Электромеханические и твердотельные реле

	(1.16)
	(1.17)

Произведя выкладки, получим:

	(1.18)
	(1.19)

 

Отсюда видно, что при  малых значениях r  энергия, рассеиваемая на диоде может в два раза превосходить таковую на сопротивлении нагрузки и при определенных значениях L и Io превзойти допустимую импульсную энергию диода или при достаточно высокой частоте коммутации fкомм, допустимую мощность диода:

Wd · fкомм > Рдоп ,

(1.20)

В случае, когда предельно-допустимое напряжение выходного транзистора Uпр значительно выше коммутируемого напряжения (Е) можно существенно облегчить режим работы защитного диода, включив последовательно с ним резистор

(1.21)

В этом случае в момент выключения напряжение на выходе реле равно  E + Io · R < Uпр, энергия на диоде L · Ud · Io/(r +R), на резисторе R:

(1.22)

Таким образом, мощность резистора должна быть не менее 

(1.23)

Еще один положительный  эффект от введения резистора –  уменьшение времени выключения нагрузки, поскольку постоянная времени спада тока в этом случае равна L /(r +R).

Твердотельные реле имеют  задержку включения десятки миллисекунд, что ограничивает максимально-возможную частоту коммутации значениями 10 ¸ 30 Гц. Время нарастания тока в нагрузке (tфр) при включении – порядка единиц миллисекунд, в течение которых происходит повышенное рассеяние мощности в реле. С приемлемой точностью энергия рассеяния при включении реле определяется выражением:

(1.24)

где Io и Uкомм  - ток нагрузки и напряжение на нагрузке, соответственно.

Поскольку задержка и  время спада тока при выключении более чем на порядок меньше таковых при включении, энергией выключения пренебрегаем.

Представляет интерес  рассмотрение двух режимов работы:

- стационарная нагрузка и близкая к предельной частота коммутации;

- включение нестационарной нагрузки, имеющей большие пусковые токи.

Оба режима представляют потенциальную опасность для  силовых транзисторов реле.

В первом случае средняя  рассеиваемая на транзисторах мощность переключения равна:

(1.25)

Во втором случае начальный ток Io в выражении для энергии включения много больше номинального, поэтому импульсная энергия включения может превысить допустимую для транзисторов реле, поэтому для таких нагрузок целесообразно использовать быстродействующие реле.

Как отмечалось выше, стандартное  реле для работы на частоте коммутации выше 10 ¸ 30 Гц требует подключения дополнительных внешних элементов: в схему вводятся элементы "подкачки" цепи управления затвором: резистор R или резистор с конденсатором С.

При суммарном заряде затвора выходного транзистора равном Qзатв , частоте коммутации f и скважности импульсов тока нагрузки N должно быть:

-  для цепи с R:

(1.26)

Мощность на R: P_R=(Екомм-15В) · Qзатв · f;

При этом появляется ток  утечки на выходе, для исключения которой следует последовательно с резистором R включить  конденсатор С:

(1.27)

На основании данного  анализа состояния схемотехнических решений при проектировании твердотельных  реле и при их эксплуатации можно  приступить к рассмотрению коммутирующих (функциональных) элементов конструкции.

 

3. Функциональные элементы твердотельных реле

 

В статье [19] рассматриваются  технико-экономические показатели БТИЗ биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), МОП МТ- мощный полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET) и БМТ - биполярные мощные транзисторы (ВРТ). Именно они определяют области наиболее эффективного применения каждого из трех типов транзисторов в твердотельных реле.

Проектирование силовых устройств  и блоков, входящих в состав стандартных изделий, имеет ряд особенностей. В первую очередь это относится к топологии схемы. Как правило, оптимальная топология схем для подобных применений уже определена. Так, в блоках строчной развертки телевизоров и блоках электронного зажигания используются схемы обратноходовых преобразователей, в блоках ЭПРА (электронных балластах) для люминесцентных ламп используется схема полумостового инвертора и т.д.

Требования к выходным ключам по уровням пиковых значений тока Imax,  напряжения Umax и коммутируемой мощности Рmах в подобных схемах также уже определены, их варьирование связано только с различным уровнем выходной мощности.

Каждый из трех типов  транзисторов - БТИЗ, МОП МТ и БМТ - имеет свои достоинства и недостатки. Соответсвенно должны существовать области практического применения, где использование именно одного из этих трех типов МТ будет наиболее предпочтительным.

 

1. Области преимущественного использования МОП МТ

 

Достаточно очевидно, что для МОП МТ такой "нишей", где их достоинства проявляются наиболее выгодным образом, являются силовые устройства, функционирующие при сравнительно небольшом (менее 200 В) уровне рабочих напряжений на выходном ключе. При этом сразу следует указать, что малый уровень входного питания Ucc сам по себе еще не означает низковольтное применений для МТ.

Низковольтные МОП МТ, выбор которых сейчас весьма широк, имеют все основания считаться наиболее совершенными ключевыми элементами из всех типов современных МПП. Этот подкласс МОП МТ обладает не только минимальными динамическими потерями и незначительным потреблением мощности по цепям управления, но и очень низкими статическими потерями.

Ток в режиме короткого  замыкания у МОП МТ ограничивается на безопасном уровне вольтамперной характеристикой (ВАХ), мало зависящих от напряжения сток-исток.

Перегрузочная способность  МОП МТ по напряжению, характеризуемая  величиной энергии лавинного пробоя E_AV, когда траектория рабочей точки МТ может кратковременно выходить за пределы нормируемых для них границ OBP(R) и достигать области лавинного пробоя. Типовые значения E_AV для низковольтных МОП МТ лежат, как правило, в диапазоне 500 ... 1000 мДж, что недостижимо ни для БМТ, ни для БТИЗ.

Наибольшие технологические  достижения для МОП МТ за последнее  десятилетие связаны именно с низковольтными вариантами этих типов приборов. Ведущие зарубежные фирмы-изготовители этого типа МПП, а к таковым следует отнести такие фирмы как International Rectifier (США), Infineon Technologies (SIEMENS- Германия), Ixys Corp (США), STMicro-electronics (Франция), Siliconix (США), TOSHIBA (Япония) и ряд других, продолжали совершенствовать низковольтные МОП МТ по всем параметрам. Подробная информация об этом представлена в серии статей [21 - 23].

Показатели низковольтных  МОП МТ практически не дают никаких шансов использования в низковольтных применениях двум другим типам МПП - БМТ и БТИЗ, поэтому чаще всего сравнительный анализ.

 

2.  Области преимущественного использования БМТ

 

Одной из основных областей применения, в которой БМТ сохранили и, по всем признакам, еще будут сохранять доминирующее положение, следует назвать блоки строчной развертки телевизоров и мониторов. Налагаемые технические требования к ключевым элементам на выходе данных блоков достаточно жесткие: эти ключи должны обладать высокой блокирующей способностью по напряжению и иметь значения параметра U_CBOmax от 1500 В до 2000 В, при уровне коммутируемых токов Icm от 3 А до 20 А и частотах коммутации от 15 кГц до 110 кГц. Для обеспечения указанных рабочих частот время нарастания и спада транзистора должны быть не более 0,1...0,3 мкс, а для получения небольшого уровня статических потерь на ключе уровень остаточного напряжения на нем (U_{CE SAT}) должен быть не более 1 В. В последние годы фирмы TOSHIBA и Philips провели разработки ряда новых специализированных семейств высоковольтных БМТ, удовлетворяющих всем перечисленным требованиям.

Попытки ряда зарубежных фирм продвинуть на этот емкий сегмент рынка МПП БТИЗ оказались неудачными, т.к. и по совокупности технических характеристик (U_CESAT, tf), и более того - по стоимости, высоковольтные БТИЗ заметно уступают используемым здесь БМТ. МОП МТ в данных высоковольтных применениях также не могут составить конкуренцию традиционным биполярным транзисторам, т.к. их статические потери из-за большой величины R_0N непозволительно велики.

Еще одной областью массового  применения БМТ в сфере устройств  силовой электроники являются блоки электронного зажигания автомобилей. Необходимые для них выходные транзисторы должны иметь уровень граничного напряжения U_CESUS нe менее 400 В, и при рабочих токах lc до 10 А их уровень остаточного напряжения U_CESAT в открытом состоянии транзистора не должен превышать 1,5 ... 2 В. Кроме того эти ключи должны обладать высоким значением (не менее 300 мДж) энергии вторичного пробоя ESB. Фирма STMicroelectronics, являющаяся лидером в разработке и производстве данной группы полупроводниковых ключей, выпускает в настоящее время специализированное семейство БМТ типа BU941Z, полностью удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям. Фирма ON-Semiconductor также выпускает специализированные для указанного применения БМТ типа BU323Z.

Все эти типы БМТ представляют собой составные транзисторы  с большим коэффициентом усиления по току (h_21E > 150 при Ic = 10 А), что позволяет управлять этими ключами непосредственно с выхода специализированных микросхем-контроллеров электронного зажигания. В структуре указанных БМТ между коллектором и базой интегрирован зенеровский диод с пробивным напряжением U_Z ≈ 350 В, что меньше граничного напряжения U_{CE SUS} выходного транзистора. Подобное схемотехническое построение структуры позволяет выходному транзистору выдерживать высокие значения энергии вторичного пробоя ESB в случае размыкания цепи нагрузки на выходе высоковольтной обмотки катушки зажигания автомобилей.

Традиционной областью применения БМТ является силовая электроника аэрокосмического и оборонного назначения. Предъявляемые военными стандартами жесткие требования к температурному диапазону, к радиационной стойкости и другим спецвоздействиям, а также довольно высокие требования к корпусированию приборов, включая энерго-, термоциклостойкость и виброустойчивость, исключают из этой сферы применения многие типы МОП МТ и БТИЗ.

Одной из причин этого  является наличие как в МОП МТ, так и в БТИЗ так называемой «проблемы паразитных структур». Дело в том, что внутри кристаллов этих типов МПП присутствуют (интегрированы) паразитные активные элементы - биполярные n-р-n транзисторы (здесь и далее по тексту имеются в виду n-канальные МОП МТ и БТИЗ). Эти паразитные элементы являются неотъемлемой составной частью структур современных МОП МТ и БТИЗ, т.к. образуются из сочетаний р-n переходов, используемых для реализации функционального назначения этих двух типов МПП.

Тем не менее необходимо сказать, что последние технологические достижения в производстве МПП, включая и корпусирование приборов, позволяют ряду транзисторов из спецноменклатуры МОП МТ и БТИЗ выдерживать жесткие требования военных стандартов и начать, хотя и ограниченное, но все же использование этих приборов в ответственной сфере военной и аэрокосмической электроники [24], нарушив тем самым монопольное положение БМТ в этой «нише» применений.

 

3. Области преимущественного использования БТИЗ

 

Основной "нишей" применения БТИЗ, т.е. областью силовой электроники, где их достоинства проявляются более выгодно по сравнению с другими типами МПП, является электропривод промышленного назначения с диапазоном мощностей от 1 кВт до 100 кВт.

Используемые в выходных каскадах электрических преобразователей электропривода БТИЗ, представлены в модульных вариантах исполнения. Причем все чаще в корпусе модуля присутствуют не только чипы непосредственно выходных транзисторов и обратно-параллельных диодов, необходимых при использовании схем мостового типа, но также и чипы управляющих микросхем и схем защиты БТИЗ от опасных режимов. В зависимости от величины входного сетевого напряжения электропривода и типа управляемого двигателя требуются различные сочетания пиковых значений напряжения и тока для используемых ключевых элементов.

Определенную конкуренцию БТИЗ-модулям  в промышленном электроприводе в нижней части указанного диапазона мощностей оказывают БМТ-модули, реализуемые на основе составных транзисторов по двух- или трехкаскадной схеме Дарлингтона.