Comutația Tranzistoarelor Bipolare de Putere

1. Scopul lucrării.

Se studiază principalele caracteristici de comutaţie ale tranzistoarelor bipolare şi câteva circuite tipice de antisaturare şi de reducere a pierderilor de comutaţie.

2. Descrierea lucrării.

Electronica de putere modernă este în mare proporţie o electronică de comutaţie. De aceea studiul comutaţiei principalelor dispozitive de putere este de mare importanţă.

Tranzistorul bipolar este un dispozitiv la care conducţia se face prin purtători minoritari, fapt care îi conferă o anumită inerţie la comutaţie, spre deosebire de tranzistorul MOS la care conducţia se face prin purtători majoritari. El este un dispozitiv la care mărimea de comandă este curentul de bază. Spunem că este un dispozitiv comandat în curent. Din acest motiv timpii de comutaţie se definesc relativ la acest curent, considerând ca mărime de ieşire curentul de colector şi nu tensiunea colector-emitor. Aceasta pentru că în aplicaţiile de putere sarcina este aproape întotdeauna reactivă (de cele mai multe ori inductivă), ceea ce face ca tensiunea colector-emitor să depindă în primul rând de circuitul în care tranzistorul este conectat şi mai puţin de tranzistor.

Definirea timpilor de comutaţie este dată în fig. 1, unde semnificaţia lor este următoarea:

- td - timpul de întârziere la aducerea în conducţie.

- tr - timpul de ridicare.

- ts - timpul de stocare.

- tf - timpul de coborâre (de cădere).

- tON = td+tr - timpul de comutaţie la aducerea în conducţie.

- tOFF = ts+tf - timpul de blocare.

Aceşti timpi sunt daţi de către fabricant în anumite condiţii de funcţionare (tensiune de alimentare, anumit curent de colector pentru valoarea de palier, etc.) şi specificând tipul sarcinii. În majoritatea situaţiilor timpii de comutaţie pentru sarcină inductivă sunt mai mici decât cei pentru sarcină rezistivă, cu excepţia

Fig.1. Definirea timpilor de comutaţie pentru tranzistorul bipolar.

timpului de stocare care este uşor mai mare.

Dintre toţi aceşti timpi, cel de stocare este de obicei cel mai mare şi deci cel mai deranjant, deoarece limitează frecvenţa maximă de comutaţie a tranzistorului. Se cunoaşte că la funcţionarea în regiunea saturată joncţiunea bază-colector este şi ea deschisă şi are loc fenomenul de mărire a grosimii bazei, care se manifestă ca şi cum o parte din regiunea colectorului se transformă în bază. Această inversiune de tip de material necesită o anumită cantitate de sarcină care este furnizată de curentul pozitiv de bază şi se numeşte sarcină stocată. La blocare, scăderea curentului de colector nu se va putea face decât după ce cea mai mare parte din sarcina stocată a fost evacuată. Deci timpul de stocare este timpul necesar evacuării sarcinii stocate. Rezultă că timpul de stocare depinde de:

- starea (regiunea) de conducţie a tranzistorului din momentul anterior blocării (regiunea activă, saturaţie profundă). Pentru un timp de stocare redus este de dorit ca tranzistorul să nu se satureze. Acest lucru se realizează prin tehnica în care el este comandat în bază. Unul din circuitele de antisaturare cel mai larg utilizate este grupul Baker - fig. 2 - unde în conducţie joncţiunea bază colector este polarizată invers cu -vDAS+2vD vD, deci joncţiunea este blocată şi tranzistorul nesaturat.

Fig. 2

Se observă că pe măsură ce numărul diodelor conectate serie în bază creşte, tranzistorul se îndepărtează şi mai mult de regiunea saturată. Totuşi, simultan tensiunea sa colector-emitor creşte şi ea, ceea ce duce la pierderi de conducţie mărite. De aceea numărul de diode serie cu baza se limitează de regulă la 3.