СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННО-РЕАКТИВНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Режимы работы транзисторов инвертора

При разработке преобразователей частоты в качестве комму­тирующих элементов используются мощные транзисторы, работаю­щие в режиме переключений. Этот режим работы транзисторов об­ладает рядом специфических особенностей, определяющих величину рассеиваемой в них мощности, которую необходимо правильно оце­нить с целью обеспечения надежной работы преобразователя ча­стоты.

В настоящее время режимы переключений мощных транзисто­ров достаточно изучены [Л. 31; 36; 43]. Предварительно напомним лишь основные положения, которые необходимо учитывать при разработке мощных переключающих устройств.

Транзисторы, работающие в качестве усилителей, в энергети­ческом отношении выгодно использовать в ключевом режиме, при котором транзистор находится либо в состоянии отсечки, либо в состоянии насыщения. Эти состояния транзистора характеризуют­ся минимальной рассеиваемой в нем мощностью.

Аналитические выражения, на основании которых определяются токи коллектора, эмиттера и базы [JI. 53], справедливы лишь при работе транзистора с малыми плотностями тока эмиттера и при малых значениях сопротивлений областей коллектора, эмиттера и базы, т е. когда параметры транзистора практически неизменны.

Анализируя работу транзистора в режиме больших сигналов, следует учитывать изменение его параметров в зависимости от по­ложения рабочей точки, которая перемещается из области отсечки в область насыщения. Поэтому на практике обычно пользуются входными и выходными характеристиками транзистора, получен­ными экспериментальным путем.

При работе транзистора в режиме ключа целесообразно приме­нять схему с общим эмиттером, которая отличается от остальных схем включения более высоким коэффициентом усиления по мощ­ности.

Рассмотрим работу транзистора, включенного по схеме с об­щим эмиттером, в режиме непрерывно открываемого и закрывае­мого ключа (импульсное управление) при активной и активно-ин­дуктивной нагрузке в цепи коллектора.

На рис. 23 представлена схема ключа с активной нагрузкой. На рисунке обозначено - С/п — напряжение источника питания, /у — ток управления, /б з — запирающий ток в цепи базы, ія — ток в цепи нагрузки, RH — сопротивление нагрузки.

На рис. 24 приведено семейство выходных характеристик тран­зистора, включенного по схеме с общим эмиттером, и нанесена ли­ния нагрузки 1—2. Положение точки 1 в области отсечки жела­тельно выбирать на характеристике при напряжении база — эмиттер больше нуля (Uб_э>0), т. е. при положительном смещении на базе по отношению к эмиттеру. При этом ток коллектора /к практи­чески равен обратному току коллекторного перехода, т. е току в цепи коллектор бата при отключенном эмиттере /ко, а величина допустимого напряжения коллектор — эмиттер UK-э й схеме с общим эмиттером приближается к величине допустимого напряжения в схеме с общей базой. В области отсечки напряжение коллек­тор — эмиттер практически равняется напряжению источника пи­тания.

При работе транзистора в режиме переключения в момент по­дачи на базу отрицательного напряжения происходит переброс ра­бочей точки из области отсечки (из точки 1) через активную зону в область насыщения (в точку 2) по линии нагрузки 1—2. При этом положение рабочей точки будет находиться на перегибе ха­рактеристики /к = /(*/к-в) при токе базы /6=COnst. При положении рабочей точки на перегибе характеристики (положение 2) напряже­ние коллектор — эми-гтер равно напряжению база — эмиттер, а на­пряжение база — коллектор равно нулю. При этом минимальная величина тока базы, необходимая для перевода транзистора в ре­жим насыщения, будет равна /б мин=/к/Р, где Р— величина ко­эффициента усиления транзистора по току в схеме с общим эмит­тером, определенная в точке 2

Дальнейшее увеличение тока базы, т. е наличие избыточного тока базы, практически не приводит к изменению тока коллектора. Однако напряжение коллектор — эмиттер несколько уменьшается, благодаря чему снижается мощность, рассеиваемая в транзисторе. В то же время наличие избыточного тока базы обеспечивает ра­боту транзистора в ключевом режиме (даже с учетом разброса ве­личины Р).

В области насыщения напряжение коллектор — эмиттер не пре­вышает долей вольта, а максимальный ток коллектора практически равен IK = Un/RB.

При работе транзистора в режиме переключений суммарная мощность потерь в нем может быть определена как

PsT= Р61 + Рб2 + Рб. д“+ рк1 + Рк2 + РК. д’ (15°)

где Р61, и Р62 — мощность потерь во входной цепи соответственно в режимах отсечки и насыщения; Рк, Рк2— мощность потерь в цепи коллектора соответственно в режимах отсечки и насыщения; Рб. д, Рк д — дополнительная мощность, рассеиваемая в цепях базы и коллектора, связанная с прохождением рабочей точки че­рез активную область.

При определении суммарных потерь по уравнению (150) можно пренебречь членами Рб і и Рб д ввиду их малости Значения Рк и Р*г с достаточной точностью определяются по выходным характе­ристикам транзистора, а значение Р62 — по входной характеристике.

Дополнительная мощность рассеяния, обусловленная временем пребывания рабочей точки в активной области, определяется ча­стотными свойствами транзистора, крутизной фронта и спада уп­равляющего импульса, величиной избыточного тока базы и нали­чием запирающего смещения на базе транзистора.

Известно [Л. 43; 551, что

р =U, Ll±!sl/=:P (151)

к. д к—э1 к g J н макс g J ’

где Рн макс—максимальная мгновенная мощность нагрузки, Тн, Тс — времена нарастания и спада тока коллектора при воздействии прямоугольного управляющего импульса; f — частота переключений транзистора.

Как видно из выражения (151), величина мощности Рк д при работе на активную нагрузку зависит от времени нарастания и спада тока в цепи коллектора и не зависит от величины скваж­ности управляющих импульсов.

Значения Тя и Тс могут быть определены по аналитическим выражениям, полученным в работе {Л. 55] в предположении, что параметры транзистора неизменны з данном рабочем диапазоне, а также при наличии импульса управления идеально прямоуголь­ной формы и при пренебрежении величиной емкости коллектора. Учитывая, что в реальных условиях параметры транзистора не яв­ляются неизменными 'в рабочем диапазоне и управляющие им­пульсы не имеют идеально прямоугольной формы, время нарастания и спада тока коллектора целесообразно находить непосредственно путем осциллографирования переходных процессов, происходящих при переключении транзистора. Следует отметить, что время нара­стания и спада определяется как время, в течение которого выход­ной ток достигает соответственно значения 0,9 (при нарастании) ИЛИ 0,1 (при спаде) установившейся величины /к макс.

Коэффициент использования мощного транзистора &и, равный отношению максимальной МОЩНОСТИ Рн макс, выделяемой в на­грузке, к суммарной мощности РБ, теряемой в транзисторе, в ре­жиме переключения с частотой до 1000 гц довольно высок и до­стигает нескольких десятков, в то время как в усилительном режиме даже при синусоидальном напряжении питания его макси­мальное значение не превышает четырех

Увеличение коэффициента использования за счет увеличения из­быточного тока базы, т. е. работа транзистора в режиме минималь­ной рассеиваемой мощности [Л. 39], ведет к уменьшению коэффи­циента усиления каскада по мощности. Поэтому работа с высоким значением коэффициента использования транзистора может быть осуществлена при наличии достаточно мощного сигнала управления.

Рассмотрим переходные процессы, происходящие в транзисторе при работе его в ключевом режиме на чисто активную нагрузку.

Предположим, что ток базы транзистора изменился скачкооб­разно до величины /б мин, тогда ток коллектора будет нарастать по экспоненциальному закону с постоянной времени [где Р = а/(1—а) —коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером, определенный на границе режима насыщения, т. е. при UK~6 = 0, а — коэффициент усиления по току в схеме с общей ба­зой; fa —частота, при которой коэффициент усиления по току со ставляет 0,707 значения, определенного при нулевой частоте.

На осциллограмме (рис. 25, а) представлен процесс на­растания и спада тока коллек­тора ік в транзисторе типа П210А при скачкообразном из­менении тока управляющего импульса /у от нуля до вели­крытия, а также для сокращения времени рассасывания применяют форсированное закрытие. В цепь базы подается импульс тока /б з (см. рис. 23) положительной полярности от источника положи­тельного запирающего напряжения.

Осциллограмма (рис. 25, в) иллюстрирует процесс форсирован­ного открытия и закрытия транзистора. При этом время закрытия не превышает 20 мксек. На рис. 26 приведена осциллограмма изме­нения тока базы і б транзистора в этом режиме (при подаче тока управляющего импульса /у).

Увеличение кратности k2 [k2=$h з//к ъ, где /Кн—ток насыще­ния коллектора) запирающего тока /б з приводит к снижению вре-

мени рассасывания и ускоряет процесс закрытия транзистора [J1. 57], однако при этом возрастает мощность управляющего им­пульса и снижается коэффициент усиления каскада. Поэтому вы­бор величины кратности запирающего тока (как и отпирающего) необходимо обосновывать в каждом конкретном случае отдельно с учетом коэффициента усиления каскада, частоты переключения и других факторов.

Учитывая, что наиболее распространенным видом нагрузки яв­ляется активно-индуктивная, рассмотрим работу транзисторного ключа с такой нагрузкой при питании его от источника напряже­ния (рис 27).

Предположим, что на базу транзистора подано отпирающее прямоугольное напряжение. В этом случае рабочая точка из поло­жения 1 (рис. 28) области отсечки за время открытия транзистора Тн переместится в точку 2, лежащую на прямой 0—3. Далее, ра­бочая точка будет перемещаться по мере нарастания тока коллек­тора по закону

где /к макс—установившееся значение тока; х=Ьи/Яв — постоян­ная времени нагрузки, по прямой 0—3 в точку 3.

При исчезновении управляющего импульса, как только мгно­венное значение тока коллектора станет несколько меньше

Мощность рассеяния в цепи базы Рбг и коллектора Рк1 опре­деляется так же, как и для случая активной нагрузки.

Принимая во внимание, что напряжение UK-g и ток ік изме­няются по экспоненциальным законам, получаем

/ То-2*[і_е ■* j f *

2

Так как при переходе рабочей точки из положения 1 в поло­жение 2 (см. рис. 28) ток коллектора гк практически не успеет на­расти, можно пренебречь величиной мощности, рассеиваемой кол­лектором при открытии транзистора.

Мощность, рассеиваемая при закрытии транзистора, будет равна

Рк д = Ук_,/к^/-Р„.макС-^/- <156)

В случае, если время паузы между управляющими импульсами меньше времени спада тока нагрузки до нуля, т. е. Тя<Зт, то про­цессы при переключении транзистора будут несколько отличаться от рассмотренных выше.

Предположим, что на базу транзистора непрерывно поступают отпирающие импульсы со скважностью менее трех постоянных времени цепи нагрузки. Тогда в нагрузке установится ток ін, форма

которого представлена на осциллограмме (рис. 31). При этом мак­симальное и минимальное значения токов коллектора будут соответ­ственно /д 1 И /к2-

Рассмотрим траекторию движения рабочей точки и для этого обратимся к рис. 29. Предположим, что перед началом очередного импульса рабочая точка транзистора находится в области отсечки, т. е. в положении 1. Следует отметить, что положение рабочей точки в области отсечки (при непрерывном токе нагрузки) нахо­дится несколько правее точки Uu, так как напряжение на коллек­торе транзистора несколько превышает напряжение источника пи­тания за счет падения напряжения на шунтирующем диоде (по­рядка 0,5 в). При открытии транзистора очередным импульсом /у ток коллектора ік за время Тв, определяемое частотными свойст­вами транзистора и скоростью нарастания фронта управляющего импульса тока базы, увеличится до значения /щ, а рабочая точка транзистора переместится по линии 1—5 в точку 5.

По мере нарастания тока коллектора диод будет закрываться. При этом напряжение на коллекторе будет снижаться до величины напряжения источника питания (см. рис. 32). Поскольку диод не обладает идеальными частотными свойствами (т. е. ему необходимо время для рассасывания заряда), в результате протекания тока че­рез диод в обратном направлении появляется выброс тока кол­лектора, при этом рабочая точка перемещается в положение 6.

Далее, по мере восстановления запирающих свойств диода на­пряжение на коллекторе резко падает до величины остаточного напряжения при насыщении и, следовательно, рабочая точка пере­брасывается в положение 7. Величина тока коллектора будет равна /кі. После этого происходит процесс нарастания тока коллектора по экспоненциальному закону до величины 1к2 с постоянной времени, определяемой параметрами нагрузки, и рабочая точка переме­щается в положение 8.

После исчезновения управляющего импульса и по прошествии времени, необходимого для рассасывания неосновных носителей в базе транзистора, ток коллектора начинает уменьшаться. Незна­чительное изменение тока коллектора вызывает изменение знака э. д. с. самоиндукции, и шунтирующий диод открывается. При этом напряжение на коллекторе резко увеличивается до величины напря­жения источника питания ип, рабочая точка перебрасывается в по­ложение 9. Далее следует спад тока коллектора /к. Скорость спада тока определяется частотными свойствами транзистора, крутизной заднего фронта управляющего импульса тока базы и величиной кратности положительного запирающего импульса тока базы.

По мере спада тока коллектора приблизительно до величины /ко рабочая точка возвращается в исходное положение 1, лежащее в области отсечки. На этом цикл заканчивается. В цепи нагрузки, шунтированной диодом, начинается спад тока до значения /к по экспоненциальному закону с постоянной времени, определяемой характером нагрузки.

Рассмотренные переходные процессы в транзисторном ключе иллюстрируются на осциллограммах рис. 31, 32 и 33.

При неизменной ширине управляющих импульсов в нагрузке устанавливается постоянная величина среднего значения тока /Ср= U Т

= - р, а циклы работы транзистора будут идентичны. Определим величину суммарных потерь в транзисторе при им­пульсном управлении с учетом того, что /<3т, т. е. когда ток в на­грузке не уменьшается до нуля. Для этого воспользуемся выраже­нием (150), в котором необходимо найти уравнения для Рк2 и Рк. д, так как уравнения для остальных составляющих получены ранее. Определим сначала Ркг - Для этого предварительно получим урав­нение тока в нагрузке.

В промежутке времени от / = 0 до t—Tо (см. рис. 31), когда транзистор открыт, уравнение тока в нагрузке имеет вид:

а в закрытом состоянии транзистора в промежутке времени от /=Г0 до t=T — вид:

Последнее уравнение определяет мгновенное значение тока, проте­кающего через диод Д (см. рис. 27) в интервале времени от t=T0 до t=T.

Принимая активное сопротивление открытого транзистора не­изменным, получаем, что напряжение между коллектором и эмитте­ром во времени изменяется согласно уравнению