип действия, стоковые характеристики:

Принцип действия: см. вопрос 18.

Стоковые характеристики:

20. Полевые транзисторы. Особенности управления:

Сегодня большинство высокочастотных схем силовой электроники построено на основе полевых транзисторов с изолированным затвором. Полевые транзисторы стали одними из самых распространенных элементов электроники и входят в состав изделий - от микропроцессоров до силовых интегральных схем. Рассмотрим отдельные варианты схем, в которых используются силовые полевые транзисторы. Прямое управление от контроллера. В импульсных источниках питания для управления транзистором служит драйвер, входящий в элемент ШИМ-контроллера. Одна из немногих проблем - ограниченный выходной ток драйвера, что учитывает ограничения на управление мощными транзисторами с высокой скоростью, а так же лишняя рассеиваемая мощность в драйвере. Эта проблема может быть решена с помощью внешнего затворного резистора, величиной шунтирующего конденсатора, и тщательным проектированием разводки элементов цепи. Одна из популярных и эффективных схем управления полевым транзистором - двухтактный каскад из биполярных транзисторов. Данная схема - схема двухтактного драйвера, значительно облегчает работу контроллера, принимая на себя большие броски тока и рассеивание мощности. Помимо необходимости расположения драйвера в близости от силового ключа, на нем необходимо использовать свой шунтирующий конденсатор. Особенность этого драйвера заключается во взаимной защите транзисторов от пробоя обратным током. Двухтактный биполярный драйвер не требует никаких защитных диодов. Двухтактный драйвер на полевых транзисторах. Все достоинства данного драйвера полностью совпадают с предыдущим, на биполярных транзисторах. Но все, же есть отдельные недостатки. Драйвер инвертирует входной сигнал, поэтому контроллер так же должен инвертировать сигнал, поэтому придется использовать дополнительный инвертор. Управление Р-канальным силовым транзистором, включенным по схеме с общим истоком, с помощью высоковольтного КМДП-вентиля. Вентили на взаимодополняющих (КМДП) транзисторах со структурой металл - диэлектрик - полупроводник являются базисными элементами современных микросхем. В приведенной схеме исток Р-канального транзистора подключен к положительному источнику питания, а управляющий вентиль имеет, к тому же, дополнительный отрицательный источник питания. При низком уровне напряжения на выходе вентиля, мощный силовой транзистор открыт, а при высоком - закрыт.

21. Силовые полупроводниковые приборы. Способ снижения потерь при коммутации:

Силовые полупроводниковые приборы ввиду высокой чувствительности их параметров к состоянию поверхности полупроводника должны быть надежно загерметизированы, что устанавливается испытаниями на просачивание воздуха. Методы испытаний в зависимости от конструкции прибора и степени негерметичности могут быть различными. 

Силовые полупроводниковые приборы обладают низкой теплоемкостью, поэтому их перегрузочная способность невысокая. Это объясняется тем, что вследствие высокой стоимости кремния имеется тенденция к интенсивному использованию p - n - переходов путем повышения плотности тока при усиленном теплоотводе. 

Силовые полупроводниковые приборы ( при сборке их в панельные блоки) и релейно-контакторные аппараты с задним присоединением электрического монтажа устанавливаются на изоляционных плитах. По шаблонам в плитах сверлятся и фрезеруются установочные отверстия.

Силовые полупроводниковые приборы по принципу действия подразделяются на три основные группы: силовые неуправляемые вентили - диоды, силовые транзисторы и силовые управляемые вентили - тиристоры. 

Применение силовых полупроводниковых приборов в различного рода преобразователях электрического тока позволило резко повысить надежность этих устройств. Поэтому очевидно, что вопросы проектирования схемы, условия эксплуатации и надежность отдельных узлов или приборов следует рассматривать комплексно с учетом их взаимного влияния.

Циклостойкость силовых полупроводниковых приборов во многом зависит от качества контактных соединений полупроводникового элемента с токоподводящими контактами. 

Создание мощных силовых полупроводниковых приборов таблеточного типа выдвигает па передний план проблему обеспечения долговременного падежного контакта прибор - охладитель. Этот контакт обеспечивает специальное устройство, прижимающее охладители к прибору. Устройство представляет собой систему, состоящую из траверсы и болтов, передающих усилия охладителям. В данном разделе предлагается методика определения механических напряжений в охладителях от усилий, передаваемых стяжными болтами, и проверки прочности охладителей.

К силовым полупроводниковым приборам относятся управляемые приборы, используемые в различных силовых устройствах: электроприводе, источниках питания, мощных преобразовательных установках и др. Для снижения потерь эти приборы в основном работают в ключевом режиме.

Способ снижения потерь при коммутации:

Ключи силовой электроники с обычными тиристорами, GTO или MCT (MOS-управляемые тиристоры) для гарантированной работы в безопасной области требуют наличие цепей для уменьшения потерь, т.е. без таких цепей не обойтись, если компоненты должны выполнять свои основные функции при коммутации. В отличие от этого, SOA-характеристики современных IGBT и MOSFET допускают работу без дополнительных цепей, и такие цепи могут служить только для уменьшения потерь при коммутации или для обеспечения симметрии при каскадировании.

На рис.3.78 показан традиционный понижающий преобразователь с IGBT и простыми цепями для уменьшения потерь.

Рис. 3.78. Понижающий преобразователь с IGBT и простыми цепями для уменьшения потерь

В начале IGBT закрыт (v_ce  v_DC), и ток нагрузки проходит через обратную цепь. Процесс коммутации от обратного диода к IGBT (индуктивная коммутация) переходит при активном включении IGBT. Как только индуктивность цепи достигла определенного значения, коммутационное напряжение при нарастании тока коллектора будет почти полностью поглощаться (соответствует напряжению питания преобразователя), так что напряжение коллектор-эмиттер быстро упадет до очень низкого уровня. В то же время индуктивность цепи уменьшит скорость коммутации тока.

При рассмотрении обоих аспектов, можно значительно уменьшить потери при выключении IGBT. Характеристики тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер соответствуют мягкой коммутации, как показано в п. 0. В п. 3.8.3 мы продемонстрируем, что при помощи простой катушки в несколько мкГн будет значительно уменьшена рассеиваемая мощность IGBT и MOSFET очень эффективно. Дополнительно к уменьшению потерь IGBT при включении, потери при выключении обратных диодов также снизятся при индуктивной коммутации, поскольку уменьшенная скорость коммутации тока приведет к низкоуровым обратным выбросам тока.