yahoo
ukrpack
(38044) 4563080 |
| оглавление |
| Мощные транзисторные модули для преобразователей повышенной надежности |
|---|
|
ГОСТЕВАЯ ЧАТ ПОИСК |
|
|
|
|---|
|
Гуцалюк Вячеслав Яковлевич, Шевченко Петр Николаевич, Юрченко Николай Николаевич
Аннотация: Изложены принципы построения мощных высокочастотных переключающих приборов (ВПП), которые созданы на основе параллельного соединения большого количества транзисторных структур. Эти ВПП были разработаны в Институте электродинамики Национальной Академии Наук Украины и применялись в ряде космических технологических установок. Ключевые слова: транзисторные преобразователи, транзисторный модуль, параллельное соединение транзисторов. EXPERIENCE OF POWER TRANSISTOR MODULES DESIGN FOR HIGN-RELIABLE CONVERTERS Abstract : The principles of design of the high frequency switching devices (HFSD), which are constructed on base of parallel connection of a great amount of transistor structures, are described in this paper. These HFSD were designed in the Institute of Electrodynamics of the National Ukrainian Academy of Sciences and have been used at a number of the space technological units. Разработчики преобразователей при совершенствовании устройств известного назначения и создании новых систем электропитания ориентируются на применение силовых переключающих приборов с наилучшими техническими характеристиками и предъявляют к разработчикам элементов все более жесткие требования. К наиболее важным техническим характеристикам транзисторов относятся предельно-допустимые параметры по напряжению и току прибора, статические характеристики в проводящем состоянии, частотные свойства и надежность. В Институте электродинамики Национальной Академии наук Украины с середины 60-х годов развивалось научное направление по развитию теории и принципов построения силовых транзисторных преобразователей на основе параллельной работы большого количества полупроводниковых элементов. Проведенные исследования в отделе транзисторных преобразователей позволили решить задачу наращивания токовых нагрузок и создания силовых переключающих приборов, обладающих высокой степенью надежности и уменьшенными потерями мощности.
Достаточно часто, например, в сложных робототехнических комплексах или в аэрокосмической технике уровень надежности является решающим фактором при выборе того или иного силового переключающего прибора, в большой степени определяющего надежность преобразователей. Для транзисторных преобразователей большой мощности весьма эффективным оказался один из известных методов повышения надежности - метод глубокого секционирования с введением резервной избыточности. Данный метод пригоден для резервирования основных элементов транзисторных преобразователей и позволяет на период нормальной эксплуатации получить любой требуемый уровень надежности резервируемого преобразователя при относительно небольшой избыточности резервирования и тем самым избавиться от недостатков методов резервирования с целой кратностью, увеличивающих массу и габариты преобразователей. Суть метода заключается в расчленении объекта (преобразователя) на большое количество параллельно включенных секций. Такое расчленение обеспечивает возможность сохранить способность объекта при выходе из строя отдельных секций. Причем, именно увеличение количества секций (чем больше, тем лучше) дает наиболее заметный положительный эффект.
Свойства подобных систем определялись по результатам исследований [2] зависимостей вероятности безотказной работы от параметра, характеризующего надежность секции, кратности резервирования и глубины секционирования. Проведенные исследования секционированной системы с резервированием позволили оценить влияние параметров системы и произвести расчеты необходимых величин глубины секционирования и кратности резервирования при заданных требованиях по надежности к системе в целом. Например, если задана вероятность безотказной работы системы, то можно рассчитать необходимое и достаточное количество основных и резервных секций.
Параллельное включение силовых полупроводниковых приборов может быть достаточно эффективным только в том случае, когда токи и мощность, рассеиваемая в каждом из них, отличаются незначительно и не превышают предельно допустимых значений. Например, при непосредственном параллельном соединении Разброс параметров мощных транзисторов требует дополнительных решений (способов выравнивания токов) при их параллельном соединении. Существующие схемные способы выравнивания токов заключаются в установке дополнительных элементов, например резисторов, в силовую и управляющую цепи каждого транзистора. На практике чаще применяется включение сопротивлений в силовую цепь транзисторов. Сопротивления, в принципе, должны иметь различные значения. Но это практически трудновыполнимо и поэтому сопротивления берут с одинаковыми значениями. Чем больше величина данных сопротивлений, тем меньшее разница между токами отдельных транзисторов, однако мощность потерь существенно увеличивается. Другой способ выравнивания токов, позволяющий достичь минимальных потерь мощности, заключается в сортировке транзисторов на несколько групп с последующим соединением параллельно транзисторов только из той или иной группы. Задача сортировки транзисторов состоит в определении отклонения (разброса) токов в отдельных транзисторах от среднего значения и обеспечении возможно меньшей величины этого отклонения. Практически невозможно так подобрать группу транзисторов, чтобы при их параллельной работе распределение токов в них было одинаковым в широком диапазоне токов и режимов. Однако, достаточно так рассортировать транзисторы для параллельной работы, чтобы отклонение токов от среднего значения было минимальным в самом тяжелом режиме их работы. Токи и рассеиваемая мощность в отдельных транзисторах не должны превышать допустимых значений. В других, более легких режимах, токи и рассеиваемая мощность также не должны превышать допустимых значений. Для выбора диапазонов сортировки транзисторов необходимо определить, какой разброс токов в группе нас устраивает. Чем больше мы сделаем групп при сортировке, тем меньше будет разброс токов в каждой группе. Следует отметить, что при производстве приборов, состоящих из параллельно включенных транзисторов, используются все транзисторы, практически без отходов, но в каждый прибор устанавливаются транзисторы одной и той же группы. Для того, чтобы проводить сортировку биполярных транзисторов по крутизне (S) был проведен статистический анализ разброса параметра S для различных типов транзисторов. Для определения закона, описывающего распределение параметра S рассматривались:
Сходимость с нормальным законом Гаусса составляет 83%, с законом Лапласа-Шарлье - 82%, с законом Вейбулла - 85%, с логарифмически нормальным законом - 76%. Таким образом, с вероятностью Р=0,8 0,85 можно принять закон распределения параметра S нормальным. Вероятность превышения током коллектора величины 10% от среднего значения для несортированных транзисторов равна 65%, для транзисторов, сортированных по величине dU=Uбэmax - Uбэmin = 10 мВ, - равна 7%. Количество групп, на которое разбиваются транзисторы при сортировке составляет на практике 5-6. При сортировке выбирать диапазон малым нецелесообразно, т.к. разброс токов при диапазоне dU = 15 мВ, 10 мВ, 5 мВ практически не изменяется. Одним из способов выравнивания токов биполярных транзисторов в динамическом режиме является способ управления переключающим транзистором по обоим переходам, который разрабатывался авторами с 1976 года [3,7], а его схемотехнические реализации [4,5,6] применялись для транзисторных инверторов различного назначения. Суть способа заключается в раздельном во времени управлении переходами транзистора база-эмиттер и коллектор-база. Дополнительный сигнал подают на переход коллектор-база транзистора, находящегося в области насыщения, перед самым моментом подачи на его переход база-эмиттер запирающего сигнала. Это позволяет вывести параллельно включенные транзисторы из области насыщения в заранее выбранный режим (в активную область, на границу активной области и области насыщения или в режим слабого насыщения) до момента подачи запирающего сигнала. Таким образом, перед процессом спада коллекторных токов все без исключения транзисторы приходят в ненасыщенное состояние. Вследствие этого, разброс динамических параметров транзисторов в области насыщения не оказывает влияния на перераспределение токов между транзисторами. Сдвиг по времени между моментом подачи дополнительного сигнала и моментом подачи запирающего сигнала выбирается в зависимости от инерционных свойств транзистора в области насыщения. Основными составляющими мощности потерь в переключающем приборе являются мощность потерь в открытом состоянии (Pо) и мощность коммутационных потерь (Pк), в некоторых случаях следует учитывать мощность потерь в закрытом состоянии (Pз). Относительная мощность потерь в открытом состоянии транзистора (Pо / Pнагр) зависит от тока нагрузки, ее величина тем меньше, чем меньше ток нагрузки. Характер данной зависимости иллюстрирует тот факт, что увеличение количества параллельно включенных транзисторов для постоянного значения тока нагрузки уменьшает мощность потерь в открытом состоянии. Мощность потерь в закрытом состоянии (P з) параллельно включенных транзисторов при температуре 20 °С мала, ее влияние ощутимо при температуре выше 100 °С. Относительная мощность потерь в закрытом состоянии транзистора (Pз / Pнагр) имеет обратно-пропорциональную зависимость от тока нагрузки, что показывает существование фактора, ограничивающего увеличение количества параллельно соединенных транзисторов.
Мощность коммутационных потерь (Pк) для большинства случаев имеет составляющую потерь, которая пропорциональна произведению напряжения питания и тока нагрузки, и составляющую, которая имеет квадратичную зависимость от напряжению питания. Следовательно, относительная мощность коммутационных потерь (Pк/Pнагр) будет иметь составляющую потерь, обратно-пропорциональную току нагрузки, аналогичную зависимости относительной мощности потерь в закрытом состоянии от тока нагрузки. Различные по своему характеру зависимости составляющих относительной мощности потерь предполагают существование экстремума (минимума). Можно определить то значение тока нагрузки транзистора (назовем его оптимальным), при котором относительная мощность потерь минимальна. При данной величине тока нагрузки каждого из параллельно включенных транзисторов рассеиваемая мощность в силовом переключающем приборе будет минимальна. Изменение количества параллельно включенных транзисторов, как в сторону их увеличения, так и в сторону их уменьшения, приводит к росту рассеиваемой мощности на силовом переключающем приборе [1]. Поэтому для достижения максимального КПД преобразователя следует для конкретных режимов определять необходимое количество транзисторов в силовом переключающем приборе, ориентируясь на величину оптимального тока транзистора.
|
|
дизайн Г.В.Дыдырко
|