Главная Источники вторичного электропитания - часть 1



Иногда в схемах мощных преобразователей первая структура используется как импульсный предусилитель, выходное напряжение которого управляет транзисторами основного преобразователя. Двухтактные регулируемые преобразователи допускают включение дросселя со стороны источника питания (рис. 3.34). Накопление энергии в дросселе L происходит во время открытого состояния одновременно двух силовых транзисторов. После того - как один из

+ 0-

- о-

□П

Рис. 3.34. Схема стабилизирующего преобразователя напряжения с дросселем, включенным со стороны источника питания

них закроется (например, Tj), происходит передача энергии в выходной конденсатор через обмотку W\ трансформатора. Во время закрытого состояния транзисторов ток дросселя замыкается через диод Ц\. Далее открываются оба транзистора, и начинается процесс накопления энергии в дросселе, роли транзисторов меняются, и во время закрытого состояния транзистора Ti энергия в нагрузку передается через об.мотку W2 и открытый транзистор Гг. После паузы цикл повторяется.

К двухтактным схемам относятся также мостовые и полумостовые схемы транзисторных нреобразователен, которые чаще используются при повыщенных напряжениях питания, поэтому особенности таких преобразователей будут описаны ниже при рассмотрении устройств этого класса.

Стабилизирующие преобразователи напряжения представляют собой более сложный класс устройств по сравнению с импульсными стабилизаторами. Тем не менее электрические процессы и энергетические соотношения в силовых цепях этих устройств по своей физической сущности не отличаются от описанных в § 3.2. Поэтому расчет стабилизирующих преобразователей проводится в той же последовательности и с использованием тех же формул. Основная особенность расчета заключается в учете трансформаторной связи и коррекции соответствующих формул.

3.4. Силовые транзисторные каскады импульсных преобразователей

Вольт-амперные характеристики транзистора, работающего в режиме переключения, близки к характеристикам идеального ключа. Для уменьшения потерь в силовом транзисторе импульсного ИВЭП необходимо обеспечить достаточно малое остаточное напряжение U.a в открытом транзисторе; создать надежный режим отсечки; сформировать надлежащим образом процесс переключения. 98

Для уменьшения потерь в открытом транзисторе он должен находиться в релиме насыщения или близком к нему. Состояние насыщения транзистора характеризуется двумя признаками:

г/к.б>0; г/б.э>0,

т. е. оба перехода смещены в прямом направлении (в граничном режиме /к.б = 0), и

/к.макс ~ 21 8 б.нас Jн.макс ~ ~Z~ •

Т. е. ток коллектора транзистора, обусловленный режимом базовой цепи, будет больше тока нагрузки, определенного ее сопротивлением.

Так как значение коллекторного тока в области насыщения близко к максимальному току нагрузки и в то же время мало отличается от /к=/г21э/б Для граничного состояния, можно пользоваться удобной для расчетов приближенной формулой

/к.макс = /к.нас ~ 21э б*

Глубина насыщения транзистора характеризуется коэффициентом насыщения

б.нас

нас

В граничном режиме /Снас=1.

Увеличение К нас практически не влияет на значение /н.макс но заметно уменьшает напряжение i/к.э, что приводит к уменьшению мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора Рт нас = = /н.макс/к.э, и к увеличению мощности, рассеиваемой в базовой цепи транзистора. Поэтому существует некоторое значение /Снас, при котором в насыщенном транзисторе рассеиваемая мощность будет минимальной. Обычно это значение лежит в пределах 1,5-2.

Силовой транзистор выбирается после расчета его максимально возможного тока, определяемого режимом реактивных элементов ИВЭП в соответствии с неравенством /к.доп>/к.макс, и проверки выбранного транзистора по допустимому значению напряжения бк.э.макс

По минимальному справочному значению коэффициента передачи для выбранного транзистора и выбранного коэффициента насыщения определяется необходимый ток базы открытого транзистора

/к. нас -К)

к.макс

Для насыщенного состояния /б.э.нас-б.э (рис. 3.35). Напряжение бб.э определяется при /б.гр=/к.макс/Я21э во входной харак-



теристике. По напряжению насыщающего источника (3-5 В) определяется сопротивление цепи насыщения

насн б-э.нас (нас-и б.э-нас) 21э.мин

/?б.нас -

б.нас

Н.Макс нас

II

\ *

(1 э.б. нас

Рис. 3.35. Входные характеристики насыщенного транзистора

Рис. 3.36. Желательная форма тока базы транзистора для уменьщения времени его переключения

В запертом состоянии транзистора его переходы должны быть смещены в обратном направлении, а ток базы должен быть равен максимально возможному /0 • При заданном напряжении запирающего источника и напряжению f/б.э.отс определяется со-противление в цепи запирания транзистора

б.зап -

зап.и б.э.отс

Современные кремниевые транзисторы допускают «пассивное» запирание. При «пассивном» запирании транзистора сопротивление между базой и эмиттером не должно быть больше указанного в справочниках.

Частотные свойства транзистора определяют динамические потери при его переключении. Транзистор может быть охарактери-.зован постоянной времени

где ifa - граничная частота передачи тока транзистора в схеме с общей базой.

При включении транзистора и изменении тока базы на А/б коллекторный ток возрастает по экспоненциальному закону

При отключении транзистора и изменении тока базы на А/б.о1 ток коллектора изменяется по закону

к.откл (О (нас + -зап) 21э б.откл 6 -/Сздц hi g А /д.

откл>

где /Саап - коэффициент избыточности тока базы при запирании. 400

Из этих уравнений можно получить: время включения транзистора

/Снас

Такл = Т 1п

/Снас- 1

время рассасывания избыточных носителей в области базы

Янас + /Сзап .

7рас = 1П

Время отключения

/Сзап + 1

Для уменьшения времен переключения и рассасывания желательна форма тока базы, показанная на рис. 3.36. Ток базы для форсированного включения и отключения может быть сформирован в схеме на рис. 3.37.


Рис. 3.37. Схема для получения базового тока, форсирующего переключение транзистора

Рис. 3.38. Схема включения транзисторов для измерения тока эмиттера при С/к.э=/э.б

Параллельное включение транзисторов. Если транзисторы используются в активной области, для обеспечения заданной равномерности распределения коллекторных токов рекомендуются два способа:

подбор транзисторов по статической крутизне характеристики вход -выход SIJUq.s при одинаковом напряжении коллектор- эмиттер;

включение в цепь эмиттера каждого транзистора отдельного резистора.

При подборе транзисторов отношение коллекторных токов пропорционально крутизне, т. е.

A/„ „ = A5/S. .

Эмиттерные резисторы должны иметь одинаковые сопротивления для каждого транзистора:

Д5 / /к 5 \

тока

S(S-f Д5) V А/к AS . Пример. Транзисторы имеют крутизну 5-8 А/В; требуется пи-лучить А/к=0,2 А при среднем значении коллекторного /к = 2 А. Требуемое значение

3 / 2 5

5-8\0.2 3

- - )=0,625 Ом.



Если транзисторы находятся в насыщенном состоянии, то для обеспечения заданной равномерности распределения коллекторных токов и рассеиваемых мощностей рекомендуются также два способа:

подбор транзисторов по коллекторному току в определенном режиме;

включение в цепь эмиттера каждого транзистора отдельного резистора.

Для подбора транзисторов можно рекомендовать схему на рис. 3.38. При заданном напряжении /к.э= б.э=const разброс токов коллекторов отбираемых транзисторов определяется непосредственными измерениями. Этот режим измерений выгодно отличается тем, что измерения тока производятся при одинаковых напряжениях i/к.э и i/б.э, т. е. именно в-тех режимах, в которых они будут работать, включенные параллельно. Базовые токи специально не контролируются и не устанавливаются. Из различных возможных соотношений между и.э и бб.э выбрано равенство этих напряжений, что гарантирует насыщенное состояние транзисторов и предельно упрощает схему измерений.

Отдельные эмиттерные резисторы должны иметь оптимальное сопротивление, одикаковое для всех параллельно включаемых транзисторов:

вых.мин \вых.макс

Минимальное и максимальное выходные сопротивления определяются по результатам измерения параметров партии транзисторов в режиме /к.э=/б.э при одинаковом заданном коллекторном токе.

Параллельное соединение большого количества транзисторов позволяет осуществить метод глубокого секционирования [18]. Этот метод заключается в том, что каждый из параллельно соединенных транзисторов (или группы транзисторов) снабжается калиброванными предохранителями в цепях базы и эмиттера. При пробое транзистора ток, во много раз больший номинального, сжигает предохранители и поврежденный транзистор или группа транзисторов быстро отключаются.

Необходимым условием реализации достоинств глубокого секционирования является большое количество транзисторов (или групп) для того, чтобы ток (особенно базовый) в аварийном режиме во много раз превышал номинальный для одного транзистора. В простейшем случае этот метод осуществляется путем параллельного соединения без предохранителей нескольких сотен транзисторов.

Требуемая точность распределения рассеиваемых мощностей между параллельно включенными транзисторами, не имеющими теплообмена между собой и находящимися в одинаковых условиях теплоотвода, определяется из выражения

АРр/Рр = АГ,/(Г„-Г,р),

где Ти - расчетная температура переходов; АГп - допустимое отклонение температуры переходов; Гер - температура окружающей среды.

Токораспределение при отпирании транзисторов происходит достаточно равномерно и обычно не вызывает опасных явлений, так как транзисторы находятся в активной области и токи распределяются пропорционально крутизне их характеристик.

При запирании параллельно включенных транзисторов (особенно высоковольтных) процесс рассасывания в них идет с разной скоростью. Это приводит к тому, что транзистор с большим временем рассасывания и временем спада нагружается в процессе отключения сильнее остальных параллельно включенных. Для ослабления этого явления рекомендуется не вводить транзисторы в состояние глубокого насыщения и не применять параллельное включение составных структур.

Для выравнивания времен рассасывания параллельно включенных транзисторов рекомендуется не включать отдельные резисторы в базовые цепи транзисторов, так как их сопротивления препятствуют обмену зарядами в базах транзисторов. Все проблемы рассасывания отсутствуют, если транзисторы в проводящем состоянии не насыщены. Для уменьшения динамических перегрузок отдельных транзисторов в насыщенном ключе необходимо поддержать естественный процесс обмена избыточными зарядами вплоть до окончания рассасывания во всех транзисторах. Это можно сделать, если на время рассасывания включать в базовые или эмиттерные цепи дополнительные источники напряжения, обеспечивающие протекание уравнительных базовых токов, несмотря на увеличение внутренних базовых сопротивлений. Роль источников могут выполнять малогабаритные дроссели с одинаковыми индуктивностями, включенные в эмиттерные цепи транзисторов (рис. 3.39).

Диоды Дг, Д4 уменьшают влияние отрицательной обратной связи, вносимой дросселями, на длительность фронтов, ограничивая ее на требуемом уровне. Практически при использовании транзисторов типов КТ704, КТ809, КТ808, КТ908 и аналогичных им необходимая индуктивность дросселей составляет 1-5 мкГн.

Ключ на составных транзисторах. Схемы составных транзисторов применяются для увеличения суммарного усиления тока, что позволяет уменьшить мощность в цепи управления силовым ключом. Однако при этом обязательно увеличиваются падение напряжения в выходной цепи транзистора и, следовательно, мощность, рассеиваемая в ней. Суммарные потери в выходной цепи ключа и в цепи управления минимальны при некотором значении тока управления.

На рис. 3.40 изображена схема .на двух транзисторах одинаковой структуры. При {/«.61 = 0 напряжение K.32=f/6.3i-f 1/б.э2, для кремниевых транзисторов Ук.э2= 1,44-1,6 В. В этом режиме коэффициент передачи тока первого транзистора определяется из условия Ук.б1=0, а для второго транзистора к.б2=0,7-=-0,8 В. Увеличением тока базы первого транзистора, т. е, более



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 [16] 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46


0.015