Что будет если транзисторы соединить параллельно

Параллельное включение IGBT транзисторов

С ростом мощности силового оборудования повышаются требования к электронике управления высоковольтной и сильноточной нагрузкой. В мощных импульсных преобразователях, где элементы работают одновременно с высокими уровнями напряжений и токов, зачастую требуется параллельное соединение силовых ключей, таких, например, как IGBT транзисторы, хорошо работающие в подобных схемах.

Существует множество нюансов, которые необходимо учитывать при параллельном включении двух и более IGBT. Один из них – соединение затворов транзисторов. Затворы параллельных IGBT могут подключаться к драйверу через общий резистор, отдельные резисторы или комбинацию общего и отдельных сопротивлений (Рисунок 1). Большинство специалистов сходится во мнении, что обязательно нужно использовать отдельные резисторы. Однако существуют веские доводы в пользу схемы с общим резистором.

а) Индивидуальные резисторы
б) Общий резистор
в) Комбинированное включение резисторов
Рисунок 1.	Различные конфигурации схем управления затворами IGBT.

В первую очередь при расчете схемы с параллельными IGBT нужно определить максимальный ток управления транзисторами. Если выбранный драйвер не может обеспечить суммарный базовый ток нескольких IGBT, придется ставить отдельный драйвер на каждый транзистор. В этом случае индивидуальный резистор будет у каждого IGBT. Быстродействия большинства драйверов достаточно, чтобы обеспечить интервал между импульсами включения и выключения в несколько десятков наносекунд. Это время вполне соразмерно с временем переключения IGBT, составляющим сотни наносекунд.

При использовании одного драйвера предметом обсуждения может быть конфигурация резисторов в цепях затворов. Недостатком схемы с отдельными резисторами (Рисунок 1а) является возможность увеличения разброса времени переключения вследствие того, что управляющие напряжения затворов не будут отслеживать выходные сигналы драйвера. Даже если импульсы управления, подающиеся на резисторы с драйвера, будут абсолютно идентичны, различия в зарядах затворов в совокупности с сопротивлениями затворов и импеденсами проводников печатной платы приведут к несовпадению времен нарастания, спада и задержки сигналов на затворах IGBT. Тем не менее, многие выступают в защиту индивидуальных резисторов, поскольку последние минимизируют вероятность возникновения паразитной генерации между IGBT.

Причиной генерации может стать паразитная индуктивность платы (обычно в цепи эмиттера) в сочетании с емкостью затвора и усилением транзисторов. Минимизация индуктивности в цепи эмиттера играет важную роль в предотвращении паразитной генерации.

Общий резистор (Рисунок 1б) гарантирует, что потенциалы затворов обоих IGBT в любой момент времени будет практически одинаковыми, имея лишь незначительный разброс, обусловленный вариациями паразитных импедансов платы. При переходных процессах это может уменьшить различие в уровнях потерь и способствовать более равномерному распределению тока между транзисторами. С точки зрения режима по постоянному току не имеет значения, используются ли отдельные резисторы или один общий, поскольку, в конечном счете, затворы всех IGBT заряжаются до напряжения смещения. Аргументы в пользу общего резистора можно найти и в других источниках, но приводимые там рекомендации нельзя использовать как общие указания в случае с отдельными резисторами в цепях затворов.

Для тестирования различных конфигураций резисторов из 22 выпускаемых ON Semiconductor IGBT типа NGTB40N60IHL были выбраны два транзистора с наибольшим взаимным разбросом параметров. Их потери при включении составляли 1.65 мДж и 1.85 мДж, а потери при выключении 0.366 мДж и 0.390 мДж, соответственно. Транзисторы рассчитаны на рабочее напряжение 600 В и ток 40 А.

При использовании одного общего драйвера с отдельными 22-омными резисторами, наблюдалось ярко выраженное несовпадение кривых тока в момент выключения из-за несоответствия скоростей переключения, неравенства порогов, крутизны и зарядов затворов двух приборов. Замена двух резисторов одним общим с сопротивлением 11 Ом в любой момент времени уравнивает потенциалы на затворах обоих IGBT. В такой конфигурации существенно уменьшается перекос токов в момент выключения. С точки зрения рассогласования по постоянному току конфигурация резисторов значения не имеет.

Поскольку до разработки и сборки реального прототипа определить, возникнет ли между приборами паразитная генерация, невозможно, рекомендуется использовать комбинированную схему включения резисторов в цепях затворов (Рисунок 1в).

Комбинированная схема обеспечивает гибкость подбора сопротивлений резисторов, основанную на учете паразитных импедансов реальной схемы. Если в схеме с общим резистором наблюдается генерация, активную часть полного сопротивления цепи затвора можно разделить на отдельный и общий компонент. Для получения оптимальных характеристик сопротивления индивидуальных резисторов должны, насколько возможно, превышать значение сопротивления затвора, но оставаться в пределах, при которых исключается риск возникновения генерации. Эта схема легко может быть приведена в соответствие с конкретными условиями эксплуатации и использоваться в качестве самостоятельного функционального блока. Таким способом можно обеспечить максимальную близость потенциалов на затворах IGBT в моменты переключения, но с учетом опасности возникновения генерации лучше добавить небольшие индивидуальные сопротивления.

Оптимизация параметров мощных схем с параллельным включением силовых ключей позволяет повысить надежность устройства и улучшить его рабочие характеристики. Рассмотренные в статье схемы управления затворами IGBT – один из факторов повышения эффективности мощных коммутационных узлов преобразовательной техники.

Перевод: Антон Юрьев по заказу РадиоЛоцман

Источник

Параллельное соединение транзисторных выходов

Схема подключения выхода NPN ко входу PNP.

Написать эту статью меня побудил вопрос читателя.

Он спрашивал, как подключить два прибора с транзисторным выходом на один вход контроллера. В результате получился ответ, достойный того, чтобы оформить его в статью.

Эта статья перекликается с другой моей статьёй – про подключение датчиков с транзисторным выходом. Там – вся теория про НО, НЗ, PNP, NPN и подобные вещи.

Также там описан способ переделки транзисторной логики PNP в NPN и обратно, который применяется в этой статье.

Вопрос читателя:

Александр, добрый день! Нужна Ваша помощь в схеме подключения к контроллеру Siemens ET 200SP ионизаторов Vessel N-1. Речь идет о NPN датчике с ОК.

Задача стоит следующая: на одном рабочем месте два ионизатора включаются по сигналу оптического датчика через реле. К ним же через реле подается воздух с пневмораспределителя. В случае неисправности одного из ионизаторов ( или обоих “ИЛИ”) на вход контроллера (DI) должен приходить сигнал +24V. От ключей ионизатора ( ALM-COM).

Т.к. рабочих мест много, то от 2-х ионизаторов- один сигнал. C одним PNP транзистором проблем бы не было. Но так питание на ионизаторы подается не постоянно, а от сигнала оптического датчика,то сигнал неисправности может быть только +24V.
Необходимые схемы и мануалы прилагаю.

Файлы, присланные читателем:

Схема входного модуля контроллера:

DI 16x24VDC ST. Входы контроллера, на один из которых приходит сигнал с двух выходов

Что видно из схемы контроллера? Все входы – типа PNP, то есть, входы будут активны, когда на них поступает напряжение +24VDC. Соответственно, для этого входные ключи (это могут быть и датчики, и кнопки, и любые контакты – контроллеру всё равно) должны замкнуться и пропустить через себя ток. В случае, если ключ транзисторный, он должен быть проводимости типа PNP, то есть, коммутировать положительный полюс источника питания.

Кстати, по контроллеру у меня есть ещё одна крутая статья – Ремонт станка на контроллере.

Ионизатор – схема подключения выходов

Я не знаю, что делает ионизатор (вероятно, ионизирует)). Собственно, нам это знать не особо нужно, пусть об этом думают технологи. Нас интересует единственный информационный выход – ALM (Alarm), который должен подключиться ко входу контроллера. В приведенном куске инструкции внизу показаны примеры подключения – везде используется схема ОЭ (общий эмиттер), где эмиттер всегда подключен к минусу, который коммутируетя транзистором типа NPN и подает этот минус на нагрузку. А плюс к нагрузке подключен постоянно.

Положение осложняется двумя факторами:

Схема подключения с оптическим датчиком, составленная читателем

Оптический датчик (кстати, с транзисторным выходом PNP) к делу не относится, он подает питание на ионизаторы через реле К1 при появлении изделия.

Два выхода ALM, обозначенные вопросиками, нам предстоит подключить к контроллеру, который скромно расположился в нижнем правом углу рисунка.

Мой ответ по параллельному подключению:

В случае неисправности одного из ионизаторов (согнал ALM становится активным) открывается транзистор на выходе оптопары.

Нужно, чтобы при неисправности любого или нескольких ионизаторов становился активным нужный вход контроллера.

Так как вход один, нужна схема ИЛИ.

Активный уровень контроллера +24В. Точнее, +5…..+30V. Активный сигнал аварии ионизатора – открытый переход эмиттер-коллектор npn транзистора.

Исходя из этого, схема подключения будет такой:

Схема итог. Два выходных транзистора типа NPN подключены параллельно к одному входу PNP

Коллекторы транзисторов (вых.4 ALM) подключаем к напряжению +24В (хотя, производитель туда рекомендует подключать нагрузку!). Эмиттеры – через резистор на вых 1 или 5 (GND). Резисторы R1, R2 нужны для обеспечения рабочего режима транзисторов, хотя их нет в схеме производителя.

Получаем включение выходных транзисторов по схеме общий коллектор, в которой выход на эмиттере.

Для понимания, схему можно преобразовать к классическому виду (я привязался к расположению клемм реального устройства, поэтому немного путаная схема получилась):

Схема включения транзистора Общий Коллектор, классический вид

На эмиттере будет потенциал GND, когда транзистор закрыт (нет аварии ионизатора), и потенциал +24В, когда происходит активизация выхода ALM (авария ионизатора).

Чтобы соединить транзисторные каскады параллельно и подключить к одному входу контроллеру, надо их подключать через диоды, это исключит их взаимное влияние.

Точка подключения всех диодов подключается ко входу контроллера. Диод(ы) открывается, когда открывается транзистор, при этом 24В проходит через переход коллектор-эмиттер, далее через диод на вход контроллера.

Рекомендуется для стабильной работы вход контроллера зашунтировать резистором 100 кОм. Без него если схема работать и будет, то за надежность я не отвечаю. Чтобы диод работал, нужно, чтобы через него протекал ток. А ток входа контроллера ничтожно мал. Поэтому 100 кОм и обеспечивает этот ток.

Получается, на резисторе R3 (а значит, на нужном входе контроллера) у нас присутствует напряжение, которое позволяет контроллеру работать в штатном режиме.

Ещё пара слов по транзисторам, датчикам и контроллерам

В контексте данной статьи всё равно, о каких датчиках идёт речь – датчиках приближения (индуктивных), фотодатчиках (оптических), или других. Суть одна – по какому-либо признаку на выходе датчика дискретно меняется потенциал.

Чтобы нормально функционировать в мире датчиков контроллеров, входов, выходов, нужно четко понимать, какой уровень сигнала активный, какой – пассивный, и как работает тот или иной выход или вход. Бывает, что активный уровень контроллера – 0В, при этом контакты датчика замкнуты, и он в то же время – не активен.

Кроме того, понятия “аналоговое”, “дискретное”, “цифровое” – весьма условны и перетекают плавно друг в друга.

Поэтому изучайте матчасть, читайте мануалы, и задавайте вопросы в комментариях к статье!

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Составные транзисторы. Схемы включения.

Транзисторы как силовые элементы многих радиоэлектронных устройств для нормальной работы должны выполнять следующие функции:

1. Обеспечивать управление заданным током нагрузки при большом усилении по мощности.

2. Обладать достаточной (с учётом заданной выходной мощности и диапазонов изменения входного и выходного напряжений) рассеиваемой мощностью.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

3. Иметь максимально допустимое напряжение коллектор – эмиттер, позволяющее без опасности пробоя обеспечивать необходимое падение напряжение на переходе коллектор – эмиттер при возможных значениях входного и выходного напряжений.

В некоторых случаях имеющиеся в наличии транзисторы не позволяют выполнить одно или несколько вышеописанных условий, тогда прибегают к помощи так называемых составных транзисторов. Схем составных транзисторов существует великое множество, но основных схем существует всего три.

Тандемное включение транзисторов (схемы Дарлингтона и Шиклаи)

Довольно часто возникает ситуация, когда необходимого коэффициента усиления одного транзистора не хватает. В этом случае транзисторы соединяют тандемно (то есть выходной ток первого транзистора является входным током для второго). Существует две схемы такого включения: схема Дарлингтона и схема Шиклаи. Отличие заключается лишь в том, что в схеме Дарлингтона используются транзисторы одинакового типа проводимости, а в схеме Шиклаи – разного типа проводимости.

Схема Дарлингтона

Схема Шиклаи

Данные пары – это просто два каскада эмиттерного повторителя. Иногда данные составные схемы транзисторов называют «супер-β» пары, так как они функционируют как один транзистор с высоким коэффициентом усиления.

Общий коэффициент передачи тока будет равен:

При использовании данных схем вполне возможна такая ситуация, когда нагрузка уменьшится до нуля (или некоторого минимального значения, близкого к нулю) или при повышении температуры базовый ток транзистора VT1 может стать равным нулю или даже переменить направление за счёт неуправляемого обратного тока коллектора. Во избежание запирания транзистора VT2 его режим следует стабилизировать с помощью резистора R1.

Величину сопротивления R1 можно определить по формуле:

Параллельное включение транзисторов

Современные транзисторы позволяют реализовать электронные схемы расчитаные на широкие диапазоны изменений токов и напряжений, но в отдельных случаях для увеличения допустимой мощности рассеивания применяется параллельное включение транзисторов.

Схема параллельного включения транзисторов

Максимально допустимый ток протекающий через такой составной транзистор равен:

При такой схеме включения транзисторов следует учитывать, что вследствие разброса параметров параллельно включённых транзисторов токи между ними распределяются неравномерно. Большая часть тока будет протекать через транзистор, имеющий больший коэффициент усиления. Рассеиваемые транзисторами мощности можно выровнять включением в их эмиттерные цепи дополнительных симметрирующих резисторов с небольшими сопротивлениями. Так как на практике трудно подбирать такие сопротивление для каждого транзистора, в практических схемах в эмиттеры всех транзисторов ставят резисторы одного сопротивления. Сопротивление симметрирующих резисторов R1 и R2 можно определить по формуле

где n – число параллельно соединенных транзисторов

I_K — ток проходящий через коллектор.

Такой способ связан с ухудшением усилительных свойств транзисторов, однако его достоинством является возможность получения мощного силового элемента при использовании относительно маломощных транзисторов.

Последовательное включение транзисторов

Во время работы силового транзистора на его переходе коллектор – эмиттер падает напряжение, представляющее собой разность входного и выходного напряжений. В отдельных случаях эта разность может превышать максимально допустимое напряжений коллектор – эмиттер транзистора, имеющегося в распоряжении. В этом случае необходимо использовать последовательное соединение нескольких транзисторов.

Схема последовательного включения транзисторов

Эквивалентный транзистор будет иметь следующие параметры:

Для симметрирования напряжений, которые будут падать на переходе коллектор – эмиттер транзисторов вводят симметрирующие резисторы R1 и R2 сопротивление, которых можно определить по формуле

где I_B – ток базы составного регулирующего транзистора.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник

Параллельное включение транзисторов

Одним из наиболее распространенных требований при разработке или доработке источников питания является увеличение его выходного тока.

В таких источниках простое соединение одноименных выводов транзисторов обычно не дает практических результатов из-за неравномерного распределения тока между транзисторами. При повышении рабочей температуры неравномерное распределение тока между транзисторами становится еще большим до тех пор, пока практически весь ток нагрузки не потечет через один из транзисторов.

Предложенный вариант на рисунке 1 может быть реализован при условии, что параллельно соединенные транзисторы имеют совершенно идентичные характеристики и работают при одинаковой температуре. Такое условие практически не реализуемо из-за относительно больших разбросов характеристик биполярных транзисторов. Рис. 2 показывает, как осуществлять параллельное включение транзисторов в линейном источнике питания. При таком включении нужно стремиться использовать транзисторы с близкими параметрами Вст. Транзисторы большой мощности при этом должны устанавливаться на один теплоотвод. Для дополнительного выравнивания токов в данной схеме в цепях эмиттеров применены резисторы R1 и R2. Сопротивление резисторов следует выбирать исходя из падения напряжения на них в интервале рабочих токов, около 1 вольта или, по крайней мере, — не менее 0,7 вольта. Данная схема должна применяться с большой осторожностью, так как даже транзисторы одного типа и из одной партии выпуска имеют очень большой разброс по параметрам. Выход из строя одного из транзисторов неизбежно приведет к выходу из строя и других транзисторов в цепочке. При параллельном включении двух транзисторов максимальный суммарный ток коллектора не должен превышать 150 процентов от предельного тока коллектора одного из транзисторов! Количество транзисторов, включенных по этой схеме, может быть сколько угодно большим — все зависит от степени необходимой надежности устройств, в которых применяется такое включение транзисторов и допустимого КПД всего устройства, так как на резисторах выделяется отнюдь не маленькая тепловая мощность. На схемах нарисованы р-n-p транзисторы, естественно все сказанное будет справедливо и для n-p-n транзисторов.

Источник

Транзисторы биполярные. Основные характеристики и схемы соединений

Транзисторы как силовые элементы многих радиоэлектронных устройств для нормальной работы должны выполнять следующие функции:

1. Обеспечивать управление заданным током нагрузки при большом усилении по мощности.

2. Обладать достаточной (с учётом заданной выходной мощности и диапазонов изменения входного и выходного напряжений) рассеиваемой мощностью.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

3. Иметь максимально допустимое напряжение коллектор – эмиттер, позволяющее без опасности пробоя обеспечивать необходимое падение напряжение на переходе коллектор – эмиттер при возможных значениях входного и выходного напряжений.

В некоторых случаях имеющиеся в наличии транзисторы не позволяют выполнить одно или несколько вышеописанных условий, тогда прибегают к помощи так называемых составных транзисторов. Схем составных транзисторов существует великое множество, но основных схем существует всего три.

Параллельное включение транзисторов

Одним из наиболее распространенных требований при разработке или доработке источников питания является увеличение его выходного тока.
В таких источниках простое соединение одноименных выводов транзисторов обычно не дает практических результатов из-за неравномерного распределения тока между транзисторами. При повышении рабочей температуры неравномерное распределение тока между транзисторами становится еще большим до тех пор, пока практически весь ток нагрузки не потечет через один из транзисторов.

Предложенный вариант на рисунке 1 может быть реализован при условии, что параллельно соединенные транзисторы имеют совершенно идентичные характеристики и работают при одинаковой температуре. Такое условие практически не реализуемо из-за относительно больших разбросов характеристик биполярных транзисторов. Рис. 2 показывает, как осуществлять параллельное включение транзисторов в линейном источнике питания. При таком включении нужно стремиться использовать транзисторы с близкими параметрами Вст. Транзисторы большой мощности при этом должны устанавливаться на один теплоотвод. Для дополнительного выравнивания токов в данной схеме в цепях эмиттеров применены резисторы R1 и R2. Сопротивление резисторов следует выбирать исходя из падения напряжения на них в интервале рабочих токов, около 1 вольта или, по крайней мере, — не менее 0,7 вольта. Данная схема должна применяться с большой осторожностью, так как даже транзисторы одного типа и из одной партии выпуска имеют очень большой разброс по параметрам. Выход из строя одного из транзисторов неизбежно приведет к выходу из строя и других транзисторов в цепочке. При параллельном включении двух транзисторов максимальный суммарный ток коллектора не должен превышать 150 процентов от предельного тока коллектора одного из транзисторов! Количество транзисторов, включенных по этой схеме, может быть сколько угодно большим — все зависит от степени необходимой надежности устройств, в которых применяется такое включение транзисторов и допустимого КПД всего устройства, так как на резисторах выделяется отнюдь не маленькая тепловая мощность. На схемах нарисованы р-n-p транзисторы, естественно все сказанное будет справедливо и для n-p-n транзисторов.

www.Radioingener.ru

VR1 используется для регулировки выходного напряжения. Микросхема LM и транзистор BD устанавливаются на радиаторы. Вторичная обмотка трансформатора должна иметь напряжение не менее 18В. Для увеличения выходного тока источника питания необходимо установить дополнительные стабилизаторы LM все стабилизаторы можно устанавливать на общий радиатор и увеличит мощность трансформатора, так же применить диодный мост рассчитанный на выбранный вами ток нагрузки. Собрал полностью работает. Но очень хотелось бы чтоб здесь присутствовало ограничение по току а.

Параллельное соединение транзисторов тока

Привет ребята! Подскажите, пожалуйста, как рассчитывать номинал резисторов применяемых в параллельном соединении транзисторов. Схема указана на ссылке

Последний раз редактировалось Timych Ср окт 09, 2013 13:17:28, всего редактировалось 1 раз.

Зарегистрируйтесь и получите два купона по 5$ каждый:https://jlcpcb.com/cwc

Извините за не внимательность) Параллельное соединение транзисторов для увеличения предельного тока

По схеме понятно как это все спаивается. основная трудность заключается в том, что я не знаю как рассчитать номинал резисторов.

и Analog Devices приглашают всех желающих 27/04/2021 принять участие в вебинаре, посвященном решениям Analog Devices для гальванической изоляции. В программе вебинара: технологии гальванической изоляции iCoupler, цифровые изоляторы, технология isoPower, гальванически изолированные интерфейсы (RS-485, CAN, USB, I2C, LVDS) и другое. Вебинар будет интересен разработчикам промышленной автоматики и медицинской техники.

Широкий ассортимент винтовых клеммников Degson включает в себя различные вариации с шагом выводов от 2,54 до 15 мм, с числом ярусов от одного до трёх и углами подключения проводника 45°, 90°, 180°. К тому же Degson предлагает довольно большой выбор клеммных винтовых колодок кастомизированных цветов.

Вы неправильно поняли. Резисторы в эмиттеры ставят для образования отрицательной обратной связи. Именно она выравнивает коллекторные токи. И чем больше сопротивление этих резисторов, тем лучше это выравнивание (транзистор приближается к генератору тока). Но чрезмерно увеличивать сопротивления нельзя ввиду большого падения напряжения на них. Выбирают компромисс. При этом выравнивание конечно уменьшается ввиду уменьшения обратной связи.

Что это такое

Транзистор — это особый элемент электроцепи полупроводникового типа, который служит для изменения основных электрических параметров электротока и для регулирования этих параметров. В стандартном полупроводниковом триоде есть всего 3 вывода: коллектор, инжектор зарядов и базовый элемент, на который собственно и направляются электроны от управления. Также имеются комбинированные транзисторы с большой мощностью. Если обычные элементы, используемые в интегральных схемах, могут быть размером в несколько нанометров, то производственные транзисторы для промышленных предприятий имеют корпус и составляют до 1 сантиметра в ширину. Напряжение обратного типа производственных управляющих триодов достигает 1 тысячи Вольт.

2SD1710 для импульсных блоков питания

Конструкция триода сделана на основе слоев полупроводника, заключенных в корпусе элемента. В качестве полупроводников выступают материалы, в основу которых входит кремний, германий, галлий и некоторые другие химические элементы. В настоящее время проводится множество исследований, которые предлагают в качестве материалов различные виды полимеров и углеродных нанотрубок.

Важно! Когда-то кристаллы полупроводников располагали в металлических отсеках в виде шляп с тремя выводами. Такое строение было характерно для точечных элементов транзисторного типа.

Различные виды рассматриваемых радиоэлементов

На сегодняшний день строение практически всех плоских и кремниевых транзисторов основано на легированном монокристалле. Они находятся в пластмассовых, металлических или стеклянных корпусах. У многих из них есть выступающие выводы, позволяющие отвести тепло при сильном нагреве от электричества.

Кремниевый биполярный транзистор 2SA1286

Выводы современных транзисторов расположены, как правило, в один ряд. Это удобно, так как плату собирают роботы, и это экономит ресурсы. Выводные контакты также не маркируются на корпусе элемента. Вид вывода определяют по инструкции эксплуатации или после тестовых замеров.

Важно! Для транзисторов применяют сплавы полупроводникового типа с разным строением: PNP или NPN. Их различие заключается в разных знаках напряженности на выводах.

Если брать схематически, то описать этот радиоэлемент можно так: два полупроводника, разделенные дополнительным слоем, который управляет проводимостью триода.

Схема устройства полевых радиоэлементов

Силовые MOSFET: расширяем возможности

24 марта

Эволюция MOSFET происходит по двум направлениям — в сторону увеличения эффективности преобразования энергии и увеличения плотности мощности. Эффективность преобразования определяется уровнем потерь мощности на силовом ключе в процессе работы. Плотность мощности определяется отношением максимального коммутируемого тока, приведенного к корпусу или площади, которую корпус прибора занимает на плате.

Ключевыми параметрами, определяющими эффективность работы MOSFET-транзисторов, являются: сопротивление в открытом состоянии Rds(on), максимальный ток через транзистор Id и заряд затвора Qg. Потери мощности определяются двумя составляющими: статической и динамической. Статические потери обусловлены падением напряжения на сопротивлении открытого канала.

Динамические потери определяются характером переключения, влиянием паразитных составляющих, потерями в цепях управления по затвору.

Повышение плотности мощности определяется усовершенствованием структуры кристалла и технологии корпусирования. Эволюция развития транзистора от планарной до trench-технологии сопровождалась значительным сокращением площади кристалла, что привело к снижению сопротивления канала в открытом состоянии Rds(on).

В свою очередь, уменьшение этого параметра отразилось на снижении потерь мощности и улучшении процесса рассеяния тепла, что позволило производителям повысить плотность мощности. У современных низковольтных MOSFET сопротивление открытого канала составляет менее 1 мОм.

Эти приборы обеспечивают широкий токовый диапазон для различных приложений — от единиц до сотен ампер.

Факторы, определяющие эффективность силовых МОП-транзисторов

Для анализа работы полевых транзисторов существует множество моделей, и, тем не менее, соответствующее описание их работы затруднено. Большинство производителей полевых транзисторов предлагают для своих изделий модели Spice или Saber, но слишком мало говорят о ловушках, подстерегающих разработчика.

Эти модели обеспечивают, как правило, несколько способов разрешения наиболее общих вопросов. Характеристики переключения транзисторов в реальной схеме существенно отличаются от тех, которые рассчитаны производителями по составным моделям.

Причиной этого является недооценка или трудность учета дополнительных факторов, влияющих на поведение мощного МОП-транзистора в реальной схеме.

Кроме структуры и технологического процесса, по которому изготовлен прибор, на работу MOSFET в реальной схеме оказывают влияние и другие факторы:

– паразитные емкости и индуктивности межсоединений;

– топология проводников печатной платы.

При больших токах следует учитывать сопротивление корпуса и печатных дорожек. Медные проводники стандартной печатной платы имеют удельное сопротивление 0,5 мОм на квадрат. В отдельных случаях сопротивление канала MOSFET оказывается ниже сопротивления печатных дорожек.

READ Как подключить в квартире два телевизора

Возможно ли на практике обеспечить прохождение тока с такой плотностью в столь небольшом корпусе? Можно ли добиться того, чтобы сопротивления межсоединений «кристалл — выводы корпуса» и «выводы корпуса — контактные площадки печатной платы» были столь же низки? Необходимо также сохранить высокую частоту переключений транзистора.

Что же на практике ограничивает скорость переключения силовых транзисторов?

Фактически, реальная скорость переключения также зависит от ряда других факторов. Например, от того, насколько быстро происходит управление цепями затвора с учетом паразитной индуктивности.

Для анализа поведения MOSFET в реальной схеме рассмотрим полумостовую схему, которая является наиболее типовой для силовой электроники. В частности, эта схема широко используется в синхронных понижающих конверторах.

Влияние паразитной индуктивности выводов корпуса

Одним из основных паразитных элементов полевого транзистора, усложняющих и ухудшающих динамику переходных процессов в реальных схемах, является паразитная индуктивность выводов полевого транзистора. Она обусловлена двумя составляющими –индуктивностью сварных проволок и индуктивностью металлических выводов рамки транзистора. Величина паразитной индуктивности выводов составляет 5…7 нГн.

Наличие индуктивности в цепи затвора приводит к задержке сигнала управления как при включении, так и при выключении транзистора.

Поскольку оба ключа (верхний и нижний) под управлением драйвера должны переключаться синхронно, то неучтенная задержка включения и выключения может привести к возникновению сквозного тока через мост и выходу из строя силового прибора.

Задержка в сигнале управления увеличивает потери мощности в цепях управления полевого транзистора. На рисунке 2 показана зависимость потери мощности от индуктивности выводов MOSFET в реальной схеме DC/DC-преобразователя со следующими параметрами: входное напряжение — 12 В; выходное — 1,3 В; частота преобразования — 500 кГц; выходной ток — 30 А.

Чем больше потери мощности, тем меньше эффективность преобразования энергии. Наличие индуктивности выводов может также привести к появлению выбросов напряжения. Если эти броски напряжения превысят предельно допустимые значения, прибор выйдет из строя.

Для устранения или уменьшения паразитной индуктивности рекомендуется использовать безвыводные корпуса типа DirectFET, а для уменьшения импеданса межсоединений — оптимальную топологию разводки. В отличие от стандартных корпусов, DirectFET не имеет ни развариваемых проводников, ни рамочных выводов.

Область применения и основной принципы функционирования

В состоянии покоя между коллекторами транзистора нет электрического тока. Его прохождению мешает сопротивляемость переходника, которая возникает из-за одновременной работы двух слоев транзистора. Включить элемент просто: необходимо подать любое напряжение на него. Управление базой и ее токами будет напрямую переключать режимы работы транзистора с «включенного» на «выключенный».

Если же направить сигнал от аналогового источника, то он будет взаимодействовать с выходными токами путем передачи им своей амплитуды. Иначе говоря, электрический сигнал, который поступил на выходы, будет усилен. Полупроводниковые управляющие триоды вполне могут активно работать как электронные ключи или усилители электронных сигналов входа.

Простейшие схемы подключения транзисторов

Схема подключения транзистора для чайников

Наиболее популярны следующие схемы подсоединения транзисторов в цепь: с общей базовой установкой, общими выводами инжекторного эмиттера и с общим коллекторным преобразователем для подачи напряженности.

Для усилителей с базой общего типа характерно следующее:

Схемы второго типа обладают:

Важно! Схема транзистора с электродами общего коллекторного типа требует одного источника питания.

Подключение по типу общего коллектора может обеспечить:

Подключение транзистора для светодиода
Таким образом, транзистор — один из самых распространенных радиоэлементов в электронике. Он позволяет изменять параметры электрического тока и регулировать его для корректной работы электроприборов. Существует несколько видов транзисторов, как и способов их соединения. Различаются они строением и целями использования.

Обозначение на электросхемах

У транзистора есть принятое обозначение: «ВТ» или «Q». После букв нужно указать индекс позиции. Например, ВТ 2. На старых чертежах можно найти условные обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ», которые более не используются. Транзистор рисуют в виде неких отрезков, обозначающих контакты электродов. Иногда их обводят кругом. Направление электротока в области эмиттера указывает специальная стрелка.

Схема работы простейшего радиоэлемента

По принципу действия и строению различают следующие полупроводниковые триоды:

Все они обладают схожим функционалом и отличаются по технологии работы.

Полевые

Такие триоды ещё называют униполярными, из-за их электрических свойств — у них происходит течение тока только одной полярности. Такой тип также подразделяется на некоторые виды по своему строению и типу регулировки:

Важно! Изолированный затвор обладает одной отличительной особенностью — наличием диэлектрического слоя между ним и каналом.

Схема элемента с затвором изолированного типа

Тандемное включение транзисторов (схемы Дарлингтона и Шиклаи)

Довольно часто возникает ситуация, когда необходимого коэффициента усиления одного транзистора не хватает. В этом случае транзисторы соединяют тандемно (то есть выходной ток первого транзистора является входным током для второго). Существует две схемы такого включения: схема Дарлингтона и схема Шиклаи. Отличие заключается лишь в том, что в схеме Дарлингтона используются транзисторы одинакового типа проводимости, а в схеме Шиклаи – разного типа проводимости.

Схема Дарлингтона Схема Шиклаи

Данные пары – это просто два каскада эмиттерного повторителя. Иногда данные составные схемы транзисторов называют «супер-β» пары, так как они функционируют как один транзистор с высоким коэффициентом усиления.

Общий коэффициент передачи тока будет равен:

При использовании данных схем вполне возможна такая ситуация, когда нагрузка уменьшится до нуля (или некоторого минимального значения, близкого к нулю) или при повышении температуры базовый ток транзистора VT1 может стать равным нулю или даже переменить направление за счёт неуправляемого обратного тока коллектора. Во избежание запирания транзистора VT2 его режим следует стабилизировать с помощью резистора R1.

Величину сопротивления R1 можно определить по формуле:

Каскодная схема[править | править код]

Каскодный усилитель на биполярных n-p-n

Основная статья: Каскодный усилитель

Составной транзистор, выполненный по так называемой каскодной схеме, характеризуется тем, что транзистор T1

включен по схеме с общим эмиттером, а транзистор T2

— по схеме с общей базой. Такой составной транзистор эквивалентен одиночному транзистору, включенному по схеме с общим эмиттером, но при этом он имеет гораздо лучшие частотные свойства, высокое выходное сопротивление и больший линейный диапазон, то есть меньше искажает передаваемый сигнал. Так как потенциал коллектора входного транзистора практически не изменяется, это существенно подавляет нежелательное влияние эффекта Миллера и расширяет рабочий диапазон по частоте.

Параллельное включение транзисторов

Современные транзисторы позволяют реализовать электронные схемы расчитаные на широкие диапазоны изменений токов и напряжений, но в отдельных случаях для увеличения допустимой мощности рассеивания применяется параллельное включение транзисторов.

Схема параллельного включения транзисторов

Максимально допустимый ток протекающий через такой составной транзистор равен:

При такой схеме включения транзисторов следует учитывать, что вследствие разброса параметров параллельно включённых транзисторов токи между ними распределяются неравномерно. Большая часть тока будет протекать через транзистор, имеющий больший коэффициент усиления. Рассеиваемые транзисторами мощности можно выровнять включением в их эмиттерные цепи дополнительных симметрирующих резисторов с небольшими сопротивлениями. Так как на практике трудно подбирать такие сопротивление для каждого транзистора, в практических схемах в эмиттеры всех транзисторов ставят резисторы одного сопротивления. Сопротивление симметрирующих резисторов R1 и R2 можно определить по формуле

где n – число параллельно соединенных транзисторов

IK — ток проходящий через коллектор.

Такой способ связан с ухудшением усилительных свойств транзисторов, однако его достоинством является возможность получения мощного силового элемента при использовании относительно маломощных транзисторов.

6.07. Специальные вопросы проектирования сильноточных источников питания

Рис. 6.10. Заземление питания в общей точке («Мекка» заземления).

Линии связей

Для источников питания с большим выходным током или источников прецизионного напряжения следует тщательно продумать линии соединений в самом стабилизаторе и между стабилизатором и его нагрузкой.

Если несколько различных приборов работают в качестве нагрузки одного стабилизатора, то все они должны присоединяться к источнику питания в точке, в которой подключен и датчик выходного напряжения стабилизатора, иначе флуктуации тока в одной из нагрузок повлияют на напряжение, поступающее к остальным нагрузкам (рис. 6.10).

В действительности хорошо иметь, как показано на схеме, общую точку заземления («Мекка») для нестабилизированного питания, опорного источника и т. д.

Проблему падения напряжения в соединительных проводах между источником питания и нагрузкой с большим током иногда можно решить путем вынесения измерительных элементов: клеммы, ведущие обратно к усилителю ошибки и опорному источнику, выводятся отдельно на клеммную колодку источника питания и могут или присоединяться к выходам стабилизированного напряжения прямо на этом месте (обычный способ), или от них могут быть проложены шины дальше и присоединены к нагрузке рядом с выводами напряжения питания (этот способ требует наличия четерых проводов, два из которых должны быть расчитаны на большие токи нагрузки). У большинства серийных источников питания имеется перемычка на задней стенке, соединяющей измерительные входы стабилизатора с его выходом, которую можно убрать для «вынесения» измерительных входов. Аналогично включаются четырехпроводные резисторы для измерения тока нагрузки при построении источников питания с точно удерживаемым постоянным значением тока в нагрузке. Более подробно об этом описано в разд. 6.24.

Параллельное включение проходных транзисторов

Если от источника питания требуются большие значения выходного тока, то приходится применять несколько проходных транзисторов, соединенных параллельно. При этом из-за разброса параметра приходится последовательно с эмиттером каждого из них ставить небольшой резистор, как показано на рис. 6.11. Эти резисторы приблизительно одинаково распределяют ток между проходными транзисторами.

Значение R выбирается таким, чтобы падение напряжения на резисторе было при максимальном значении выходного тока. Мощные ПТ могут быть соединены параллельно без дополнительных элементов благодаря отрицательному наклону зависимости их тока стока от температуры (рис. 3.13).

READ Как подключить к сети wifi принтер epson l366

Рис. 6.11. Применение «балластных» эмиттерных резисторов при параллельном включении мощных биполярных транзисторов.

Область безопасной работы (ОБР)

Последнее замечание о мощных транзисторах: явление, известное как «лавинный пробой», ограничивает одновременно и ток, и напряжение, которое может быть приложено к любому конкретному транзистору, поэтому изготовителем указывается область безопасной работы (это совокупность диапазонов безопасных напряжений при данном токе в зависимости от времени его протекания).

Рис. 6.12. Область безопасной работы мощного биполярного транзистора (с разрешения Motorola, сечением выводов; ограничение (отдельные импульсы); ограничение лавинного пробоя.

Обратите внимание на то, что МОП-транзистор не подвержен лавинному пробою; его ОБР ограничена максимально допустимым током (ограничение вносит сечение проводников, а их сопротивление для коротких импульсов тока выше, чем на постоянном токе), допустимой мощностью рассеяния и максимально допустимым напряжением затвор-исток.

Более подробно об этом сказано в гл. 3, там где рассматриваются мощные транзисторы.

Источник