Основные типы полупроводниковых ключей
Исторически сложилось, что в большинстве схем источников питания, в качестве ключевого элемента (или проходного транзистора в линейном стабилизаторе) использовался биполярный транзистор. По современным стандартам такие транзисторы не отличаются высоким быстродействием. Но у структур n-p-n и p-n-p есть большой плюс – дешевизна.
В последнее время широкое распространение в импульсных источниках питания получили мощные МОП – транзисторы (или mosfet, или полевые транзисторы с изолированным затвором). Эти полевые транзисторы характеризуются достаточно высокой скоростью переключения. N- канальные приборы имеют более низкую стоимость по сравнению с Р — канальными приборами, зато с последними можно использовать более простые схемы управления.
Несмотря на то, что мощный полевой транзистор с изолированным затвором все же вытесняет биполярный из схемотехнических решений импульсных источников питания, дискуссии о том, какой же прибор лучше в данном применении ведутся и сегодня. Сводятся дискуссии к следующему:
- биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с токовым управлением. Для того, чтобы перевести в режим насыщения (транзистор открыт) и поддерживать его в этом состоянии, необходим базовый ток. МОП-транзистор – полупроводниковый прибор с потенциальным управлением. Для того, чтобы открыть МОП-транзистор, необходимо приложить потенциал к затвору (вспомним, что затвор изолирован от p-n перехода). Следовательно, предпочтительнее использовать МОП-структуры;
- требования к управлению биполярным транзистором могут фактически оказаться легче осуществить во многих случаях. Например, для открывания биполярного транзистора структуры n-p-n, необходимо, чтобы потенциал на его базе превышал потенциал эмиттера на 0,8 В. В тоже время для N-канальной МОП-структуры, необходимо прикладывать потенциал на несколько вольт превышающий потенциал истока. Следовательно, предпочтительнее использовать биполярный транзистор.
- основное преимущество биполярных транзисторов, используемых в качестве силовых ключей, является следствием их низкого быстродействия. Спектр электромагнитного излучения «биполяров» значительно уже, чем МОП-транзисторов.
- в мощных источниках питания, когда необходимо получить высокое значение выходного тока преимущество отдается биполярным транзисторам. Это связано с тем, что в одинаковых условиях, потери мощности будут выше на МОП-структуре.
В 80-х годах прошлого столетия был создан комбинированный полупроводниковый прибор в состав которого входила управляющая МОП-структура и биполярный выходной каскад. Этот прибор получил название – биполярный транзистор с изолированным затвором (insulated gate bipolar transistor) или IGBT – транзистор.
В открытом состоянии, последовательное сопротивление IGBT – транзистора значительно меньше, чем у транзистора, выполненного на МОП-структуре, а скорость переключения превосходит скорость переключения биполярных транзисторов для аналогичных применений. Схемотехника IGBT сегодня получила большое распространение (наряду с биполярным транзистором) в мощных импульсных преобразователях.
Полупроводниковые силовые ключи далеки от идеала
Несмотря на все их преимущества полупроводниковых силовых ключей, они, конечно по своим характеристикам, далеки от «идеального» переключателя. Мы упоминали, что применение любого типа полупроводникового прибора, используемого в качестве силового ключа, приводит к потере мощности.
Так например, в отличии от механического выключателя, маленькая, но вполне измеряемая величина тока утечки, когда полупроводниковый прибор находится в режиме отсечки (ключ разомкнут) приводит к потери мощности.
В режиме насыщения (ключ замкнут), происходят потери мощности при протекании прямого тока через прибор.
В режиме переключения, когда полупроводниковый прибор переходит из одного состояния в другое, также имеет место потери мощности (длительность переходного процесса при переключении имеет определенные значения, т. е. не равна 0).
В конечном итоге, при разработке импульсного источника питания, необходимо свести к минимуму три вида упомянутых потерь и тем самым добиться максимального КПД. Однако разработка импульсного источника питания представляет собой набор компромиссов. Например, при выборе силового ключа, мы останавливаемся на транзисторе с малым падением напряжения и добиваемся сверх малых потерь мощности в режиме насыщения. Казалось, такой выбор, бесспорно, приведет к выигрышу эффективности. Однако большие потер, обусловленные «медленностью» выбранного транзистора (большие потери при переключении) не позволят получить предполагаемую эффективность.
При серийном производстве, важнейшим критерием при проектировании, является себестоимость изделия. И достаточно часто, для серийного изделия, предпочтение отдается более дешевому устройству, несмотря на его не самые высокие параметры.
Подводя черту, необходимо сказать, что выбор конкретного схемотехнического решения и элементной базы, целиком лежит на разработчике. Именно инженер, основываясь на своем опыте, принимает то или иное решение.
