Общие сведения из теории

В настоящее время в области коммутируемых токов до 50 А и напряжений до 500 В еще используются силовые ключи на биполярных транзисторах
(рис. 2.1, д), уступающие место идущим на смену им полевым транзисторам
с индуцированным затвором (MOSFET, рис. 2.1, е). Нишу силовых высоковольтных ключей с большими уровнями токов и напряжениями до 5 кВ заняли биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT, рис. 2.1, ж).
В замкнутом состоянии транзисторы находятся в режиме насыщения и пропускают токи с малыми потерями напряжения. В разомкнутом состоянии транзисторы находятся в режиме отсечки тока и имеют практически бесконечное сопротивление.

Силовые транзисторные ключи обычно характеризуются набором статических, предельно допустимых и динамических параметров. К статическим параметрам относятся остаточное напряжение в замкнутом состоянии и сопротивление в режиме насыщения для биполярных и IGBT-транзи­с­то­ров, сопротивление сток-исток в открытом состоянии для MOSFET- транзисторов. В качестве предельно допустимых параметров в паспортных данных на транзисторы приводятся следующие: максимальный ток коллектора и ток стока в проводящем состоянии, максимальное напряжение коллектор-эмиттер и напряжение сток-исток в непроводящем состоянии, максимальное значение мощности рассеяния на коллекторе и стоке при
заданной температуре корпуса и др. К динамическим параметрам силовых транзисторных ключей относятся параметры их инерционности, характеризующие длительность этапов переключения в ключе с резистивной нагруз­кой: – время задержки включения, – время нарастания тока, – время рассасывания для биполярных транзисторов, – время задержки выключения для MOSFET- и IGBT-транзисторов и – время спада тока.

Потери мощности в транзисторных ключах складываются из потерь
в проводящем состоянии и динамических потерь , возникающих на этапе коммутации. При работе транзисторного ключа в режиме периодической коммутации тока I потери проводимости можно рассчитать как

, (3.1)

где – отношение продолжительности проводящего состояния транзисторного ключа к периоду его коммутации; – остаточное напряжение на проводящем транзисторе; – сопротивление ключа в замкнутом положении. Коммутационные потери мощности в транзисторе определяются выражением [2]

, (3.2)

где – частота коммутации транзистора.

Силовые ключи на биполярных транзисторах(рис. 2.1, д)являются коммутаторами с токовым управлением. При подаче в базу транзистора прямоугольного импульса тока с крутым фронтом и с амплитудой

,(3.3)

где – коэффициент усиления тока базы; – степень насыщения (обычно составляет 2…3), ток коллектора достигает установившегося значения не сразу, а после некоторого времени задержки , спустя время нарастания тока . Таким образом, время включения

(3.4)

При выключении транзистора на его базу подается обратное напряжение, и после времени рассасывания неосновных носителей происходит спад тока коллектора в течение времени . Таким образом, время выключения

= . (3.5)

Силовые ключи на биполярных транзисторах можно разделить на низковольтные и высоковольтные. Особенностью высоковольтных ключей является эффект динамического насыщения, затягивающий процесс включения, и низкий коэффициент усиления – от нескольких единиц. Поэтому высоковольтные ключи выпускаются составными (по схеме Дарлингтона), а также в виде модулей [3]: последовательно соединенные сборки, мостовые и полумостовые схемы на диапазон токов до 600 А и напряжений до 1200 В (табл. 3.1).

Таблица 3.1