«Пропорционально-насыщенное» управление биполярными транзисторами со статической индукцией в устройствах силовой электроники

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 621.396

Ф.И.Букашев, О.Г. Фомин*, А.В.Байбузов, А.Ю.Смирнов «ПРОПОРЦИОНАЛЬНО-НАСЫЩЕННОЕ» УПРАВЛЕНИЕ БИПОЛЯРНЫМИ ТРАНЗИСТОРАМИ СО СТАТИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИЕЙ В УСТРОЙСТВАХ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

ООО «АНТРИМА Великий Новгород»

* Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого

The paper describes two examples of Bipolar Static Induction Transistor (BSIT) applications using new «proportional-saturated» control: solid-state switch with current monitoring and high efficient low voltage controlled rectifier. It is shown that the most effective control method of BSIT in these devices is a «proportional-saturated» control; the modern power BSITs can be used for design of fully protected solid-state switches for 55-75 V; the efficiency of low voltage controlled rectifier is very high.

Принцип действия и первые экспериментальные образцы транзисторов со статической индукцией (СИТ) были разработаны японским ученым Іии-ісЬі Nishizawa в начале 50-х годов минувшего века непосредственно вслед за изобретением полевого транзистора с управляющим р-п-переходом (ПТУП). Оба прибора, подобно электровакуумной лампе, управлялись напряжением, в чем состояло принципиальное отличие от созданного ранее биполярного транзистора. По своей структуре СИТ был очень похож на обычный ПТУП, отличаясь от него только более высокой степенью легирования истока и более узким и коротким каналом. Однако небольшое технологическое отличие позволило получить прибор, который мог работать не только в режиме обеднения канала носителями, но и в режимах его обогащения. При этом в приборе может достигаться гораздо больший, чем в ПТУП, выходной ток, но ввиду того, что с ростом отпирающего напряжения на затворе последний начинает потреблять значительный ток, СИТ в этих режимах переходит с экономичного потенциального управления на энергоемкое токовое. В результате в подобных режимах обогащения канала носителями СИТ, приобретая большие возможности по выходному току, теряет часть своих достоинств и становится подобен обычному биполярному транзистору, управляемому током. Тем не менее сочетание свойств полевых и биполярных транзисторов с их достоинствами и недостатками сводит эти полупроводниковые приборы в самостоятельную группу, названную транзисторами со статической индукцией. При этом биполярный СИТ (БСИТ), представляя собой технологическую разновидность СИТ с нормально закрытым каналом, но с более сложной геометрической формой затвора, до 1980-х гг. серийно не выпускался.

Изначально задуманный для применения в мощных ВЧ и СВЧ устройствах, к настоящему моменту СИТ прошел долгий путь развития. По имеющейся информации, в начале 1980-х гг. японская фирма Токіп освоила производство мощных БСИТ класса 1200 В и выше для применения в электроэнер-

гетике, в том числе приборы 28К180 — 28К183. В нашей стране БСИТ появились во второй половине 80-х. Наиболее полно информация об отечественных БСИТ представлена в справочнике [1]. Несмотря на широкую номенклатуру БСИТ, относящихся к разным классам по напряжению и току, эти приборы не приобрели широкого распространения в коммутационной аппаратуре. Причиной этого, по-видимому, являлось большое остаточное напряжение (напряжение насыщения) открытых БСИТ и очень низкий статический коэффициент передачи тока в режиме насыщения, что снижало КПД ключей на БСИТ до неприемлемого уровня.

1. Твердотельные защищенные ключи на основе БСИТ

Применение полупроводниковых коммутаторов, оснащенных схемами защиты от короткого замыкания в нагрузке или от превышения тока сверх установленной величины, позволяет существенно повысить надежность и долговечность как самих коммутаторов, так и систем, в которых они применяются. В настоящее время в мире выпускается большая номенклатура неспециализированных «самоза-щищенных ключей», «интеллектуальных ключей» и «интеллектуальных силовых модулей», представляющих собой силовые МОП- или ЮБТ-ключи с интегрированными схемами защиты от аварии на выходе, имеющие специальные выводы для контроля состояния ключа. В таких устройствах контроль тока реализован посредством формирования в многоячейковой структуре транзистора специального датчика тока.

При проектировании авторами силового ключа класса 75 В с защитой от токовой перегрузки и короткого замыкания при условии минимизации общих потерь мощности в устройстве в качестве силового прибора был выбран БСИТ КТ698Е, разработанный ОАО «Элекс» (г. Александров).

При разработке системы защиты силового БСИТ от токовой перегрузки были проанализированы

известные методы контроля протекающего тока и состояния силового ключа [2]. В целом все методы сводятся к двум: включение в силовую цепь датчика тока — резистора, датчика Холла или импульсного трансформатора — или контроль остаточного напряжения открытого силового ключа. Вариантам с датчиком тока присущи следующие недостатки:

— применение резисторов увеличивает потери и снижает надежность;

— импульсные трансформаторы дороги и несовместимы с микроэлектронной технологией;

— датчики Холла дороги, имеют значительные размеры, и их применение экономически целесообразно в устройствах более высокого класса по току.

Анализ отечественных источников показал почти полное отсутствие информации по применению БСИТ. Был проведен поиск патентной информации, касающейся защиты биполярных транзисторных ключей, и выделено несколько направлений движения конструкторской мысли.

1. Регенеративные ключи на биполярных транзисторах (тиристорного типа) с отключением при выходе одного из транзисторов из насыщения. Недостаток таких схем — большое остаточное напряжение ключа.

2. Пропорционально-токовое управление транзистором с трансформатором тока ограничивается стоимостью трансформатора, неизбежно увеличивает габариты и массу устройства, нереализуемо в микроэлектронном варианте.

3. Контроль тока ключа при помощи резистора в цепи эмиттера транзистора. Существенный недостаток решения — срабатывание защиты происходит при коротком замыкании, когда напряжение на датчике резко возрастает до величины, сравнимой с прямым напряжением р-и-перехода. Если ток срабатывания защиты отличается от номинального не более чем в полтора-два раза, реализация таких схем становится энергетически невыгодной, ухудшается их помехозащищенность.

4. Оригинальный способ контроля состояния насыщения силового биполярного транзистора с помощью измерения сопротивления перехода база-эмиттер на переменном токе.

5. Непосредственное измерение выходного напряжения биполярного транзистора и/или поддержание постоянного выходного напряжения путем изменения тока базы.

Объединение непосредственного измерения остаточного напряжения с регулировкой тока базы позволило предложить новое решение, заключающееся в линеаризации выходной вольтамперной характеристики (ВАХ) ключевого БСИТ во включенном состоянии [3]. Линеаризация достигается тем, что ток базы ключевого БСИТ пропорционален напряжению коллектор-эмиттер БСИТ, при этом наблюдается также линейная зависимость последнего от коммутируемого тока. Это решение позволило, с одной стороны, поддерживать низкое выходное напряжение ключевого прибора, с другой стороны, просто контролировать протекающий через БСИТ ток, а

также повысить КПД устройства за счет уменьшения тока потребления ключа при уменьшении коммутируемого тока.

На рис.1 приведена принципиальная схема линеаризованного транзисторного ключа.

зистора со статической индукцией

Усилитель — преобразователь напряжение-ток А1 преобразует разность напряжений на входах в ток на выходе, причем ток, втекающий в выход усилителя, пропорционален разности потенциалов неинвертирующего и инвертирующего входов. Важным является то, чтобы ток базы БСИТ был пропорционален напряжению коллектор-эмиттер.

По аналогии с пропорционально-токовым такое управление может быть названо «пропорционально-насыщенным». На рис.2 приведена выходная ВАХ БСИТ КТ698Е при пропорциональнонасыщенном управлении и управлении постоянным током базы 25 мА. Видно, что пропорционально -насыщенное управление характеризуется отличной линейностью ВАХ (практически нелинейность не превышает 2%), хотя при нулевом токе коммутации выходное напряжение БСИТ и не стремится к нулю.

симости от вида управления

2. Управляемые преобразователи переменного напряжения в постоянное

Рассмотренный способ «пропорциональнонасыщенного» управления БСИТ продуктивен для выпрямления низкого переменного напряжения. Известен целый класс конструкций, в которых биполярные и полевые транзисторы используются в качестве управляемых ключей в преобразователях переменного напряжения в постоянное.

Причина разработки синхронных выпрямителей состояла в стремлении увеличить КПД преобразователей с низким выходным напряжением. В настоящее время распространение получили понижающие конверторы синхронным выпрямлением с МОП-транзи-сторами в качестве ключевых элементов. В работе [4] очерчен круг проблем, возникающих при конструировании понижающих синхронных конверторов, дан обзор известных схемотехнических решений.

Если подать на вход понижающего синхронного конвертора не постоянное напряжение, а, например, разнополярные импульсы прямоугольной формы и заменить ключевой вертикальный МОП-транзистор на прибор, не проводящий в обратном направлении, то при соответствующем алгоритме работы схемы управления на выходе можно получить постоянное напряжение. В простейшем случае алгоритм схемы управления: ключ открыт при входном напряжении одной полярности и закрыт при напряжении другой полярности. По реализации управления ключевым транзистором известные решения разделяются на две большие группы.

1. Преобразователь содержит трансформатор тока или напряжения, и для управления транзистором задействуются дополнительные обмотки. Наиболее ранняя найденная подобная конструкция преобразователя датируется 1958 г. [5]. Был предложен управляемый выпрямитель, построенный по однофазной двухполупериодной схеме на трансформаторе со средней точкой и двух ключевых транзисторах. Конфигурация схемы обеспечивала попеременное открывание транзисторов и формирование на нагрузке напряжения постоянного тока. Известны варианты с использованием трансформатора тока, первичная обмотка которого включается последовательно с нагрузкой, а вторичная обмотка включается между коллектором и базой ключевого транзистора и служит источником базового тока ключевых транзисторов.

2. Преобразователь не содержит трансформаторов, транзисторы преобразователя получают управление от источника переменного напряжения или от специальной схемы управления — драйвера. Известны конструкции, в которых четыре биполярных транзистора образуют мостовой выпрямитель. Переменное напряжение прикладывается к эмиттерам, а нагрузка подключается к коллекторам транзисторов. Поскольку ток базы транзисторов зависит от входного напряжения, а не от тока коллекторов, то высокий КПД имеет место в узком диапазоне токов и напряжений. Способ устранения указанного недостатка — поставить ток базы ключевых транзисторов в зависимость от тока коллектора и по возможности исключить зависимость его от входного напряжения.

Значительное развитие преобразователи этой группы получили в работах ученых Московского института радиотехники, электроники и автоматики Д.В .Игумнова, И.С.Громова, В.А.Масловского и других. Группой авторов было разработано множество вариантов преобразователей переменного напряжения в постоянное на основе биполярных и полевых транзисторов, с удвоением или регулировкой напряжения, для питания нескольких нагрузок, с ограничением выходного напряжения. Однако всем биполярным вариантам преобразователей напряжения присущи два недостатка: узкий диапазон напряжений, в котором реализуется высокий КПД, и большой базовый ток транзисторов. Такие варианты преобразователей зачастую требовали применения МОП-транзисторов с пороговым напряжением менее 1 В.

Повышение функциональных характеристик преобразователей связано с расширением диапазонов входного напряжения и выходного тока, с применением более экономичных ключевых элементов. Результатом работы в этих направлениях явилась новая конструкция высокоэффективного низковольтного быстродействующего преобразователя напряжения [6]. Схема преобразователя приведена на рис.З.

\/Т1

Обшцй

Рис.3. Преобразователь переменного напряжения в постоянное

Транзистор УТ2 работает в активном режиме, регулируя тока базы БСИТ. Входным напряжением для усилителя — преобразователя напряжение-ток А1 является остаточное напряжение БСИТ, при этом втекающий выходной ток А1 пропорционален разности потенциалов его входов. Питание усилителя А1 осуществляется от входного переменного напряжения.

Если выходной ток мал, то остаточное напряжение БСИТ также мало. В этом случае выходной ток А1 мал, ток коллектора УТ2, который в основном определяет ток потребления, тоже мал. При увеличении выходного тока остаточное напряжение БСИТ возрастает, что приводит к увеличению тока коллектора УТ2 и, следовательно, к увеличению тока базы БСИТ. Увеличение тока базы БСИТ вводит его в более глубокое насыщение, уменьшая его остаточное напряжение. При некоторых значениях остаточного напряжения и тока базы выходного БСИТ система достигает состояния равновесия. В преобразователе напряжения также реализуется «пропорциональнонасыщенное» управление выходным БСИТ.

Работоспособность преобразователя была проверена экспериментально. Использовался серийный р-БСИТ КТ6127Е в инверсном включении. Зависимости остаточного напряжения и тока потребления от входного напряжения измерялись при двух фиксированных значениях выходного тока. На рис.4 представ-

Рис.4. КПД преобразователя переменного напряжения в постоянное

Устройство работоспособно при минимальном входном напряжении 2 В, сохраняет высокую эффективность в широком диапазоне токов. Быстродействие преобразователя непосредственно не измерялось, его можно косвенно оценить по граничной частоте ключевого БСИТ, которая для КТ6127Е составляет не менее 150 МГц.

Заключение

Подводя итоги, можно сделать следующие выводы.

1. Современные мощные БСИТ могут с успехом применяться при создании защищенных ключей классов напряжения 55-75 В.

2. Для силовых устройств на БСИТ наиболее перспективным является «пропорционально-насыщенное» управление, которое позволяет просто и надежно обеспечивать контроль коммутируемого тока и реализовать обратную связь по току.

3. Предложенный преобразователь переменного напряжения в постоянное по своим характеристи-

кам, в первую очередь по КПД, не уступает известным синхронным выпрямителям на МОП-транзисто-рах.

Эффективность проектирования устройств на основе БСИТ может быть повышена с использованием схемотехнических САПР при наличии модели БСИТ. 8Р1СБ-модель Гуммеля-Пуна хорошо описывает БСИТ во всех режимах, кроме режима насыщения. Радикальное повышение точности может быть достигнуто разработкой макромодели — схемы замещения БСИТ. Пример разработки макромодели тиристора и методики расчета параметров, дающих уменьшение погрешности численного моделирования в несколько раз представлен в [7].

При разработке макромодели БСИТ за основу целесообразно принять модель Гуммеля-Пуна. В исходной модели ток управляемого источника между коллектором и эмиттером задается линейной комбинацией токов эмиттерного и коллекторного р-п перехода. Исходя из физических представлений и соображений симметрии, ток источника может быть задан полиномом относительно токов перехода транзистора, при этом поведение макромодели в активном режиме не будет существенно отличаться от поведения модели Гуммеля-Пуна. В режиме насыщения БСИТ возможна точная подгонка коэффициентов полинома для согласования расчетных и опытных результатов.

1. Отечественные транзисторы: БСИТ, СИТ, БТИЗ. М.: Изд. дом «Доэка-XXI», 2GG1. 68 с.

2. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Изд. дом «До-эка-XXI», 2GG1. 384 с.

3. Свидетельство на полезную модель 24758 РФ. МПК 7 Н G3

К 17/G8. №2GG21G2371/2G. Транзисторный ключ /

Ф.И.Букашев, Р.В.Петров, М.И.Бичурин, А.В.Байбузов, А.Ю.Смирнов. Заявл. 28.G1.2GG2. Опубл. 2G.G8.2GG2. Бюл. №23. 1 с.

4. Байтурсунов В., Иванов В., Панфилов Д. // ChipNews, 1999. №2. С.2-10.

5. А. с. 124565 СССР. Класс 21d2, 12g3. Управляемый выпрямитель на полупроводниковых триодах / К.П.Нефедов. №6G1528/24. Заявл. 9.G6.1958. Опубл. 1959. Бюл. №23. 2 с.

6. Свидетельство на полезную модель 25818 РФ. МПК 7 Н G2 М 7/217. №2GG21G7569/2G. Преобразователь переменного напряжения в постоянное / Ф.И.Букашев, Р.В.Пет-ров, А.Ю.Смирнов. Заявл. G1.G4.2GG2. Опубл. 2G.1G.2GG2. Бюл. №29. 1 с.

7. Букашев Ф.И., Байбузов А.В., Смирнов А.Ю. //

CAD/CAM/CAE Observer. 2GG4. №4. С.78-80.

в