ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАЗБРОСА КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ПО ТОКУ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ НА РАБОТУ ДВУХТАКТНОЙ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

INFLUENCE OF THE TECHNOLOGICAL GAIN SPREAD OF CURRENT BIPOLAR TRANSISTORS ON THE OPERATION OF A PUSH-PUSH CIRCUIT CONVERTER

Bespalov Nikolay Nikolaevich

Associate Professor of the Department of Electronics and Nanoelectronics, Candidate of Technical Sciences, Assoc.,  Mordovia State University named after N. P. Ogarev,

Russia, Saransk

Busarov Andrey Alexandrovich

Graduate student, Mordovian State University N. P. Ogareva

Russia, Saransk

Pivin Arthur Eduardovich

Master’s student, Mordovian State University N. P. Ogareva

Russia, Saransk

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках проекта № 24-91-19005, https://rscf.ru/project/24-91-19005/

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены результаты исследование влияния технологического разброса статического коэффициента усиления по току силовых биполярных транзисторов TIP35C на работу двухтактной импульсной схемы преобразователя напряжения. Рассмотрена функциональная схема устройства. Исследование проводилось с использованием программной среде Multisim. Анализируется появление постоянной составляющей коллекторных токов в первичных обмотках импульсного трансформатора, вызывающее подмагничивание их сердечников, а также искажения выходного напряжения и на активной нагрузке двухтактной импульсной схемы преобразователя.

ABSTRACT

This article presents the results of a study of the effect of the technological variation of the static current gain of TIP35C bipolar power transistors on the operation of a push-pull pulse circuit of a voltage converter. The functional scheme of the device is considered. The study was conducted using the Multisim software environment. The appearance of a constant component of collector currents in the primary windings of a pulse transformer is analyzed, which causes magnetization of their cores, as well as distortions of the output voltage and the active load of the push-pull pulse circuit of the converter.

Ключевые слова: двухтактный преобразователь; биполярный транзистор; коэффициент усиления по току; технологический разброс; постоянная составляющая; подмагничивание сердечника; импульсный трансформатор.

Keywords: push-pull converter; bipolar transistor; current gain; technological variation; constant component; core magnetization; pulse transformer.

Введение

В силовых электронных устройствах (СЭУ) [1], работающих на основе двухтактных импульсных схем преобразования (ДИСП) с использованием силовых биполярных транзисторов (БТ) и импульсных трансформаторов [2] одним из критических факторов, определяющих надёжность и эффективность работы, является вариация параметров БТ. В частности, при изготовлении БТ всегда наблюдается технологический разброс такого важного параметра, как статический коэффициент усиления по току β.

При эксплуатации ДИСП на основе БТ, если не учитывать этот разброс, это  приводит к изменению эксплуатационного режима работы импульсного трансформатора и самих БТ, что влечёт за собой их дополнительный перегрев и снижение общего коэффициента полезного действия (КПД) ДИСП [3].

Целью данной работы являлось исследование влияния технологического разброса параметра β силовых БТ на работу ДИСП путём моделирования в программной среде Multisim.

Для оценки влияния технологического разброса параметра β БТ на изменение эксплуатационного режима ДИСП, была разработана его функциональная схема, представленная на рисунке 1.

Рисунок 1. Функциональная схема ДИСП

Функциональная схема состоит из следующих блоков:

1) задающего генератора импульсов напряжения, предназначенного для формирования запускающих импульсов напряжения для источников тока (ИТ) с амплитудой +15 В, формирующих импульсы базовых токов для испытуемых силовых биполярных транзисторов (ИСБТ) с амплитудой 1,137 А;

2) силового блока, состоящего из ИСБТ типа TIP35C, включённых по двухтактной схеме формирования силовых импульсов тока в первичных обмотках импульсного трансформатора (ИТ) и  источника питания с напряжением +50 В;

3) активного сопротивления нагрузки Rн.

На основе функциональной схемы, изображенной на рисунке 1, в программной среде Multisim 11 была разработана модель ДИСП, визуализация которой представлена на рисунке 2. Для исследования режимов работы ДИСП были использованы модели силовых БТ типа TIP35C. При этом предварительно были измерены реальные  величины β этих БТ, количество было равно  40 шт. Из этих данных были отобранные приборы со средним по выборке значением β = 108, максимальным значением β = 130 и минимальным значением β = 73.

Рисунок 2. Визуализация схемы моделирования в Multisim 11

Для работы ИСБТ в схеме двухтактного усиления требуется подача периодической последовательности импульсов тока базовых токов с заданной длительностью и паузой между ними достаточной длительностью, чтобы устранить эффект сквозных коллекторных токов через них. С этой целью использовался генератор импульсов, построенный на основе задающего генератора (XFG1), выходным сигналом которого управляется генератор импульсов на основе D-триггера и двух логических элементов NOR. Визуализация схемы генератора импульсов представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Визуализация схемы моделирования генератора в Multisim 11

Данная схема при подаче с задающего генератора XFG1 прямоугольных импульсов напряжения следующих с частотой 30 кГц при скважности 22%  позволяет создавать на выходах схем U1A – IO2 и U1A – IO3 поочерёдно возникающих импульсов напряжения длительностью примерно равных 33 мкс каждый, и паузой между ними в 7 мкс. Эти импульсы поочерёдно поступают на входы источников базовых токов ИСБТ (IO1). Визуализация схемы этих источников тока представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Визуализация схемы моделирования источников тока  в программной среде Multisim 11

Оба источника тока (ИТ) построены на двух биполярных транзисторах TIP41A и TIP31C. При этом амплитуда прямоугольных импульсов базовых токов для обоих ИСБТ  равная 1,137 А достаточна для перехода ИСБТ в режим насыщения для приборов с β = 108 и выше [4]. Выбор таких величин амплитуд базовых токов обоснуется тем, что ИСБТ данного типа, состоящей из 40 шт., обладают в среднем по выборке β = 108 и выше. В выборке ИСБТ данного типа присутствовали только 2 прибора с  аномальными значениями β = 73.

В результате коммутации транзисторов Q3 и Q6 в первичных обмотках ИТ периодически поочерёдно формируются импульсы коллекторных токов длительностью примерно 33 мкс. При этом на вторичной обмотке ИТ, коэффициент трансформации которого задан равным 1,  формируется знакопеременное напряжение.

При моделировании, помимо коэффициента трансформации, были заданы следующие основные параметры ИТ: индуктивность намагничивания L_M = 0,1 мГн и индуктивность рассеяния L_S = 0,01 мГн, а активные сопротивления обмоток выбирались равными 1 мОм [1].

В ходе проведённого моделирования изменялся только параметр β ИСБТ, который варьировался со значениями – 73, 108 и 130 [4].

На рисунке 9 представлены совмещённые для наглядности во времени осциллограммы коллекторных токов ИСБТ, при различных значениях β (73, 108, 130) при выбранной величине сопротивления нагрузки Rн = 2 Ом.

Рисунок 5. Совмещённые во времени осциллограммы коллекторных токов iк ИСБТ с различными β при Rн = 2 Ом

Из полученных данных видно, что при разной величине β наблюдается изменение амплитуд коллекторных токов I_KM ИСБТ. Так, при β = 73 величина I_KM  ИСБТ является наименьшей по  сравнению с приборами, у которых β = 108 и  β = 130. При этом наблюдается различие в формах коллекторных токов всех ИСБТ. Для ИСБТ с  β = 108 и  β = 130 амплитуды I_KM и формы импульса примерно одинаковы.

Полученные путём моделирования данные по коллекторным токам iк ИСБТ (рисунок 5) были обработаны и получено, что при некоторых сочетаниях пар ИСБТ, iк протекающих через первичные обмотки ИТ возникают постоянные составляющие Io. Эти данные приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Моделированные данные по коллекторным токам

На рисунке 6 представлены совмещённые осциллограммы одного периода напряжения на Rн = 2 Ом, подаваемого со вторичной обмотки импульсного  трансформатора, при применении соединения в пары ИСБТ в двухтактной схеме с различными сочетаниями величин β.

Рисунок 6. Осциллограммы выходных напряжений в течении одного периода колебаний на нагрузке Rн = 2 Ом при применении пар ИСБТ с различным сочетанием β

Из полученных временных зависимостей выходного напряжения видно, что при различных сочетаниях β в парах ИСБТ оно изменяется как по форме, так и по амплитуде. Например, в паре ИСБТ с β = 130 и β = 73 и паре ИСБТ с β = 108 и β = 73, наблюдается снижение амплитуды выходного напряжения, относительно пары β = 130 и β = 108, что свидетельствует о снижении КПД преобразователя [3].

Заключение

В результате моделирования установлено, что при применении в силовых коммутационных цепях ДИСП силовых БТ в парах с различными сочетаниями коэффициента усиления по току β может привести к появлению постоянной составляющее коллекторных токов в первичных обмотках ИТ, что влечёт за собой подмагничивание их сердечников, а также изменение формы выходного напряжения. Это обуславливает, в частности, дополнительный перегрев используемых элементов и снижает КПД ДИСП. В связи с этим для повышения надёжности и КПД этих устройств требуется  тщательный подбор пар силовых БТ в силовые коммутационные цепи  ДИСП по величине β.

Список литературы:

1. Москатов Е. А. Силовая электроника. Теория и конструирование. — М. : Корона-Век, 2019. — 256 с.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники — М. : Мир, 2003. — 704 с.
3. Лапшаев Е. А., Горячкин Ю. В., Беспалов Н. Н. Разработка программы расчёта импульсного трансформатора для мостовых преобразователей в программной среде Excel // Материалы XXV научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Национального исследовательского Мордовского государственного университета. Саранск, 2022. С. 193-198.
4. Беспалов Н. Н., Бусаров А. А., Пивин А. Э. Моделирование импульсного режима включения силовых биполярных транзисторов с учётом технологического разброса величины коэффициента усиления по току // Научно-технический вестник Поволжья. 2025. № 12. С. 21-24.