Введение к работе
Актуальность темы. Прогресс современных высокочастотных преобразователей электрической энергии связан с повышением удельных массогабаритных характеристик, повышением рабочих частот и снижением потерь в активных и пассивных компонентах. Снижение потерь энергии в преобразователях является одним из важнейших аспектов, определяющих их энергоэффективность. Существенный вклад в суммарные потери мощности преобразователей с низким выходным напряжением постоянного тока вносят потери в выходном выпрямителе. Для снижения этих потерь нашли применение управляемые выпрямители с МОП-транзисторами в качестве ключевых элементов.
К достоинствам современных управляемых выпрямителей на МОП-транзисторах можно отнести высокий к.п.д. при рабочих частотах до сотен килогерц. Недостатком данных выпрямителей является схемотехническая сложность, обусловленная применением специализированных схем управления. Схемы управления обеспечивают синхронизацию отпирания и запирания ключевых МОП-транзисторов и формируют требуемые уровни напряжений и токов для управления затвором. Другим недостатком использования МОП-транзисторов является высокая мощность потерь на переключение, пропорциональная рабочей частоте Известны также управляемые выпрямители на основе биполярных транзисторов. К достоинствам устройств можно отнести их меньшую схемотехническую сложность. Основные недостатки таких устройств – невысокий к.п.д. (не более 80%) и низкая рабочая частота (до 100 кГц).
Одним из перспективных полупроводниковых приборов, пригодных для создания и совершенствования управляемых выпрямителей, является биполярный статический индукционный транзистор (БСИТ). С точки зрения электрических характеристик БСИТ подобен биполярному транзистору. К числу достоинств БСИТ следует отнести также очень малое время выключения и высокую плотность тока на единицу площади структуры (до 10 А/мм2). Важными качествами БСИТ являются низкое входное напряжение управления и малая входная диффузионная емкость, чем обусловливается малая мощность, необходимая для отпирания БСИТ. По проведенной оценке, при частотах выше 300 кГц мощность потерь на переключение у БСИТ ниже, чем у МОП-транзистора того же класса по напряжению и току. Учитывая перечисленные преимущества БСИТ, представляется актуальным разработка и исследование управляемых выпрямителей на их основе с низким выходным напряжением и рабочей частотой выше 300 кГц.
Целью работы является разработка и исследование управляемых выпрямителей на основе биполярных статических индукционных транзисторов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе было необходимо решить следующие основные задачи:
разработать модель БСИТ в виде электрической схемы замещения, адаптировать модель для использования в системах автоматизированного проектирования;
исследовать различные режимы управления БСИТ и сформулировать предложения по оптимизации режимов;
разработать методику проектирования управляемых выпрямителей на основе БСИТ;
экспериментально исследовать макеты управляемых выпрямителей на основе БСИТ.
Научная новизна работы. При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
разработана модель в виде электрической схемы замещения БСИТ, предназначенная для использования в системах автоматизированного проектирования;
предложен и экспериментально исследован режим пропорционально-насыщенного управления БСИТ;
разработана методика проектирования управляемых выпрямителей на основе БСИТ в режиме пропорционально-насыщенного управления.
Практическая ценность полученных в диссертации результатов:
использование пропорционально-насыщенного управления БСИТ позволяет существенно снизить суммарные потри в БСИТ и в устройствах на их основе;
использование разработанной электрической схемы замещения БСИТ позволяет с удовлетворительной точностью проводить автоматизированное проектирование устройств на их основе;
разработанные и исследованные макеты низковольтных высокоэффективных управляемых выпрямителей на основе БСИТ с пропорционально-насыщенным управлением демонстрируют к.п.д. более 90% при выходном напряжении от 2 до 3 В и рабочей частоте до 750 кГц.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Режим пропорционально-насыщенного управления биполярным статическим индукционным транзистором позволяет на 25-30% снизить суммарные потери в транзисторах и управляемых выпрямителях на их основе, по сравнению с режимом управления постоянным током базы.
-
Разработанная модель биполярного статического индукционного транзистора в виде электрической схемы замещения позволяет проводить автоматизированное проектирование устройств на их основе с погрешностью 5-10%.
-
Разработанная методика проектирования управляемых выпрямителей на основе биполярных статических индукционных транзисторов в режиме пропорционально-насыщенного управления позволяет оптимизировать характеристики выпрямителей.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
конференции «Современные наукоемкие технологии», РАЕ, Москва, 2005 г.;
конференции «Современные проблемы радиоэлектроники». Красноярск, КГТУ, 2005 г.;
научно-технической конференциии преподавателей и студентов, НовГУ, Великий Новгород, 2005 г;
VI Международном научном семинаре «Карбид кремния и родственные материалы», Великий Новгород, 2009 г.
Публикация результатов работы. По результатам выполненных исследований опубликовано тринадцать научных работ, в том числе три статьи в журналах из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, два Свидетельства РФ на полезную модель.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка, приложений.
