Якщо є достатньо повна інформація про транзисторах, то для досягнення оптимального співвідношення між надійністю і вартістю при виборі потужних транзисторів для інверторів та перетворювачів, можна скористатися суворої процедурою. Зазвичай ні професіонали, ні аматори не мають можливості дізнатися значення необхідних параметрів, щодо теплових характеристик, індуктивності розсіювання трансформатора інвертора, короткочасних перехідних процесів або різних відхилень транзисторів від нормативів. З іншого боку, вибір транзисторів за допомогою «грубих» наближень часто призводить до недостатньої економічності схеми і до зниження експлуатаційних якостей. Задовільний метод полягає в застосуванні емпіричних правил, але з ясним розумінням основних використовуваних моментів. Таким чином, «емпіричні правила» буде виглядати як логічні умовиводи, а не необгрунтовані угоди.

Спочатку слід усвідомити важливість поняття безпечна робоча область (SOA – safe-operating area). SOA – це такі номінальні значення максимального струму, напруги та потужності, які не повинні досягатися одночасно (деякі виробники використовують іншу термінологію, типу SOC – криві безпечної роботи і SRO – область безпечної роботи). Криві, показані на рис. 3.22, визначають безпечні робочі області для потужного транзистора RCA423. Якщо лінія навантаження інвертора або перетворювача лежить всередині площі, обмеженої зображеними лініями (тобто, лінією постійного струму або лінією постійного напруги), то транзистор буде знаходитися в «безпечної області». Однак припустимо відхилення лінії навантаження за межі цієї площі, якщо час цього відхилення потрапляє в інтервал, позначений на зовнішніх (похилих) лініях. SOA має чотири кордони – по току, по потужності, по напрузі вторинного пробою і по напрузі (первинного) пробою.

Фактично, сказане стосується лише до випадку, коли температура приладу дорівнює 25 ° С. Оскільки реальні методи відводу тепла не здатні підтримувати температуру приладу рівною 25 ° С, слід скористатися кривими, що характеризують обмеження допустимих значень (рис. 3.23), щоб змінити межі SOA, отримані на підставі рис. 3.22. В деяких випадках, виробники напівпровідникових приладів призводять характеристики SOA, які не потребують ніякого обмеження робочих параметрів до температур 75 ° С. Крім того, для деяких потужних транзисторів, потрібно зменшувати тільки кордон максимальної розсіюваною потужності в залежності від температури.

Рис. 3.22. Типове сімейство безпечних робочих областей (SOA) для потужного транзистора. RCA Solid State Div.

Слід зауважити, що якщо немає явища вторинного пробою, то область безпечної роботи (SOA) транзистора буде по суті подібна аналогічної області простого резистора. Зазвичай для резисторів вказується максимальний струм і напруга, а між цими значеннями користуються критерієм «максимальної потужності, що розсіюється». Зверніть увагу, що ділянки характеристик на рис. 3.22, що мають нахил 45 °, представляють собою лінії постійної розсіюваною потужності (оскільки характеристики представлені в подвійному логарифмічному масштабі).

Тз, Температура приладу (° С)

Примітка:

зменшення допустимого значення струму при постійній напрузі застосовується лише до частини графіка, що відповідає максимальній потужності, що розсіюється і до ділянки, що визначає граничне значення IS/b.

Не зменшується вказане значення /зМАКС.

Рис. 3.23. Залежності температурних обмежень допустимих значень.

Зазначимо, що вторинний пробою є додатковим фактором, що впливає на SOA. Вторинний пробій – функція струму, напруги і часу – тобто енергії. Температура робить менший вплив. Вторинний пробій (в точці Xна рис. 3.24) викликає скорочення площі переходу база-колектора. Це веде до дуже високої щільності струму і до теплового руйнування транзистора, навіть якщо середня температура переходу залишається в межах норми. Вторинний пробій руйнує транзистор з більшою ймовірністю, ніж первинний, який пов’язаний з надмірним напруженням колектор-емітер. Взагалі, коли є енергія, достатня, щоб викликати вторинний пробою, між емітером і колектором транзистора має місце коротке замикання. З характеристик не очевидно припущення, що вторинний пробій може відбуватися без перетину лінією навантаження області первинного пробою.

На рис. 3.25 показана узагальнена лінія навантаження для двох-трансформаторного інвертора. Пунктиром зображена лінія навантаження при відсутності індуктивності розсіювання у вихідному трансформаторі. Очевидно, що індуктивність розсіювання підвищує ймовірність виходу за межі SOA. Зокрема, стає більш вірогідним вторинний пробій в транзисторі. Крім індуктивності розсіювання та інші фактори можуть сприяти відхиленню лінії навантаження від прямої. Наприклад, негативно позначається наявність розрядженого конденсатора фільтра під час запуску перетворювача. Аналогічний ефект спостерігається і в інвертора, і в перетворювачах при надмірно сильної зворотного зв’язку.

Усе, Напруга колектор-емітер

Рис. 3.24. Явище вторинного пробою в транзисторах. Motorola Semiconductor Products, Inc.

Рис. 3.25. Двотрансформаторних інвертор і його лінія навантаження.

Доброю представляється ідея отримати фотографію лінії навантаження з екрану осцилографа. Вона корисна навіть для тих, хто, маючи дані про SOA, намагається отримати кількісні результати, хоча допомогти на початковому етапі розрахунку не може.

На щастя, зазвичай можна цілком успішно впоратися із завданням, використовуючи емпіричний підхід. Перше питання, що вимагає рішення величина номінальної напруги транзисторів. Якщо знехтувати індуктивністю розсіяння, то його можна визначити з припущення, що до кожного транзистору докладено подвоєне напруга живлення. З урахуванням невеликого запасу, досить вибрати транзистори з номінальним значенням VCE0 приблизно в 2,3 рази перевищує напруга живлення. Фактично, це цілком прийнятно для інверторів із зовнішнім збудженням, що використовують вихідні трансформатори на тороїдальним сердечнику. Для інших інверторів та перетворювачів, звичайно краще взяти напруга VCE0 від 2,5 до 3 разів вище напруги живлення.

Допустимий колекторний струм транзистора повинен бути не менше Р / ке, де Р – необхідна вихідна потужність, к – очікуваний к.к.д., а Е – напруга живлення. Хоча часто можна розраховувати на більш високий к.к.д., для к можна прийняти величину 75 відсотків. Коефіцієнт посилення по струму в повинен бути високим при вибраному значенні струму. Для отримання високого к.п.д. бажано, щоб коефіцієнт був більше 20. Сучасні транзистори, як правило, мають коефіцієнт посилення по струму більше 20, а у транзисторів, включених по схемі Дарлінгтона, звичайною вважається величина в рівна кільком сотням.

Хоча потужні транзистори з високим коефіцієнтом посилення по струму дійсно виявляються корисними для підвищення к.к.д. і поліпшення пускових характеристик, не слід надавати надмірне значення тому або іншому параметру транзистора. Це пов’язано з тим, що існує взаємозв’язок між всіма параметрами. Щось виграємо в одному, втратимо в іншому. Крім того, часто найкраще виявляється небажаним. Наприклад, доцільно знайти транзистор з помірним коефіцієнтом посилення по току, який знижується при максимальних значеннях струму. Такий транзистор буде зменшувати амплітуду викидів напруги.

Інший приклад – застосування транзистора з дуже високою верхньою граничною частотою fr Цей параметр тісно пов’язаний зі швидкістю перемикання транзистора. У загальному випадку помилково вважати, що вибір транзистора з номінальною частотою перемикання 50 кГц переважніше транзистора з частотою перемикання 20 кГц для інвертора з робочою частотою 25 кГц. Висока гранична частота або малий час перемикання досягаються за рахунок скорочення SOA. За інших рівних умов зазвичай нерозумно шукати транзистор з частотними можливостями вище тих, з якими він може працювати «на межі можливостей». Звичайно, якщо припустити, що знайшовся інший виробник, який запропонував потужний транзистор, призначений для роботи в інвертора з частотою 30 кГц, то такий прилад буде звичайно заслуговувати на увагу.

Дуже бажано, щоб у потужних транзисторів була низька колекторне напруга в режимі насичення VCE(SAT). Акцентування уваги на цьому параметрі є однією з головних причин того, що германієві транзистори не були повністю замінені кремнієвими. Чим нижче напруга живлення, тим нижче к.к.д. при високому VCE(SAT). Однак необхідно переконатися в тому, що підвищення ККД, отримане за рахунок низького VCE(SAT)i не компенсується високим колекторним струмом витоку, також звичайним явищем у германієвих транзисторів. Позитивним властивістю германієвих транзисторів була відносно низька вартість. Це може бути, а може і не бути вирішальним фактором, коли беруться до уваги менш сприятливі теплові характеристики германієвих приладів. Та й потужні кремнієві транзистори вже не такі дорогі, як раніше.

На закінчення зазначимо що, більшість опублікованих кривих SOA ставляться до роботи транзистора в режимі прямого зсуву. В інверторах

робота транзистора із зворотним зсувом в режимі відсічення робить його більш схильним вторинному пробою. Саме тому багато схеми інверторів мають обмежує діод, включений між базою і емітером. Крім того, обмотки зворотного зв’язку слід розрахувати так, щоб напруга зворотного зв’язку, що подається на базу, не було надмірно великим. Мудре рішення полягає в тому, щоб використовувати транзистори, спеціально призначені для роботи в інвертора. Виготівники транзисторів звертають особливу увагу на надійність їх роботи в режимі перемикання.

Практичний приклад інвертора, який використовує деякі із згаданих вище міркувань, зображений на рис. 3.26. В цьому 250 ватної инвертор з номінальною частотою 25 кГц використовується двотрансформаторних схема з транзисторами, спеціально призначеними для роботи з високою частотою. Обидва трансформатора намотані на тороїдальних сердечниках, але в насичення потрапляє тільки вхідний трансформатор. Зверніть увагу на обмежуючі діоди між базою і емітером. Встановлюваний досвідченим шляхом струм бази визначається єдиним резистором, оскільки він обмежує струм бази обох транзисторів. Слід звернути увагу на фазировку трансформаторів, і перше включення проводити при зниженій напрузі живлення (при невірному включенні обмоток високочастотні транзистори можуть генерувати в непередбачуваному режимі і вийти з ладу).

Джерело: І.М.Готтліб Джерела живлення. Інвертори, конвертори, лінійні і імпульсні стабілізатори. Москва: Постмаркет, 2002. – 544 с.