1.3.4. Обеспечение безопасной работы транзисторов

Главным условием надежной работы транзисторов является обеспечение соот­ветствия областей безопасной работы транзисторов их статическим и динамиче­ским вольт- амперным характеристикам, определяемым условиями работы.

Область безопасной работы силовых транзисторов. На рис. 1.19, а представ­лены ОБР биполярного транзистора при постоянном и импульсном токах различной длительности Максимальное значение тока коллектора I_smax и соответствую­щий ему участок АВ являются предельными значениями постоянного тока.

Участок ВС ограничивает ОБР в соответствии с максимально допустимой мощ­ностью потерь в приборе. Участок DЕ соответствует максимальному допустимому значению напряжения коллектор-эмиттер U_{СЕ mах} транзистора, превышение кото­рого приводит к пробою структуры транзистора и выходу его из строя. Ограниче­ние на участке СD определяется вторичным пробоем. Под вторичным пробоем понимают выход из строя транзистора под воздействием локальных перегревов отдельных областей структуры. В импульсных режимах работы границы ОБР расширяются: чем короче импульс, тем шире границы ОБР (кривые 1 и 2 на рис. 1.19, а). При импульсах очень малой длительности (кривая 3) ограни- чение по максимально допустимой мощности отсутствует. Это объясняется инерционно­стью тепловых процессов, вызывающих перегрев структуры транзисторов.

в

Рис. 1.19. Области безопасной работы транзисторов:

а – биполярного; б – МОП; в - МОПБТ

Ограничениями, определяющими область безопасной работы МОП- транзисто­ров (рис. 1.19, б), являются максимальные допустимые значения тока стока I_Dmax(участок АВ) и напряжения сток-исток U_SDmax (участок СD), а также допустимые значения мощности рассеяния (участок ВS), определяемые сопротивлением тран­зистора в открытом состоянии и напряжением сток-исток . Так же, как и для биполярных транзисторов, границы ОБР для полевых транзисторов в импуль­сных режимах расширяются (кривые 1, 2, 3). Положительной особенностью области безопасной работы (ОБР) полевых транзисторов, включая и IGBT транзисторы, является отсутствие ограниче­ний, связанных со вторичным пробоем, который в этом классе транзисторов не возникает.

Область безопасной работы МОПБТ может быть при прямом и обрат­ном напряжении (рис. 1.19, в). Область ВАХ, соответствующая об-

ратному напряжению , существует для некоторых типов МОПБТ, что указывается в условиях по их применению [7]. На рис. 1.19, в область обратного напряжения обоз­начена 1', 2', 3'. Для прямых напряжений ОБР МОПБТ имеет сходство с ОБР поле­вых транзисторов. Максимальное значение тока I_smax ограничивается условием перехода транзистора в активный режим с повышенным выделением мощности.

Защита транзисторов в динамических режимах работы. Форма динамических ВАХ транзисторов зависит от коммутируемой нагрузки. Например, выключение активно-индуктивной нагрузки вызывает перенапряжения на ключевом элементе. Эти перенапряжения определяются ЭДС самоиндукции L di/dt, возникающей в индуктивной составляющей нагрузки при уменьшении тока i_н до нуля. На рис. 1.20 приведены типовые схемы, позволяющие исключить или ограничить перенапряжения при коммутации активно-индуктивной нагрузки. Элементы схемы, снижающие перенапряжения, могут рассматриваться как простейшие цепи формирования траектории переключения (ЦФТП).

В схеме на рис. 1.20, а при выключении транзисторного ключа S под воздей­ствием ЭДС самоиндукции (и_L = L di/dt) включается диод VD. При допущении идеальности диода напряжение на ключе и_s становится равным напряжению источника питания Е. После выключения ключа S ток замыкается в цепиR_н — L_н — VD, постепенно затухая до нуля с постоянной времени _н = L_Н/R_Н.

а б в г

Рис.1.20. ЦФТП на включение активно-индуктивной нагрузки:

а- на основе обратного диода; б – на основе стабилитрона; в – на основе конденсатора;

г – на основе трансформаторной связи

При этом энергия, накопленная в реакторе индуктивностью L_н, потребляется активным сопротивлением R_н. Аналогичный принцип ограничения перенапряжения исполь­зуется в схеме на рис. 1.20, б. Разница заключается в том, что включение стаби­литрона VD, в отличие от диода, происходит при напряжении пробоя стабилит­рона, которое соответствует максимальному напряжению на транзисторном ключе S. В схеме на рис. 1.20, в при выключении ключа S ток нагрузки через диод VD заря­жает конденсатор емкостью С_s•

Ограничение перенапряжения в схеме на рис. 1.20, г происходит посредством введения дополнитель­ной цепи с диодом VD, имеющей трансформаторную связь с нагрузкой. При выключении ключа S в обмотке N₂ индуцируется ЭДС, под воздействием которой включается диод VD и энергия, накопленная в индуктивности начинает рекупе­рироваться в источник питания. Перенапряжения на транзисторе и значение реку­перируемого тока определяются соотношением числа витков N₁ и N₂.

На рис. 1.21 представлена схема транзистора с ЦФТП для уменьшения потерь при выключении и временные диаграммы тока транзистора , напряжения и мощности , выделяемой в транзисторе при разных значениях .

Из диаграмм видно, что увеличение затягивает нараста­ние напряжения на конденсаторе и уменьшает выделяемую в транзисторе при его выключении энергию =s dt. Накопленная в конденсаторе энергия потребляется резистором при включении транзисторного ключа S. Сопротивление резистора должно обеспечивать за время включенного состояния транзистора разряд конденсатора .

Рис. 1.21. ЦФТП на включение при разных значениях емкости: а- принципиальная схема; б- диаграммы тока, напряжения и мгновенной мощности при = 0; в – диаграммы тока, напряжения и мгновенной мощности при недостаточной емкости ; г – диаграммы тока, напряжения и мгновенной мощности при достаточно большой емкости

Обычно при проектировании минимизируют суммарную мощность, выделяемую в транзисторе и резисторе . Для этого рас­считывают оптимальные значения и С_s. Для вывода этой энергии к моменту очередного выключения ЦФТП должна иметь дополнительные элементы. В частности, для этой цели можно использовать дополнительный резистор и диод VD_s. Так как ключевой режим работы транзисторов зависит от периодической коммутации, используют схемы ЦФТП, формирующие необходимые траектории как при включении, так и при выключении (рис. 1.22). В отличие от биполярных в МОП- транзисторах не происходит вторичный про­бой, что облегчает задачу их защиты. Кроме того, во включенном состоянии эти транзисторы характеризуются большими значениями эквивалентного сопротивле­ния _оп..

При выключении активно-индуктивной нагрузки для вывода энергии, накопленной в индуктивности нагрузки, используют те же способы, что и для биполярных транзисторов ( рис. 1.22). Однако для снятия перенапряжений, обусловленных малыми значениями монтажных индуктивностей и в то же время высокими значениями ,/dt используют RC-цепи, подключенные параллельно транзистору (рис. 1.23), которыми, как правило, и ограничиваются.

МОПБТ обладает повышенной устойчивостью к короткому замы­канию. Это обусловлено слабой зависимостью его напряжения насыщения от больших токов. Напряжение насыщения МОПБТ определяется значением напря­жения управления, подаваемого на затвор транзистора, которое выбирается с уче­том тока короткого замыкания.

Рис.1.22. Пример схемы ЦФТП на включение Рис.1.23. ЦФТП МОП- VT

и выключение на основе RC

Другим фактором, обеспечивающим устойчивость МОПБТ к режимам короткого замыкания, является отрицательное значение тем­пературного коэффициента тока в отличие от положительного его значения у бипо­лярных транзисторов. В этой связи ток короткого замыкания МОПБТ уменьша­ется при повышении температуры. Эти особенности МОПБТ позволяют кратковременно обеспечить значительное повышение тока коллектора МОПБТ в режиме короткого замыкания без выхода из области безопасной работы.