Переходные характеристики цепи управления транзистора IGBT

При использовании транзисторов типа IGBT (БТИЗ) представляют интерес переходные характеристики в области малых и больших времен. В данной работе рассматриваются переходные процессы цепи управления в области малых времен. Пусть источник входного сигнала представлен импульсом с амплитудой Um, который действует в цепи, показанной на рис. 1, где Rr - сопротивление источника сигнала.

Форма входного импульса приведена на рис. 2, где tH - время нарастания сигнала. Измене- ние входного сигнала на участке tH принимается линейным: u(t) = ^е- • t.

Эквивалентная схема входной цепи для первого интервала работы приведена на рис. 3. Первый интервал времени tj определяется пороговым напряжением Un, при котором начинается включение транзистора.

Эквивалентная емкость входной цепи транзистора -       —^ + С3, эквивалентное сопро-

Рис. 1. Схема цепи управления транзистора

Рис. 3. Расчетная схема для первого интервала:

Ci - емкость коллектор-эмиттер, С2 - емкость затвор-коллектор, С3 - емкость затвор-эмиттер

тивление в схеме замещения рис. 36 -Z3(p) = .....R1...........

l + pR,C3

Переходные характеристики для напряжения в точках 1-2 и тока емкости С3 представлены выражениями (1) и (2):

, ч U_t R,            R? „ uBX (О=—---5---™--1—т • Rrc3 х tH Rr+Ri tH (r +r.)2 r 3

R,C3        ( t(R +R])^

jc(t)=-^ LA_. 1-exp --A-E 12 c tH R +R,           RrRiC3

В некоторый момент времени напряжение на участке затвор-эмиттер нарастает до порогового значения:

U - ^Umtl ^R1 ^Um R?

” tH Rr+Ri tB (Rr+Rj):

2 RrC3 х

x 1-exp

MRr+Rif

RfRlCg >

В выражении (3) время t] - это время первого интервала переходного процесса, которое в явном виде не определяется. Предлагается графическое решение уравнения (3), поэтому удобно представить его в следующем виде:

Un ₌Ji___t, R^ Г Г MR.-bV

Um AtH A2-tH tj [ Д RrR1C3 >

Для графического решения уравнения (4) удобно воспользоваться относительными едини цами: t!/RrC3, Un/Um, t]/tH, (Rr+RI)/R1=A.

Область изменения относительных величин Un/Um, tj/tH выбирается исходя из того, что Un

, и_ рис. 5, где В = ——.

Пусть заданы Un /Um = 0,15 и А = 1,5 ; по значению В = 0,15 на рис. 4 и рис. 5 находится пересечение прямой с одной из кривых со значением А = 1,5. Пересечение может попасть в область изменения t]/tB=0,6 или 0,8, если А <3,0. Тогда находится относительное время t] /Rr С3.

Ток, протекающий через емкость С3, также удобно выразить в относительных единицах. Его относительное значение в момент времени t] зависит от величин t]/tH, tj/Rj С3, t3/Rr Сэ :

i'R] t] R]C3            At]

Um A-tH t] _ RrC3>

Совокупность кривых F = iR]/Um для значений t]/tH =0,4 и 0,8 приведена на рис. 6, для значений t]/tH =0,2 и 0,6 - на рис. 7. Для изменения величины А взяты те же пределы, что и на рис. 4 и рис. 5. В отличие от напряжения в токе появляется дополнительная переменная -D = t]/R] С3 . При построении она принята 0,5.

Преобразовательная техника

Рис. 4. Изменение относительного порогового напряжения затвора для t]/t„=O,4 и 0,8

Рис. 5. Изменение относительного порогового напряжения затвора для tj/tH = 0,2 и 0,6

На втором интервале работы нарастает ток выходной цепи до уровня 0,9 от установившегося значения и падает напряжение коллектор-эмиттер. Емкость С! шунтируется выходной цепью, а через емкость С2 возникает обратная связь с цепью затвора, поэтому в схеме замещения рис. 36 эквивалентная емкость возрастает до значения Сэ1. Напряжение на затворе определяется выражением (4), т.е. вид уравнения не изменяется:

u(t) = ип +                   ■ RrC3] X

A -tH х 1-ехр

t(Rr+RiK

RpRi^i ,

Относительные изменения напряжения на емкости С3] такие же, как на первом интервале работы, поэтому их можно определить по рис. 4, 5, зная время нарастания тока выходной цепи.

На третьем интервале работы транзистор достигает точки насыщения, поэтому действие обратной связи прекращается, следовательно, эквивалентная емкость уменьшается. Относительные изменения напряжения определяются из выражения (6).

Рис. 6. Изменение относительного тока затвора для t_x/t_H=0,4 и 0,8

Рис. 7. Изменение относительного тока затвора для t_x]t_H=O,'l и 0,6

Значение функции F в конце второго и третьего интервалов работы определяется выражением (5), в котором вместо времени tt берется интервал (ti+t2) и соответственно интервал (ti+t2+t3), где t2 - продолжительность второго интервала, a t3 - третьего.

Итак, в случае неидеального входного сигнала определены законы изменения напряжения на участке затвор-эмиттер и тока через входную емкость, а также построены номограммы для различного соотношения параметров схемы.