Материал взят из книги

Скачать оригинал КНИГИ в хорошем качестве

, Преимущества и недостатки полевых транзисторов

Полевые транзисторы сегодня широко используются во всех областях электронной техники — в усилителях, передающих устройствах, приемниках, аналоговых и цифровых микросхемах. Создано много разновидностей полевых транзисторов, разработана теоретическая расчетная база. Нас, как разработчиков импульсной техники, интересуют мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (МОЗРЕТ).

Чем принципиально МОвРЕТ отличается от биполярного транзистора? Как мы уже знаем, биполярный транзистор — токовый прибор. То есть управление им осуществляется при помощи тока, подаваемого в базу. Полевой транзистор внешне очень похож на транзистор биполярный. Он имеет три электрода, такой же корпус, однако уже само название электродов говорит о том, что это другой тип силового прибора. Управление транзистором осуществляется через затвор, кото- , рый намеренно изолирован от силового р-п перехода тонким слоем окисла, следовательно, сопротивление постоянному току цепи управления очень велико. Условное обозначение транзисторов МОвРЕТ показано на рис. 5.1.

Внимание! Полевой транзистор — не токовый, а потенциальный прибор. Для того чтобы перевести транзистор из открытого со- г стояния в закрытое и наоборот, нужно приложить к затвору, относи- I

тельно истока, напряжение. При этом ток в цепи затвора практически ' отсутствует: транзистору не нужен ток. Поддержание открытого состояния осуществляется электрическим полем. В дальнейшем мы узнаем, что в момент открытия или закрытия ток в цепи затвора все же течет, но этот процесс занимает очень незначительный промежуток времени.

Первое преимущество полевого транзистора очевидно: поскольку он управляется не током, а напряжением (электрическим полем), это значительно упрощает схему и снижает затрачиваемую на управление мощность.

Второе преимущество полевого транзистора можно обнаружить, о если вспомнить, что в биполярном транзисторе, помимо основных носителей тока, существуют также и неосновные, которые прибор «набирает», благодаря току базы. С наличием неосновных носителей связано хорошо нам знакомое время рассасывания, что в конечном итоге обуславливает задержку выключения транзистора. В полевых транзисторах нет неосновных носителей, поэтому они могут пере-. ключаться с гораздо более высокой скоростью.

' ' • Третье преимущество обусловлено повышенной теплоустойчи-' вестью. Рост температуры полевого транзистора при подаче на него напряжения приведет, согласно закону Ома, к увеличению сопротивления открытого транзистора и, соответственно, к уменьшению тока. Поведение биполярного транзистора более сложно, повышение его температуры ведет к увеличению тока. Это означает, что биполярные транзисторы не являются термоустойчивыми приборами. В них может возникнуть очень опасный саморазогрев, который легко выводит транзистор из строя.

Термоустойчивость полевого транзистора помогает разработчику ..При параллельном соединении приборов для увеличения нагрузочной

способности. Можно включать параллельно достаточно большое число МОБРЕТов без выравнивающих резисторов в силовых цепях и при этом не опасаться рассимметрирования токов, что, как мы знаем, очень опасно для биполярных транзисторов. Однако параллельное соединение полевых транзисторов тоже имеет свои особенности, и об этом мы поговорим чуть позже.

Последнее преимущество полевого транзистора связано с его тепловыми свойствами — полное отсутствие вторичного пробоя. Это преимущество позволяет эффективнее использовать полевой транзистор по передаваемой мощности. На рис. 5.2 обозначены области безопасной работы мощного биполярного и полевого транзисторов, максимальные токи и напряжения которых выбраны примерно одинаковыми.

Не следует думать, что полевой транзистор является идеальным ключевым прибором. Это далеко не так. Правильное применение полевых транзисторов имеет свои особенности, свои «подводные камни», которые разработчик обязан хорошо знать.

Во-первых, полевой транзистор в открытом состоянии имеет, пусть небольшое, но все же активное сопротивление. Это сопротивление мало только у транзисторов с допустимым напряжением «сток-исток» не более 250—-300 В, то есть составляет десятки милли-ом. Далее, с повышением допустимого напряжения «сток-исток», наблюдается значительный рост сопротивления в открытом состояний. Это обстоятельство заставляет разработчика соединять приборы параллельно, ограничивать мощность, приходящуюся на один транзи-

I; стор, то есть работать <<с недогрузкой», тщательно прорабатывать теп-Т ловой режим.

Второй недостаток полевого транзистора связан с технологией его : изготовления. До настоящего времени технологически не удается изготовить мощный полевой транзистор без некоторых паразитных элементов, одним из которых является паразитный биполярный транзиті стор, который показан на рис. 5.3.

В 1997 году фирма International Rectifier предприняла попытку исключить влияние паразитного элемента посредством управления его свойствами на стадии изготовления. Фирме удалось создать приборы, которые почти не чувствуют наличие паразитных эффектов, но допустимое напряжение «сток-исток» у разработанных транзисторов пока не превышает 100 В. Надеемся, что стремительное развитие силовой элементной базы в ближайшее время изменит ситуацию.

Итак, паразитный биполярный транзистор оказывается включенным параллельно силовым электродам полезного полевого транзистора. База биполярного транзистора подключена к технологическому основанию, на котором расположен р-n переход (называется это основание подложкой). Между подложкой и истоком есть некоторое омическое сопротивление R*, между подложкой и стоком — паразитный Конденсатор С*. Емкость этого конденсатора, к счастью, невелика. Для включения паразитного транзистора может оказаться достаточным быстрый спад или рост напряжения «сток-исток», например, при коммутации токов большой величины. Чем это грозит для транзисто-Рв? В тот момент, когда мы считаем транзистор закрытым, он вновь накрывается, что легко может вывести схему из строя.

I Ai....

Для обеспечения нормальной работы полевого транзистора необходимо исключить паразитный транзистор. Подключив на стадии изготовления технологической проводящей перемычкой подложку к истоку, мы значительно ослабим влияние этого элемента. Данная связь отражена в условном обозначении МОЗРЕТ стрелочкой. Таким простым методом гарантированно исключается опасность неконтролируемого поведения паразитного элемента.

К сожалению, вред от наличия паразитного элемента полностью исключить не удается, и вот почему. Давайте вспомним модель биполярного транзистора, состоящую из двух диодов. В результате подключения подложки к истоку в транзисторе появляется паразитный антипараллельный диод УБ, образованный переходом «база-эмиттер». Параметры этого диода производители элементной базы стремятся контролировать, однако подавляющее большинство выпускаемых на сегодняшний день полевых транзисторов имеют диоды с достаточно большим временем обратного восстановления. Про существование антипараллельного диода можно забыть, когда разрабатывается источник на базе так называемой однотактной схемы. Однако не учитывать влияние диода в двухтактных схемах нельзя. Позже мы разберем этот вопрос.

С большой долей уверенности можно сказать, что у читателя сложилось мнение о полевом транзисторе как о безынерционном приборе, который может переключаться практически мгновенно, — только включил напряжение на затворе, и транзистор уже открыт! В действительности полевой транзистор затрачивает некоторое время на включение, а также на выключение (хотя это время значительно меньше, чем у биполярного транзистора). В данном случае существование задержки обусловлено наличием паразитных емкостей. На рисунке 5.4 эти емкости условно показаны постоянными, чтобы не запутать читателя, когда речь пойдет о процессах переключения. На самом деле каждая емкость состоит из нескольких более мелких, с разным характером поведения. Кроме того, все эти емкости сильно зависят от напряжения между их «обкладками»: они велики при малых напряжениях и быстро уменьшаются при больших.

Чтобы гарантированно открыть транзистор, необходимо зарядить его входную емкость до напряжения 10—12 В. Сделать этот процесс достаточно быстрым — задача непростая, поскольку в любом усили-' тельном приборе, будь то транзистор или электронная лампа, существует так называемый эффект Миллера. Производители транзисторов ведут борьбу с эффектом Миллера, так как подавление его оказывает - самое сильное влияние на скорость переключения транзистора и в ' итоге на качество ключевого элемента. Знакомство с эффектом Миллера поможет лучше понять процессы, происходящие в транзисторе цри управлении.

, Итак, наличие эффекта Миллера обуславливается существованием емкости С_зс, которая является отрицательной обратной связью между входом и выходом транзистора. Сам прибор нужно рассматривать как усилительный каскад, выходной сигнал которого снимается с нагрузки в цепи стбка. В таком каскаде выходной сигнал будет сдвинут по фазе относительно входного на 180°. Обратная связь С_зс настолько сильно уменьшает амплитуду входного сигнала, что по отношению к нему входная емкость транзистора, обозначенная на рис. 5.5, кажется больше, чем она есть на самом деле:

Мы видим, что эффект Миллера вполне способен уничтожить замечательные свойства полевого транзистора. К счастью, фирмы-производители достигли больших успехов в снижении емкости С_зс, так что на сегодняшний день эффект Миллера не вызывает серьезных опасений. Тем не менее терять его из вида разработчику ни в коем случае нельзя.

Итак, рассмотрим процессы, происходящие в транзисторе при его переключении. В этом нам поможет простая схема, изображенная на рис. 5.6.

Напряжение U₃, прикладываемое к затвору, имеет вид, изображен- : ный на рис, 5.7. При подаче прямоугольного импульса от источника U₃, имеющего некоторое внутреннее сопротивление R,, сначала происходит заряд емкости С_зи (участок «1» на рис. 5.7). Но транзистор в это время закрыт, — он начнет открываться только при достижении напряжения U_3U некоторого значения, называемого пороговым напряжением (U_gsfth) в обозначениях фирмы International Rectifier), Типичное значение порогового напряжения — 2...5 В. При достижении U_3U порогового уровня «срабатывает» эффект Миллера, входная емкость резко увеличивается, что иллюстрируется участком «2» (на рис. 5.7). Скорость открывания транзистора замедляется. «Медлен- ! ный» участок будет длиться до тех пор, пока транзистор полностью не ( откроется, то есть сопротивление открытого р-n перехода не достиг- I

нет значения Обратная связь оборвется, транзистор потеряет

свои усилительные свойства, и входная емкость снова станет равной С_х (участок «3» на рис. 5.7). В результате на затворе установится напряжение и,.

В результате процесса включения выходной импульс тока стока • задерживается относительно импульса управления на время і_вкл, а вы-, ключение транзистора растягивается на время і_шк. Нас, как практи-, ков, процесс переключения транзистора интересует с точки зрения КПД схемы. Чем быстрее мы сможем переключать транзистор, тем '^чменьше будет тепловых потерь на нем, тем лучшие показатели КПД мы получим, тем меньшие габариты охлаждающих радиаторов необходимы в конструкции. Поэтому нам нужно уметь вычислять время включения и выключения транзистора, а также их влияние на тепловые потери.

„ К сожалению, из-за сложного характера процесса заряда затвора и нелинейности паразитных емкостей мы не в праве считать время заряда входной емкости методом заряда простой ЛС-цепи (схема приведе-на на рис. 5.8), ток которой при импульсном воздействии на входе, как известно, равен:

Мы видим, что ток заряда ЯС-цепи спадает по экспоненциальному закону. Реальный ток затвора имеет более сложный характер. Поэтому лучше не пользоваться в расчетах значениями паразитных емкостей, а перейти к интегральной характеристике, называемой зарядом затвора.

Что означает это выражение? Мы должны просуммировать произведения токов за очень короткие промежутки времени, в течение которых ток можно условно считать постоянным. В результате мы получим «количество электричества», которое надо передать в затвор, чтобы транзистор был открыт. Мы можем это сделать быстро, тогда нам необходимо обеспечить большой зарядный ток. Либо время открытия транзистора затянется за счет уменьшения зарядного тока.

Для простой ЯС-пепи:

Для реального затвора подобрать аналитическое подынтегральное выражение трудно, да и бессмысленно.

Разработчики транзисторов поступают в этом случае так: они снимают кривую заряда затвора, вычисляют ее площадь и приводят в технических условиях типичное среднестатистическое значение полного заряда затвора Q_g. На рисунке 5.9 показана типичная кривая заряда затвора транзистора 1ЕРР250.

Время переключения ограничено не только «снизу» (по допустимой мощности тепловых потерь на транзисторе), но и «сверху» — транзистор нельзя коммутировать слишком быстро. Давайте разберемся, почему это так. Как видно из рис. 5.11, емкости С_зс и С_зи образу-

ют емкостной делитель напряжения. Для оценки скорости изменения напряжения 1/_си введен параметр

показывающий, на сколько вольт изменилось напряжение между стоком и истоком за определенный отрезок времени (по аналогии с операционными усилителями этот параметр называется скоростью нарастания/спада сигнала).

ь* г—Н!--

Ua 2дел р

ТГ₃Ч реальный ^:к

\ , /токзаиора j IdUcH

V4 _нД i^л

RC-Uenb⁴⁴¹*-^- w

tawi U3 i I ¹

u. _ — _ _Сж ^

Рис. 5.10. Сравнительные характеристн- Рис. 5.11. Оценка скорости нарастания

ки заряда RC-цепочки н входной емко- (спада) напряжения «сток-исток»

ста затвора полевого транзистора

Обозначим для упрощения расчетов:

Г с

Q* — х зи

~ с +с

^ ж зи

Тогда по правилу токов и напряжений для емкости можно записать:

или

dücu _Чел(0

dt С*

Следовательно

Покажем, насколько опасно для транзистора слишком маленькое -время открытия. Возьмем соотношение С_зс / С_ш = 1/4, и_си = 250 В. Тогда 11_зи = 50 В, что находится значительно выше зоны порогового напряжения. Следовательно, транзистор может самостоятельно открыться в тот момент, когда мы пытаемся его закрыть. Мало того, транзистор может вообще выйти из строя из-за пробоя затвора высоким напряжением.

Борьба с эффектом самопроизвольного открытия может вестись несколькими способами, один из которых наиболее эффективен, — снижение выходного сопротивления источника управления. Это означает, что сопротивление Я₃ должно быть достаточно малым, тогда оно будет шун-тнровать емкость С_т, ослабляя влияние [сШ_си1 Л]. Типичное значение Для управляющих источников не превышает нескольких сотен ом.

В импульсных источниках электропитания первоочередными являются меры по защите силовых транзисторов от теплового пробоя. Как мы уже выяснили, полевые транзисторы не имеют вторичного пробоя, поэтому в своих расчетах нам вполне можно руководствоваться значениями максимальной температуры и максимальной рассеиваемой мощности. Читатели, хотя бы немного знакомые с импульсными источниками, например, телевизионными или компьютерными, наверняка обращали внимание на радиатор, к которому прикреплен силовой транзистор. Размеры и конструктивное исполнение радиатора в значительной степени определяют работоспособность проектируемого импульсного источника. Поэтому в конечном итоге наш расчет будет посвящен расчету мощности потерь в транзисторе.

Полная мощность, выделяющаяся в транзисторе во время его переключения, определяется из выражения:

Сразу отметим, что потери мощности, вызванные током утечки (Р_ут), пренебрежимо малы, поэтому их вообще нет смысла учитывать. Кроме того, как мы выяснили ранее, одно из главных преимуществ полевого транзистора — это исчезающе малые потери в цепи его управления (Р_упр). Потери на управление также исключим из наших расчетов. Итак, формула для расчета полных потерь приобретает следующий вид:

Рассмотрим подробно слагаемые, стоящие в правой части. Потери проводимости являются основной составляющей потерь в полевом транзисторе. Эти потери можно вычислить, зная эффективное (действующее) значение тока стока:

Чтобы правильно воспользоваться данной формулой, необходимо уметь определять эффективное значение тока стока для наиболее характерных его форм. Нам еще не раз встретится понятие эффективного значения, поэтому запишем формулу для его определения. Более того, аоспользовввшись этой фоцмулой, вычислим эффективные тна-чения тока для типичных в импульсной технике случаев:

Как видно из рис. 5.12, допустимый ток через открытый транзистор снижается с повышением температуры. Форма тока через транзистор в значительной степени определяется характером нагрузки. Мы бу;{ем иметь дело в основном с индуктивными нагрузками.

Гораздо сложнее обстоит дело с потерями переключения. Если нагрузка полевого транзистора чисто активная, потерями на переключение можно пренебречь. Индуктивная нагрузка характеризуется тем, что фаза тока и фаза напряжения не совпадают. Кроме того, в транзисторах, работающих в двухтактных схемах, возникают специфиче-

ские потери обратного восстановления паразитных диодов. Мы вернемся к расчету потерь переключения чуть позже, а сейчас разберем основы тепловых расчетов элементов охлаждения.

Читатель, хотя бы раз бравшийся за изготовление обычного трансформаторного блока питания с мощным регулирующим транзистором, наверняка знает, что от того, насколько хорошо прижат транзи стор к радиатору, будет зависеть температура его нагрева. Транзи

стор, прижатый к ровной и чистой поверхности радиатора, будет равномерно прогреваться вместе с радиатором и хорошо отдавать тепло. В то время как неровная, покрашенная краской и грязная рабочая поверхность под транзистором не даст переходить теплу к радиатору. Транзистор раскалится, если не до красна, то обязательно до шипения под влажным пальцем.

Мы качественно нарисовали ситуацию, в которой и берут свое основание тепловые расчеты. Основа теплового расчета — тепловое сопротивление. Гладкая и чистая поверхность металла имеет маленькое тепловое сопротивление, а грязная и неровная — высокое. Тепловое сопротивление транзистора зависит от конструкции его корпуса, площади полупроводникового кристалла и, как ни странно, от частоты переключения и скважности импульсов... Но давайте обо всем по порядку.

Взглянем на рис. 5.13. Как известно, внутри транзистора кремниевый р-п переход прикреплен к подложке, которая контактирует с радиатором. Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом в ■технических условиях обозначается как Щ_с. Тепловое сопротивление / Между корпусом и радиатором обозначим как Я_сг Для наших расчетов необходимо знать еще одно тепловое сопротивление — Я_5а, называемое сопротивлением «радиатор-среда». Поверхность радиатора в подавляющем большинстве случаев контактирует с воздухом, тепло-

проводность которого невысока. Пространство вокруг радиатора прогревается хорошо, но естественная конвекция довольно неспешно удаляет нагретый воздух и заменяет его более холодным. Поэтому для снижения теплового сопротивления «радиатор-среда» часто применяют принудительную вентиляцию (всем знакомый вентилятор в компьютерном блоке питания, который периодически начинает громко шуметь, раздражая окружающих). Там, где принудительная вентиляция нежелательна или просто недопустима, ставят габаритный радиатор, поверхность которого стремятся выполнить как можно больше, для чего радиатор ребрят и покрывают электрохимическим способом в черный цвет.

, Температура р-п перехода («температура кристалла») вычисляется из выражения:

Величины Я_]С и К_сз обязательно содержатся в справочных данных на транзисторы, мощность потерь Р_п нужно вычислить для конкретной разрабатываемой схемы.

Таким образом, мы вычисляем требуемое тепловое сопротивление «радиатор-среда» и по специальной методике (о которой будет рассказано в разделе 9.6) разрабатываем конструкцию радиатора.

В заключение этого раздела приведем еще несколько важных замечаний.

Случаи, когда разработчику в целях электробезопасности требуется изолировать корпус радиатора от транзистора, не столь редки. В этих целях разработаны специальные изолированные корпуса для транзисторов, так что возможно приобретать приборы и с токопроводящей подложкой, и без нее. Конечно, токоизолированные корпуса обладают худшими показателями теплопроводности, но с этим при-

У .

ходится мириться. Однако более известен и популярен у разработчиков другой путь — применение диэлектрических прокладок. Данный способ подходит к любым транзисторам, которые возможно устанавливать на радиаторы. Заметим, что в справочных данных указываются тепловые сопротивления для случая непосредственного контакта корпуса с радиатором. Если мы намереваемся использовать термопрокладку, нужно скорректировать тепловое сопротивление добавив к нему тепловое сопротивление прокладки:

А как быть, если у разработчика имеются другие материалы, если они имеют другую толщину или тип корпуса прибора отличается от указанного в таблице? В этом случае нам необходимо самостоятельно вычислить тепловое сопротивление прокладки. В расчетах мы используем результат, полученный для так называемой неограниченной Плоской однородной стенки. С большой степенью точности прокладку можно сопоставить этой модели, так как ее толщина много меньше остальных двух размеров.

_? Итак, тепловое сопротивление в этом случае вычисляется так:

Коэффициент теплопроводности — это характеристика материала прокладки. Узнать его можно в широко известных справочниках по электротехническим материалам.

Недавно отечественная фирма «Номакон» выпустила эластичный электроизоляционный материал, теплопроводность которого превосходит теплопроводность ранее известных материалов, что позволяет повысить эффективность отвода тепла от нагретых силовых элементов. Поскольку материал эластичен, в момент прижатия силового элемента к радиатору он заполняет неровности и шероховатости, обеспечивая дополнительный тепловой контакт.

Характеристики материала следующие:

• теплопроводность 3...5 Вт/(м • °С);

• пробивное напряжение 4 кВ;

• рабочая температура -60...+260 °С;

• толщина 0,25 мм.

Кроме обычных листов размером бООх 130 мм фирма производит уже готовые подложки (рис. 5.14), так что разработчику не представляет особого труда применить эти изделия в своих конструкциях. Приобрести их можно во многих фирмах, поставляющих радиокомпоненты.

Несколько слов относительно теплового сопротивления «кристалл-корпус» R_Jc. Исследования показали, что это сопротивление в значительной степени зависит от частоты переключения транзистора, а также от скважности его работы, определяемой отношением времени открытого состояния к полному периоду коммутации. В технических условиях на транзисторы обычно приводятся так называемые нормированные переходные характеристики теплового сопротивления «кристалл-корпус» (transient thermal impedance junction-to-case). Как видно из рисунка 5.15, вследствие инерционности тепловых процессов при больших частотах переключения и малой скважности тепловое сопротивление «кристалл-корпус» значительно снижается. В любом случае разработчику нужно произвести оценку этого сопротивления по графику, чтобы не «переборщить» с радиатором.

Если разработчику импульсного источника _предеЛьного тока і добится переключать ток, значение которого вь ^ _параллельно не- | одиночного транзистора, он может просто вкл ^ _слу_Чае биполярных I сколько приборов, как показано на рис. 5.1 ■ _{вЩіавНИ}вающих ре- ! транзисторов, как мы знаем, не обойтись

іпяегся мощность. Гораздо і зисторов в цепи эмиттера, на которых тер ^ параллельного

лучше обстоит дело с полевыми транзисторами. _{чениямИ} дорого-ИХ соединения нужно иметь приборы с близкими близкие зна-

вого напряжения. Транзисторы одного типа ^иМ^_1ендац_ИЯ заключает-чения порогового напряжения, поэтому эта ре в₀. вторых, чтобы

ся в запрете соединять транзисторы разных „_исТОров, их нужно обеСПечИТЬ равномерный ПрОГреВ ЛИНеЙКИ тр ^_лизк0 друг к дрУ" устанавливать на один радиатор и по возможн _{аллельН0} включен-гу. Необходимо также помнить, что через

шза больший ток (не сни-ных транзистора можно пропускать в два р _бШ)0Вл но при этом жая нагрузочной способности одиночных при . Соответст-

входная емкость, а значит, и заряд ^во3^^аСТа^^ТенныМи транзисторами венно схема управления параллельно соед

тоанзисторов непосредственно, Если соединить затворы п _<<звона» при выключении, —

южно получить неприятный _{затворьТ;} будут произвольно

ранзисторы, влияя друг на ^ _{сигналу} управления. Что-

якрываться и закрываться, не п Д _{транзисТора} надевают не-

эы исключть «звон», на выв Д _{ащающИе} взаимное влияние

большие ферритовые тру очк ,Р ^ _{сегодня все реже!} уступая место Затворов. Данный спосо встр ^ _затворов включаются одинако-

брлее простому и доступу о.у. _ткй._{сотни ом}. в этом случае об-

^ые резисторы сопротивлением д произведение заряда одного

рш заряд должен ^{быТЬ ВЫ}^_{анзисторов в} линейке, а зарядный ток 1ранзистора на количес тр одиночного транзистора сохранения времени ^К0М^У Соответственно время комму-

— также увеличен в это ч _ _ВЫчислякггся в таких услови-

.&ции и величина затворного резистора

для одиночного транзистора. электродами транзисторов

Тем, кто не знаком с основными видами схем импульсных источников питания, этот раздел мы рекомендуем пока пропустить. Мы обязательно вернемся к этим вопросам в главах, посвященных рассмотрению схемотехнических идей.

Как уже отмечалось, потери переключения полевого транзистора в значительной степени зависят от того, на какую нагрузку работает транзистор. В случае активной нагрузки ток в силовой цепи транзистора ограничен сопротивлением этой нагрузки. Индуктивная нагрузка при условии малости ее последовательного активного сопротивления (сопротивления провода обмотки) может наращивать ток силовой цепи неограниченно, пока он не превысит максимально возможного для транзистора значения. Поэтому мы должны учитывать это обстоятельство при расчете потерь проводимости и переключения. Мы уже знаем, как вычислять потери проводимости. В соответствующих разделах мы укажем, в каком случае какая форма тока возможна в силовой цепи транзистора. Потери же переключения нам нужно «разобрать» сейчас, чтобы не упустить из вида потери, связанные с паразитными элементами.

В начале разберем самый простой случай — работа полевого транзистора на активную нагрузку. Схема такой нагрузки изображена на рис. 5.19, а характер коммутационных процессов — на рис. 5.20. Как мы ранее уже установили, і_вкд ~ г_вык. Поцесс коммутации транзистора носит сложный характер (линия «1» на рис. 5.21). Для расчетов мы приближенно будем считать, что процесс коммутации транзистора происходит по линии «2» (рис. 5.21). Ничего страшного в этом упрощении нет — мы просто немного завысим расчетные потери переключения по сравнению с реальными.

Случай активной нагрузки мы будем использовать практически I крайне редко. Однако он интересен нам как позволяющий сделать не- [ которые допущения, которые мы используем в расчетах схем с индуктивными и трансформаторными нагрузками.

Теперь вычислим потери в однотактных схемах с индуктивным элементом и фиксирующим диодом. Схема изображена на рис. 5.22, а характер коммутационных процессов — на рис. 5.23.

Внимание! Когда ток i_c достигает значения г_тдх, транзистор начинает закрываться. Достаточно резко меняется сопротивление зарядной цепи, что ведет к возникновению на индуктивности Ь ЭДС самоиндукции, — индуктивность стремится сохранить величину тока. Если бы в схеме отсутствовал фиксирующий диод УЭ, на стоке транзистора образовался бы выброс напряжения (поддержать в цепи тот же ток возможно только увеличением напряжения). Это свойство индуктивного элемента используется в импульсных бустерных схемах преобразователей, но сейчас оно нам мешает.

Итак, ток самоиндукции дросселя Ь замыкается через диод УЭ, открывает его. Как известно, открытый диод можно условно заменить источником напряжения величиной 1-2 В, как показано на рис. 5.24. Теперь мы видим, что напряжение на стоке транзистора не может подняться более, чем величина прямого падения напряжения на фиксирующем диоде. Что происходит далее? Сопротивление открытого диода мало, но транзистор еще полностью не закрылся. Поэтому ток стремится увеличиться. Диод закрывается, ток подзаряжает индуктивность. Происходит это на очень коротком отрезке времени, после чего, поскольку сопротивление транзистора нарастает, диод опять закрывается.

> Своеобразная обратная связь не дает току резко вырасти, но и падение тока происходит с небольшим «дрожанием», что отражено на рис. 5.25. В этом случае мы обязаны разделить общие потери на потери при включении и потери при выключении.

1Й" 1)п Уп

Теперь настало время вычислить динамические потери в двухтак- ; тных схемах. Двухтактные схемы источников питания широко используются в тех случаях, когда нужно получить высокие значения | токов нагрузки. Поэтому нам особенно важно не ошибиться с потеря- |

ми в этих схемах. !

Взглянув на рис. 5.26, мы еще раз вспомним о паразитном диоде в | составе полевого транзистора. Этот диод не отличается быстродейст- ■ вием, имеет сравнительно большое время обратного восстановления. |

оЦп I

Параметры паразитного диода, как мы уже знаем, в обязательном порядке приводятся в технических условиях на транзисторы.

В двухтактной схеме, как и в однотактной, необходимо рассматривать влияние индуктивности Ь на остальные элементы. Следует помнить, что на самом деле индуктивность Ь представляет собой индук-гивность намагничения первичной обмотки трансформатора. Первоначально ключ УТ1 замкнут, происходит передача энергии в первичную цепь трансформатора. Индуктивность намагничения грансформатора накапливает энергию, которая, конечно, не очень заметна на фоне тока первичной цепи (естественно, во вторичной цепи грансформатора присутствует нагрузка). Далее ключ УТ1 размыкается, но ток в индуктивности намагничения, стремясь сохранить свою величину, замыкается через паразитный диод У02. Если бы индук-гивность намагничения была слишком большой, ток г_д =г_Л, поддерживался бы в течение длительного времени на постоянном уровне. Эднако диод У02 коммутирует один из выводов первичной обмотки грансформатора к земле. Другой конец по-прежнему присоединен к средней точке полумостового конденсаторного эквивалента двупо-яярного источника. Это напряжение рождает противоток во вторичной обмотке трансформатора, который, как бы возвращаясь в первичную обмотку, быстро «спускает» значение тока 1_Ь к нулю, стремясь иродолжить его увеличение в сторону отрицательных значений. Все ?ак и продолжалось бы, если бы ключ УТ2 в этот момент замкнулся. Однако обратный ток течет только благодаря тому, что диод УГ32 затрачивает некоторое время на свое обратное восстановление, характер которого показан на рис. 5.27. Спустя время после обратного вое-

становления, диод закроется и ток в цепи трансформатора прекратится. Замыкание ключа УТ2 повторяет процесс, но уже в другой части полумоста.

Общая мощность, которая рассеивается в транзисторе на стадии его переключения в полумосте:

Схематическое изображение мостовой схемы приведено на рис. 5.28. Мощность потерь переключения, приходящаяся на один транзистор, в этом случае удваивается (если считать, что трансформатор имеет один и тот же коэффициент трансформации). Однако можно сделать следующее интересное замечание: поскольку «раскачка» напряжения в мосте в два раза больше, чем в полумосте, общая мощность при сохранении тока вырастает в 4 раза. При этом мощность по-

Разработчики импульсных источников питания всегда сталкиваются с проблемой защиты своих устройств от токов короткого замыкания. Обычно проблема эта решается следующим образом: в цепь истока включается небольшое сопротивление, напряжение с которого подается на компаратор, отключающий схему регулирования тока и 'запирающий силовые транзисторы. К сожалению, такой путь не слишком удачен, поскольку на резистивном датчике тока теряется мощность, да и силовые цепи в этом случае становятся более протяженными.

Производители полевых транзисторов придумали следующий способ решения этой проблемы: они вывели из полевого транзистора еще один вывод — так называемый вывод датчика тока. Это удалось сделать потому, что полевой транзистор технологически состоит из множества ячеек, работающих параллельно. Когда транзистор открыт, ток протекает от стока к истоку, равномерно распределяясь между ячейками. Следовательно, ток стока может быть точно измерен Йо току, протекающему через небольшое количество ячеек, и умножен на коэффициент, который приводится в технических условиях.

Практически полевой транзистор со считыванием тока, как видно Йз рис. 5.30, состоит из двух параллельных полевых транзисторов, называемых «силовым» и «считывающим». Главным параметром такого транзистора является отношение тока, протекающего через вывод встока, и тока, протекающего через вывод датчика:

Щ' г =--

I -

}• Конечно, это отношение будет слегка отличаться от истины, по-

§льку ток стока является суммой силового и измерительного токов, это не принципиально — считывающий транзистор введен не для |Ьчного измерения тока, а для фиксирования состояния перегрузки ^Ранзистооа.

В наши планы не входит подробный рассказ о транзисторах с датчиками тока. Заинтересовавшиеся смогут обратиться к [23], АЫ-959В.

5.8. Основные параметры некоторых транзисторов МОЭРЕТ

Таблица 5.3

и™, Н ІС. А Р, Вт__Рр^оп), Г)м

вигю 50 23,0__75__0,07

виги 50 28,0 75__0,04

8Ш80 800 2,6 75__4_

8Ш90 600 4,3 75 1,6

№£530 100 14,0 88__0,16

№£640 200 18,0 125__0,18

№£840 500 8,0 125 0,85 !

^1КР15° ^{100 30,0 150} 0,055

П№250 200 30,0 150 0,085 І

22 1 1

ПШЗЗО 400 13,0 150 0,3

П№450 500 13,0 150 0,4

П№540 100 28,0 150 0,077

П№620 200 4,1 30 0,8

__Цей, в__Iç, А__Р, Вт__Rps(on), Ом _

IRF710 400 2,0 36 3,6

IRF720 400 3,3 50 1,8

IRF730 400 5,5 74 1

1RF740__400_ 10,0 125 0,55

IRF840 500 8,0 125 0,85

IRFBE20 800 1,8 54 6,5

IRFBG30 1000 3,1 125 5

IRFP150 100 4Ц0 230 0,055

IRFP250 200 30,0 190 0,085

IRFP260 200 46,0 280 0,055

IRFP350 400 16,0 190 0,3

ÎRFP450 500 14,0 190 0,4

IRFP460 500 20,0 280 0,27

IRFP650 1000 6,1 190 2

5.9. Интеллектуальные MOSFET

Разработчики импульсных источников электропитания всегда Уделяют много внимания схемам защиты от перегрузок. И даже появление достаточно устойчивых к аварийным режимам полевых транзисторов не решило проблему защиты. Обезопасить схему от потенциального пробоя не слишком трудно. Тепловой же и токовый пробои Требуют гораздо более продуманных мер. Революционным шагом на йути создания отказоустойчивых элементов стала разработка фирмой International Rectifier транзисторов MOSFET со встроенной системой .Самоконтроля (fully protected power MOSFET swith), блок-схема которого приведена на рис. 5.31. Рассмотрим его структуру, і Как следует из рис. 5.32, в нормальном режиме работы ключ Кл1 Замкнут, Кл2 — разомкнут. Если температура кристалла транзистора Чревысит установленный предел (165 °С), сработает температурный Датчик, который установит триггерную схему в новое положение — выключит Кл 1 и замкнет Кл2. Таким образом, транзистор потеряет управление и закроется. То же самое произойдет, если ток через сило-

вую цепь транзистора превысит допустимое техническими условиями значение. Для точной фиксации тока транзистор выполняется со считывающим электродом, к которому подключен резистивный датчик тока 1_Ж.

Поскольку работы по созданию интеллектуальных транзисторов только начались, на сегодняшний день выпущены элементы с допустимым напряжением «сток-исток» не более 50 В. Конечно, исследования в этой области продолжаются. Вскоре мы наверняка узнаем о выходе нового поколения интеллектуальных полевых транзисторов.

5.10. Перспективы отечественного производства

С достаточно большим запозданием, но все же и у нас появились транзисторы МОБРЕТ. Массовое их производство положено Минским ПО «Интеграл» (завод «Транзистор»). Автор считает, что имеет полное моральное право говорить об этих транзисторах, как о произ-

водимых «у нас», несмотря на то, что производятся они в Белоруссии. Ведь даже наименование транзисторов продолжает традицию, выработанную в советское время — КП. Можно сказать, что не за горами появление и других современных представителей силовой электроники, о которых рассказывается в этой книге. Чтобы не утомлять читателей прогнозами, на этом описательную часть закончу и приведу список наиболее интересных представителей отечественных MOSFET-ob. Список их стремительно расширяется, так что следите за новинками.

Таблица 5.4

- — ^ _г—- - .......

Обозначение Аналог и_Ситах, 8 Roi, Ом I_cmax, A U₃„_raax, В Ртах, Вт U₃„ _пор, В

КП723А IRFZ44 60 0,028 50 ±20 150 2,0...4,0

КП723Б IRFZ45 60 0,035

КП723В 1RFZ40 50 0,028

КП726А,А1 BUZ90A 600 2 4,0 ±20 75 2,0...4,0

КП726Б,Б1 BUZ90 600 1,6 4,5

КП727А BUZ71 50 0,1 14 ±20 40 2,1...4,0

КП727Б IRFZ34 60 0,05 30 88 2,0...4,0

КП728Г1 700 5,0 3,0 ±20 75 2,0...4,0

КП728С1 650 4,0 3,0