Расчет и выбор силовых транзисторов

Появление в 70-х годах прошлого века высоковольтных полевых транзисторов с вертикальной структурой произвело переворот в схемотехнике и характеристиках источников вторичного электропитания (ИВЭП). Высокие скорости переключения, отсутствие насыщения, простота управления затворами, устойчивость к перегрузкам по току и dV/dt позволили проектировать ИВЭП с частотами преобразования до сотен килогерц и удельными мощностями свыше 1000 Вт/дм³. В то же время по статическим потерям MOSFET значительно проигрывали биполярным транзисторам и тиристорам, что ограничивало их применение в мощных преобразователях. Поэтому основные усилия фирм-производителей были направлены на уменьшение величины сопротивления в открытом состоянии и увеличение максимального напряжения «сток — исток».

В 1998 году компания Infineon Technologies представила новый тип MOSFET-транзисторов под торговой маркой CoolMOS с напряжением «сток — исток» в закрытом состоянии 600 и 800 В, в которых удалось снизить сопротивление в открытом состоянии более чем в 5 раз по сравнению с обычными полевыми транзисторами с вертикальной структурой. Помимо сверхнизких статических потерь транзисторы CoolMOS обеспечивают более высокую, чем у MOSFET, скорость переключения благодаря меньшей площади кристалла и, как следствие, более низкие потери переключения.

Общим недостатком полевых транзисторов с вертикальной структурой является наличие паразитного антипараллельного диода с неудовлетворительными характеристиками обратного восстановления, что очень усложняет их использование в преобразователях с рекуперацией реактивной энергии. Это заставляет производителей разрабатывать технологии, позволяющие улучшить характеристики встроенного диода. Примером может служить семейство транзисторов HiPerFET компании IXYS.

Второй подход к решению данной проблемы заключается в блокировке паразитного диода последовательным с транзистором диодом Шоттки и подключении встречно-параллельно диода ULTRAFAST или SiC (рисунок 3.3). Приборы, реализующие этот принцип, выпустила компания Advanced Power Technology. Однако наличие последовательного диода резко увеличивает статические потери по сравнению с одиночным MOSFET [9].

Для выбора силового транзистора требуются следующие параметры:

- амплитуда входного напряжения                                ;

- действующий выходной ток                               .

С учетом этих параметров выбираем транзистор IRFPS3815 фирмы International Rectifier[10]. С параметрами:

- максимальное напряжение ключа V_DSS=150 В;

- действующий ток через транзистор I_d=105 А;

- сопротивление открытого транзистора R_DS=0.015 Ом.

Корпус транзистора в ТО-247.

Определим статические и динамические потери в транзисторе при сопротивлении затвора R_{затвора}= 1 Ом, напряжении питания U_упр= 10 В. Сопротивление открытого транзистора взято из технической документации и равно R_откр=0.015 Ом

Статические потери в транзисторе равны:

(3.20)

Для расчета динамических потерь зададимся следующими параметрами:

- время нарастания фронта t_{нарастания}= 130 нс;

- время спада фронта t_спада=60 нс.

     (3.21)