電力電子課程：第 6 部分 - BJT
BJT是所有電子元件之王，它改變了電子技術(shù)的進(jìn)程。晶體管_也可以是一個(gè)功率元件，并允許重要的電流值通過(guò)。功率 BJT 雖然采用與信號(hào)晶體管不同的技術(shù)制造，但具有非常相似的工作特性。主要區(qū)別在于較高的耐受電壓和電流值以及較低的電流增益。為此，需要以相當(dāng)高的基極電流驅(qū)動(dòng)功率晶體管。
功率晶體管的開(kāi)關(guān)速度不是很高，因此，在最新一代的設(shè)計(jì)中，不再使用這些組件。功率 BJT 由三個(gè)端子組成：集電極 (C)、發(fā)射極 (E) 和基極 (B)。發(fā)射極-基極結(jié)遠(yuǎn)小于集電極-基極結(jié)。基極很薄，電子可以很容易地穿過(guò)它，到達(dá)集電極區(qū)，它攜帶更多的電荷。功率晶體管用于放大器、電源和開(kāi)關(guān)電路。
當(dāng)一個(gè)小信號(hào)被饋送到基極時(shí)，BJT 會(huì)傳導(dǎo)大量電流。只要在底座上有控制信號(hào)，該組件就保持在 ON 狀態(tài)。功率晶體管可以用作放大器、線(xiàn)性區(qū)域或開(kāi)關(guān)。如果它用作放大器，那么小的輸入電流會(huì)產(chǎn)生大的輸出電流。相反，作為開(kāi)關(guān)，它工作在遮斷 (OFF) 或飽和 (ON) 狀態(tài)，耗散更少的功率。圖 5 顯示了晶體管的一般操作。該方案包括輝煌的 2N3055 晶體管，具有以下特性的示例：
集電極-基極電壓 (VCBO)：100 V;
集電極-發(fā)射極電壓 (VCEO)：60 V;
發(fā)射極-基極電壓 (VEBO)：7 V;
集電極電流 (Ic)：15 A;
基極電流 (Ib)：7 A;
總功耗(Pd，TC=25°C)：115 W;
直流電流增益 (hfe)：70。
示例電路的特點(diǎn)是直流電源電壓為 48 V，燈為 3 A，基極電阻為 220 Ohm。在飽和條件下，約 200 mA 的基極電流足以使約 3 A 的電流通過(guò)集電極和負(fù)載，晶體管的總功耗約為 1.5 W。為確保良好的飽和度，它足以讓比理論電流高 4-5 倍的電流通過(guò)基極，顯然是考慮到組件的增益。圖“a”顯示了集電極電流隨基極電流變化的趨勢(shì)。在電路采用的配置中，比例集電極電流對(duì)應(yīng)于 0 mA 和 200 mA 之間的基極電流。一旦超過(guò)這個(gè)門(mén)檻，晶體管處于飽和狀態(tài)，基極電流的進(jìn)一步增加不再影響集電極電流。下一個(gè)模擬涉及通過(guò)兩種不同的技術(shù)以一半功率打開(kāi)燈泡：
· 提供基極電流以使集電極達(dá)到 VCC / 2;
· PWM信號(hào)的使用
在第一種情況下，使用了一個(gè) 850 歐姆的電阻，以使僅 56 mA 的電流通過(guò)基極，使晶體管進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)域，并在集電極上流過(guò) 1.5 A 的電流。這種技術(shù)有效并且允許燈泡以一半的光亮起，但晶體管耗散(以及隨之而來(lái)的功率損耗)太高(參見(jiàn)圖表“b”的結(jié)果)。事實(shí)上，測(cè)量產(chǎn)生了以下結(jié)果：
IB：56毫安;
Ic：1.58 安;
Pd(電池)：75.8 W;
Pd(燈)：37.4 W;
Pd(BJT)：38.4 瓦;
Pd(R_base)：2.6W;
效率：只有49.3%。
超過(guò) 50% 的功率因晶體管不必要地因熱量而損失，為了使其無(wú)危險(xiǎn)地工作，必須使用良好的散熱器對(duì)其進(jìn)行充分冷卻。然而，使用 PWM 技術(shù)，在獲得與燈相同的照明時(shí)，耗散和功率損耗要低得多。該技術(shù)包括使晶體管的基極經(jīng)受一系列適當(dāng)寬度的開(kāi)-關(guān)脈沖。負(fù)載由所有可用能量供電，并且半導(dǎo)體組件耗散非常低的功率。對(duì) PWM 解決方案進(jìn)行的測(cè)量返回以下結(jié)果：
信號(hào)：矩形 50 Hz，占空比 25 %;
Ib：53毫安(平均);
Ic：0.8 A(平均);
Pd(電池)：38.1 W;
Pd(燈)：37.7 W;
Pd(BJT)：385.6 毫瓦;
Pd(R_base)：2.54 W;
效率：99%。
您會(huì)立即注意到兩種解決方案在效率和功耗方面的差異。圖“c”顯示了晶體管導(dǎo)通開(kāi)始時(shí)的功率損耗。在這種僅持續(xù)幾微秒的情況下，電流和電壓不再彼此同相，并產(chǎn)生耗散功率的高峰值。在元件導(dǎo)通結(jié)束期間也會(huì)重復(fù)相同的峰值。所有電源設(shè)備都存在同樣的問(wèn)題。
圖 5：晶體管可以使用多種技術(shù)驅(qū)動(dòng)大負(fù)載
結(jié)論
在本文中，我們研究了一些更常用的功率元件。
在一些解決方案中，它們?nèi)匀槐皇褂谩?
其他功率元件類(lèi)型將在下一篇文章中進(jìn)行探討;其中一些是近年來(lái)電子技術(shù)開(kāi)發(fā)的設(shè)備，代表了該行業(yè)的未來(lái)。
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