Мощные транзисторные ключи

В современных устройствах автоматики сигнал, получаемый от цифрового устройства (микропроцессора, микроконтроллера), часто с помощью ключа управляет внешним исполнительным устройством. Идеальный ключ должен обладать следующими свой­ствами: при нулевой мощности управ­ления он должен мгновенно переклю­чать бесконечно большие токи и бло­кировать бесконечно большие напря­жения, иметь нулевые остаточное напряжение и ток утечки. Очевидно, что реальные ключевые приборы мо­гут лишь в той или иной степени приближаться к «идеальным».

Достаточно длительный период ве­дущее положение среди силовых клю­чей занимали полупроводниковые при­боры с биполярным механизмом про­водимости и инжекционным управле­нием: биполярные транзисторы, тиристоры и семисторы. Их глав­ными недостатками были большое по­требление мощности по цепи управле­ния и относительно невысокое быстродействие. В то же время, эти ключи имели весьма малые потери мощности в открытом состоянии и невысокую стоимость.

Новые перспективы с точки зрения совершенствования парамет­ров ключа открыло создание мощных МОП-транзисторов. Дан­ные приборы, имея униполярную проводимость и полевое управление, обладают большим быст­родействием и требуют значительно меньшую мощность управления по сравнению с биполярными аналогами. Однако, при рабо­чих напряжениях более 500 В, вслед­ствие униполярного механизма токопереноса, МОП-транзисторы обладают большим остаточным напряже­нием в проводящем состоянии, уве­личивающим мощность статических потерь.

Компромиссным техническим ре­шением, позволившим объединить по­ложительные свойства как биполяр­ных, так и МОП-транзисторов, стало создание так называемых комби­нированных транзисторов в монолитном исполнении IGBT (входные характеристики МОП транзистора, а выходные –биполярного). Являясь по сути всего лишь одним из возможных вариантов исполнения комбинированного ключа, IGBT в настоящее время практически пол­ностью вытеснили все остальные ти­пы ключей в диапазоне мощностей от единиц до тысяч кВА. В частности, во всех новых разработках преобра­зователей частоты для регулируемого электропривода переменного тока ис­пользуются исключительно IGBT.

В различных схемах довольно часто применяются транзисторные ключи на биполярных транзисторах, которые управляются логическими сигналами без дополнительных резисторов, получившие название цифровые транзисторы (digital transistors). Стоимость таких транзисторов не превышает стоимости обычных транзисторов с аналогичными пре­дельными параметрами. Цифровой транзистор внутри кор­пуса содержит два резистора (рис 2.3в), что позволяет управлять такими транзисторами непосредственно от ТТЛ или КМОП логических уровней. По сути, такой транзистор представляет собой инвертор с открытым коллектором. Внутренние резисторы являются тонкопленоч­ными, полностью изолированными. Это позволяет подавать на вход напряжение любой полярно­сти без появления каких-либо побочных эффектов. Выпускаются цифровые транзисторы разного типа проводимости p-n-p и n-p-n, с различными предельными значениями коллекторных токов и напряжений, что позволяет коммутировать различную нагрузку непосредственно от микроконтроллеров и цифровых ИС.