Защита импульсных транзисторов в ИИП

June 10, 2010 by admin Комментировать »

Идея использования переключения вместо рассеяния мощности на рео­стате для регулирования и стабилизации постоянного напряжения и тока фактически не нова. Однако ее широкое применение в течение длитель­ного времени сдерживалось из-за некоторых предубеждений среди тех, кто занимался источниками питания. Основным среди них было мне­ние, согласно которому метод переключения по своей природе является ненадежным. Считалось также, что любые преимущества по сравнению с линейным источниками сводятся на нет появлением электрических по­мех. В конце концов, было достигнуто понимание происходящих про­цессов, что позволило обеспечить надежность на техническом уровне. Когда, наконец, был установлен контроль над деструктивными переход­ными процессами переключения, как по мановению волшебной палоч­ки были сняты многие проблемы, связанные с шумами. Как только тай­на выхода из строя транзисторов была объяснена, полупроводниковые фирмы приняли меры по производству транзисторов с большей электри­ческой надежностью.

До появления мощных МОП-транзисторов было замечено, что раз­рушение биполярных переключающих транзисторов могло быть связано с некоторыми условиями эксплуатации. Например, не редко выход пере­ключающего транзистора из строя наступал в момент, когда источник питания подключался к сети переменного напряжения. Это проблема была связана со скачком тока, дополненная уязвимостью транзистора к некоторым комбинациям коллекторного тока и напряжения, что отра­жено в кривых SOA, публикуемых изготовителями транзисторов. Изба­виться от этой проблемы позволяют два приема. Первый состоит в использовании термисторов в сети переменного напряжения или в вып­рямителе, что снижает первоначальный бросок тока при включении пи­тания. Бросок тока связан с тем, что в первый момент конденсаторы разряжены и с кратковременной работой переключающего транзистора в линейном режиме. Два примера использования термисторов NTC при­ведены на рис. 15.6 и 15.7.

В дополнение к терморезисторам, а иногда и вместо них, большин­ство ИС управления используют «плавное включение» схемы с задерж­кой включения переключающего транзистора на доли секунды, после того, как на схему подано напряжение сети. Эта схема кроме того защи­щает транзистор от разрушения, которое может происходить при вык­лючении питания.

Переключающий транзистор, как оказалось, сам создавал неулови­мого разрушителя. В начале и конце включенного состояния, транзис­тор оказывается под воздействием неблагоприятных комбинаций коллек­торного напряжения и тока. Эти комбинации делают транзистор восприимчивым к фатальному вторичному пробою, когда его разруше­ние происходит даже при отсутствии наблюдаемого повышения рабочей температуры. Было также обнаружено, что комбинации напряжения и тока, приводящие к пробою при прямом и обратном смещении различ­ны и, вообще говоря, должны рассматриваться отдельно. «Обратное смещение» приложенное к базе выключаемого транзистора может быть просто равным нулю.

clip_image002

Рис. 15.6. Применение термистора для уменьшения броска тока в преобразователе. В этой схеме термистор NTC помещен в цепь сети переменного напряжения. Cherry Semiconductor Corp.

clip_image004

Рис. 15.7. Часть схемы преобразователя, иллюстрирующая приме­нение термисторов. Термисторы R\ и R2 ограничивают бросок тока при включении схемы.

Скорость уменьшения тока при выключении транзистора оказывает влияние на два побочных эффекта. Чем быстрее происходит выключе­ние, тем большим будет бросок напряжения на любой индуктивности, через которую протекает этот изменяющийся ток. Индуктивностью мо­жет быть индуктивность рассеяния трансформатора или, при высокой частоте переключения, проводники на плате печатного монтажа. Другой побочный эффект проявляется, когда выключение задерживается или происходит относительно медленно. Это приводит к увеличению рассеи­ваемой мощности из-за длительного присутствия на транзисторе значи­тельного напряжения при относительно большом токе коллектора. Оба побочных эффекта увеличивают потери при коммутации, снижают к.п.д., увеличивают шум и, что хуже всего, могут разрушить транзистор из-за выхода за границы RBSOA (область безопасной работы в режиме обрат­ного смещения).

В идеале хотелось бы видеть, что транзистор выключается мгновен­но в схеме не имеющей индуктивности. Оба эти условия невозможно вы­полнить практически. Быстрое выключение и минимальная индуктив­ность — вот цель, к которой стремятся на практике. Несмотря на все принятые меры предосторожности, часто энергия, содержащаяся в выб­росе, достигает опасной величины. Для поглощения этой кратковремен­ной энергии используются различные методы ограничения и демпфиро­вания. С этой целью был изобретен ряд пассивных цепей. Самой простой, и возможно наиболее часто встречаемой из них, является пос­ледовательная У?С-цепь, соединяющая коллектор с эмиттером, как по­казано на рис. 15.8. Более сложные цепи могут быть названы амортизи­рующими.

Оптимальные значения простого У?С-демпфера лучше всего опреде­лять эмпирически. Однако начальные величины можно рассчитать, ис­пользуя следующие соотношения:

clip_image006

где

С — емкость в фарадах (умножается на 10^, чтобы получить значение в микрофарадах)

V— пиковое напряжение при переключении Я — сопротивление в омах

F — номинальная мощность сопротивления в ваттах /— частота переключений в герцах.

clip_image008

Рис.15.8. Простая демпфирующая ЛС-цепь, используемая для погло­щения обратного броска энергии, накопленной в индуктивности. Конденсатор должен иметь низкую величину ESL; резистор следует выбирать безиндуктивным.

Напряжение V фактически равняется напряжению F^^^ которое на­ходится в справочниках по транзисторам. Напряжение должно быть выше входного напряжения К^^или удвоенного входного. Величину, на которую надо ориентироваться, можно выбрать после тщательного ана­лиза различных коммутаторов (показаны на рис. 15.9). Превосходство полумостовой схемы с двухтактным коммутатором в отношении требо­ваний к очевидно. Отметим, также, использование ограничивающих обмоток и ограничивающих диодов для возвращения энергии, накоплен­ной в индуктивности, во входной источник питания.

На фиксирующий диод, обычно встречающийся в импульсных источ­никах питания, обычно не обращали особого внимания до тех пор, пока частоты переключений были в диапазоне от 20 до 40 кГц. Очень часто все полагали, что этот диод осуществляет всего лишь выпрямление, и основная идея состо51ла в том, чтобы выбрать переключающий транзис­тор с соответствующими частотными свойствами. В основном использо­вали схему, изображенную на рис. 15.10. Опыт показывал, что повыше­ние температуры этих двух полупроводниковых приборов было вполне разумным.

clip_image010

Рис. 15.9. Оценка напряжения на транзисторах в различных импуль­сных схемах. Для повышения надежности могут быть введены демп­фирующие цепи. Кроме того, обратите внимание на ограничиваю­щие обмотки и ограничивающие диоды.

clip_image012

Рис. 15.10. Упрощенная схема, изображающая переключающий тран­зистор и фиксирующий диод. Неидеальность диода оказывает силь­ное влияние на безопасность работы переключающего транзистора.

Со временем, по мере того, как стали применяться и более высокие скорости коммутации, и более высокие напряжения, «таинственные» от­казы переключающего транзистора стали более частым явлением. На практике это часто сопровождалось выходом из строя других компонент и устройств, и поэтому не было всегда ясно, какой элемент вызвал цеп­ную реакцию. Когда, в конце концов, стало очевидным, что виновником отказа является переключающий транзистор, естественной реакцией было узнать почему. Не стоит слишком удивляться тому, что переклю­чающий транзистор очень легко выходит из строя. Изучение области бе­зопасной работы, изображенной на рис. 15.11, показывает одно слабое место типичного мощного транзистора. Другая опасность связана с вто­ричным пробоем, который возможен при некоторой комбинации напря­жения и тока при выключении транзистора.

clip_image014

[^^Е Напряжение между коллектором и эмитгером (вольты)

Рис. 15.11. Область безопасной работы (SOA) типичного импульсного транзистора при прямом смещении. Не любая комбинация тока коллектора и напряжения удовлетворяет допустимой рассеиваемой мощности. При некоторых комбинациях происходит разрушение транзистора, скорее всего из-за вторичного пробоя. Motorola Semiconductor Products, Inc.

До точки А существует некоторое предельное значение тока. Можно предположить, что оно в значительной степени определяется внутрен­ними соединениями в транзисторе. На линии от точки А до точки В раз­личные комбинации тока коллектора и напряжения позволяют оставать­ся в пределах 500 ватт рассеиваемой мощности. Другими словами, в этой области транзистор ведет себя как резистор, рассчитанный на такую мощность, для которого не слишком существенно соотношение между напряжением и током, лишь бы не была превышена номинальная мощ­ность.

Теперь, просмотрим, что происходит в точке С; допустимая рассеи­ваемая мощность очень быстро снижается до величины около 30 Вт! Те­перь уже можно предполагать, что некоторые аномальные режимы в коммутаторе могут вызывать вторичный пробой переключающего тран­зистора — типичный случай выхода его из строя. Принятие этого пред­положения приводит к необходимости учитывать естественные отклоне­ния характеристик фиксирующего диода от идеальных. По существу они выражаются в виде конечного падения напряжения на диоде, когда он открыт, задержки открывания, конечного времени восстановления и внутренней емкости. Два последних параметра особенно легко вызыва­ют появление переходных процессов, приводящих к выходу за пределы SOA, что приводит к вторичному пробою и разрушению переключающих транзисторов. Фиксирующий диод, фактически являющийся виновником неприятностей, часто сам выходит из строя!

Происходит так, что фиксирующий диод вместо выключения в тот момент, когда включается переключающий транзистор, продолжает про­водить, что приводит к протеканию через транзистор большого тока. За­медленное выключение диода связано с накоплением заряда в течение предыдущего включенного состояния. Процесс выключения характери­зуется временем восстановления диода. При высоких частотах переклю­чения собственная емкость диода также создает дополнительную нагруз­ку на переключающий транзистор во время переходного процесса. Основная идея при создании схемы состоит в выборе фиксирующего ди­ода с достаточно малым временем восстановления, чтобы минимизиро­вать нагрузку на переключающий транзистор. Форма сигналов при вклю­чении транзистора, изображенных на рис. 15.12, ясно показывает, что дополнительная мощность, рассеиваемая транзистором во время пере­ходных процессов, вызвана неидеальностью характеристик реальных фиксирующих диодов.

Все это кажется достаточно простым, когда понят основной причин­но-следственный механизм явления. В реальной жизни создание спосо­бов защиты становится искусством и наукой, что связано с наличием разнообразных взаимодействий, необходимости принятия компромисс­ных решений и влияния паразитных параметров. Например, при прочих равных условиях часто выбирается импульсный транзистор с малым вре­менем нарастания. Однако необходимо учесть, что такие транзисторы могут быть менее надежными по другим параметрам. Быстрое нараста­ние тока транзистора повышает требование к скорости восстановления фиксирующего диода. Кроме того, включение переключающего транзис­тора не может быть столь быстрым, как это указывается в справочниках из-за индуктивности проводов. Иногда восстановление диода может ока­заться слишком быстрым, что проявляется в виде высокого уровня шу­мов.

clip_image016

Рис. 15.12. Форма сигналов при включении транзистора с идеальным и реальным фиксирующим диодом. Пунктирные линии соответствуют случаю идеального диода. Заштрихованная область изображает допол­нительную мощность, рассеиваемую переключающим транзистором, из-за конечного времени восстановления и емкости реального диода. Unitrode Corp.

Поскольку диод Шотки не накапливает неосновных носителей, у него отсутствует процесс восстановления и, казалось бы, он идеально удовлетворяет требованиям, предъявляемым к фиксирующему диоду, ус­траняя дополнительную нагрузку на переключающий транзистор при пе­реходном процессе. Однако часто другие факторы препятствует его ис­пользованию, такие как рабочая температура, номинальное напряжение и обратное сопротивление. Кроме того, при высоких частотах переклю­чений, собственная емкость диода Шотки может, по существу, оказы­вать то же самое влияние на форму сигнала при включении переключа­ющего транзистора, что и процесс восстановления обычного диода.

Периодически повторяющаяся перегрузка, вызванная фиксирующим диодом, представляет большую опасность для переключающего транзис­тора, хотя его средняя температура может остаться на приемлемом уровне. Однако периодический выход переключающего транзистора за границы SOA может вызывать вторичный пробой и разрушение. Хотя разрушение представляет собой энергетическое явление, можно напом­нить о диэлектрическом пробое конденсатора при кратковременном превышении напряжения. Тепловая энергия, выводящая из строя и пе­реключающий транзистор, и конденсатор, настол»о локализована, что не представляется возможным обнаружить повышение температуры до их разрушения.

Мощный МОП-транзистор почти свободен от вторичного пробоя, независимо от того включается он или выключается. Здесь уместно сло­во «почти», потому что значительная энергия переходного процесса может, конечно, разрушить транзистор. Интересной особенностью яв^ ляется встроенный внутренний диод — паразитная рл-сгруктура, возни­кающая в процессе изготовления транзистора. Она часто ислоль^^ется для протекания обратного тока или как «фиксирую^щий)^ диод в KOi^Miy-таторах. Однако при частотах выше 100 кГц этот диод может быпгь не­подходящим из-за его медленного восстановисни». Хотя сам МОП-тран­зистор может работать с частотами hcckouiuco мегагерц, его паразитный диод не так хорош.

Если Вы хотите использовать внешний лтШт то можно восикшьзю»-ваться часто применяемой схемой, показанной на рис. 15.13. Здесь ис­пользуется внешний фиксирующий диод /)3. Диод D2 переводит внутрен­ний диод в неактивное состояние, блокируя путь его прямого тока. В качестве Ш обычно используется диод Шотки, минимизирующий шигери мощности, котоцше всегда имеют место. На рисунке показаш дошшши-тельный диод Dl, который с»рбшичивает бросок обратшмго» шшряжезшя на первичной обмотке трансформатора ииш на другой подобной ищдзж-тивности. Этот диод также должен бьпъ быстродействующем.

Мощный МОП-транзистор способен работать в более широком диа­пазоне комбинаций напряжений и токов на выходе, чем биполярный транзистор. С другой сторойы у него имеются свои слабые мест Эгф^ относится к пробою тонкой пленки двуокиси кремния в: структуре: зат­вора. Многие мощные МОП-транзисторы попадают в опаснуш зону, ког­да напряжение «затвор-исток» превышает 20В. Некоторые п^шьвс тран­зисторы имели защиту цепи затвора с помощъю) встрш^шшвлх стабилитронов. Но позже т этого отказались из-за шр«щатеа1»ш)го вли­яния этих диодов на частотные свойства. Некоторые переключающие схемы используют для этой цели внешние стабилигр01ввш или варисторы. На выходе часто применяют демпфирующие цепи,, иначе высбпше mmpoh жение переходного процесса может попасть на затвор через емжость зат­вор-сток.

Ради предосторожности советуют упаковывать и обращаться; с мощ­ными МОП-транзисторами так, чтобы предотвратить пробой затвора от разряда электростатического электричества. Относительно Бшсокая емн кость затвора несколько снижает возможность пробоя; с другой сторок ны, как только накапливается высокое электростатическое* тагаряжение^.

появляется энергия, достаточная для пробоя затвора. Кроме того, по­вреждение затвора, в некотором смысле хуже, чем разрушение, потому что его трудно обнаружить. Такое неполное повреждение, очень вероят­но, сократит срок службы МОП-транзистора при номинальных режи­мах. Другим источником опасности для затвора является ток утечки па­яльника при монтаже схемы. Соответствующее заземление и методы изоляции в процессе хранения и работы щедро оплачиваются тем, что в соответствующей схеме мощные МОП-транзисторы демонстрируют зас­луженную надежность.

clip_image018

Рис. 15.13. Коммутатор на мощном МОП-транзисторе с внешним диодом /)3, выполняющим функцию фиксирующего диода. Диод D2 в цепи истока разрывает путь току переходного процесса через внутренний диод мощного МОП-транзистора.

Из-за высокой крутизны и хороших частотных свойств, мощный МОП-транзистор подвержен другому явлению, часто приводящему к его разрушению. Вместе с различными паразитными элементами реальной схемы устройство может легко стать автогенератором. Это очень напо­минает появление паразитных колебаний в ламповых усилителях радио­частоты. Иногда такое колебание будет существовать без заметного вли­яния на нормальную работу источника. Однако если амплитуда этого паразитного колебания достигнет высокого уровня, то ухудшится стаби­лизация или другие характеристики. При данных обстоятельствах выход транзистора из строя вполне вероятен. Причиной отказа обычно явля­ется пробой затвора высоким напряжением радиочастоты. Часто исполь­зуемым средством защиты от такого неблагоприятного исхода являются ферритовые бусинки, надетые на провод затвора, или резисторы в цепи затвора, либо то и другое. Часто достаточно включить безиндуктивный резистор с сопротивлением 100 ом. Важно, конечно, придерживаться по­ложительного опыта, накопленного при изготовлении персональных компьютеров — проводники должны быть как можно короче, а располо­жение компонент должно быть таким, чтобы минимизировать связь между входом и выходом схемы. На плате всегда желательно иметь за­земляющий слой, а применение экранирования и шунтирования никог­да не будет лишним. Побочным результатом подавления паразитных ко­лебаний является снижение радиопомех.

Рекламные материалы говорят, что мощный МОП-транзистор ус­тойчив к повышению температуры. Эта утверждение по существу верно, но исходит оно обычно из отдела маркетинга, а не из технической лабо­ратории. Практически мощные МОП-транзисторы подвергаются тепло­вому разрушению так же, как и биполярные транзисторы. Однако тре­буется очень значительная перегрузка, чтобы вызвать его перегрев. К сожалению, на практике ради снижения стоимости вопросам отвода теп­ла и безопасности не уделяется достаточно внимания и плохая работа транзистора не редкость. Потребителю мало приятного обнаружить, что мощные МОП-транзисторы могут быть разрушены также, как биполяр­ные транзисторы; утверждение, что механизмом отказа не может быть вторичный пробой или разогрев транзистора, представляет собой чисто академический интерес.

Распространенная ошибка, допускаемая теми, кто впервые создает схемы с мощными МОП-транзисторам, состоит в предположении, что цепь затвора не потребляет тока и поэтому управление такими прибора­ми тривиально. Хотя это справедливо для постоянного тока, но при час­том переключении цепь затвора потребляет ток по той причине, что она эквивалентна конденсатору, подключенному к драйверу. Недостаточное возбуждающее напряжение и ток означают, что включенное состояние не будет осуществлено в полной мере. Это, в свою очередь, влечет за собой повышенное падение напряжения на транзисторе, снижение к.п.д. и выделение большого количества тепла. Работа транзистора, как и лю­бого другого устройства, при повышенной температуре уменьшает его надежность. Если ток возбуждения соответствует линейному режиму мощного МОП-транзистора, то неприятности не заставят себя ждать. В любом случае, убедитесь, что драйвер имеет низкое выходное сопротив­ление и может обеспечить достаточно большой выходной ток.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты