Управління імпульсним транзистором полягає не тільки в забезпеченні насичення протягом часу, коли він включений. На рис. 13.2 видно, що струм бази не припиняється в той момент, коли транзистор, як передбачається, закритий. Щоб звести заряд, накопичений в базі, до нуля, деякий час повинен протікати струм бази. В цей час продовжує текти струм колектора, начебто транзистор все ще відкрите сигналом від зовнішнього джерела струму. Це явище в значній мірі визначає час спаду струму колектора. З іншого боку, зі збільшенням струму бази зменшується час наростання струму колектора. Таким чином, величина струму бази по-різному позначається на втратах при включенні і виключенні (рис. 13.1). Оскільки струм бази безпосередньо впливає на втрати при включеному стані транзистора, легко помітити, що повинна існувати оптимальна величина базового струму при включенні. Процеси ускладнюються тим, що часто напруга на базі роблять негативним протягом часу, коли транзистор повинен бути закритий, з метою зменшити втрати в цей час і скоротити час вимикання. Як слід очікувати, оптимальний сигнал на базі часто встановлюють емпірично на дослідному макеті намагаючись отримати максимально можливий к.к.д.

Через прийнятих при створенні транзисторів компромісних рішень не може бути універсального транзистора. Германієвий транзистор задовольняє необхідним вимогам одного перемикача, в той час як інші вимагають складного кремнієвого транзистора з потрійною дифузією. Але є один критерій, якому повинні слідувати всі конструктори: транзистор повинен залишатися в області безпечної роботи (SOA). SOA накладає обмеження на роботу транзистора на додаток до тих, які випливають з обліку тільки розсіюється.

Формулюється це просто, Ви не можете мати одночасно максимальними струм, напруга і номінальну потужність. Концепція SOA представлена ​​графічно на рис. 13.3. Якби транзистор був простим пасивним пристроєм, типу 100 ватного резистора, то взагалі не мало б значення, як отримані ці 100 Вт: від джерела постійної напруги величиною 10 В при струмі 10 А або від джерела імпульсів 50 В при струмі 10 А з 20-процентним робочим циклом. З транзистором справа йде не так, він має обмеження по струму колектора і за напругою вторинного пробою, які набагато нижчі, ніж варто було б з простого продовження лінії, що зображує максимальне допустиме розсіювання потужності. Напруга між колектором і емітером обмежено через небезпеку лавинного пробою.

Рис. 13.2. Вплив накопичення заряду в базі на час спаду струму колектора. (А) Ідеальне напруга створюване драйвером на базі переключающего транзистора. (В) Форма напруги, реально спостережувана на базі. (С) Ток емітерного переходу. (D) Форма струму колектора – це струм, що протікає через зовнішню котушку індуктивності під час включеного стану.

Рис. 13.3. Ілюстрація до визначення поняття область безпечної роботи потужного транзистора. Допустима не будь-яка комбінація колекторного напруги та струму. Дозволені напруга і струм обмежені вторинним пробоєм, максимально допустимим струмом колектора та максимально допустимим колекторним напругою. Навіть якщо ці обмеження не порушені, необхідно дотримуватися максимально допустиму рассеиваемую потужність.

Рис. 13.3, однак, відображає не все. У реального транзистора необхідно враховувати зменшення розсіюваною потужності з підвищенням температури. Крім того, виявляється, що існує припустиме зменшення меж SOA в залежності від форми сигналу. Як можна очікувати, при скороченні часу включеного стану, умови експлуатації транзистора стають більш сприятливими. Тому, більш правильний підхід до SOA зображений на рис. 13.4, з якого можна отримати не тільки основні кордону, зображені на рис. 13.3, а й те, як ці кордони змінюються в залежності від тривалості робочого циклу і температури. Таким чином, Вам необхідно мати сімейство кривих SOA, де параметром є час включеного стану і залежність потужності від температури. Така інформація зазвичай публікується великими виробниками імпульсних транзисторів, але вона не включає в себе всі умови, що призводять до вторинного пробою; якщо у Вас є сумніви, то зверніться до виробника за більш повною інформацією.

Рис. 13.4. Типове сімейство кривих SOA і залежність потужності від температури. Коли температура корпусу перевищує 25вС, допустимі робочі умови, представлені у вигляді SOA повинні бути змінені. Якщо в залежності потужності від температури вказана температура переходу, то необхідно скористатися формулою для обчислення температури корпусу. В принципі, температура переходу є більш фундаментальним параметром.

Рис. 13.5. Типовий набір кривих показує тимчасові параметри, що визначають швидкість комутації. tr – Час наростання, / – час розсмоктування заряду, tf – Час спаду. Іноді додається четверта крива – час затримки включення td. Ця величина зазвичай мала в порівнянні з іншими часами. Motorola Semiconductor Products, Inc.

Беручи до уваги тільки граничну частоту fT, Можна оцінити, чи є імпульсний транзистор «швидким» або «повільним», але це не буде надійним показником роботи в режимі перемикання. Тому, виробники транзисторів надають графіки, зображують затримку, швидкість включення, час розсмоктування заряду і час вимкнення тих транзисторів, які можуть бути використані в якості перемикачів. Типовий набір таких кривих показаний на рис. 13.5. Підсумовуючи часи затримки, включення, розсмоктування заряду і виключення, легко можна дати обгрунтований висновок щодо допустимих частот перемикання і робочих циклів. Криві також дають можливість оцінити можливі втрати при включенні і виключенні транзистора. Можна зробити так, щоб час включеного стану було досить великим у порівнянні з часом наростання і часом спаду.

Діоди

Діоди широко застосовуються в схемах ПІП. Ми обмежимося обговоренням випрямних і фіксуючих діодів, а проте загальні ідеї будуть застосовні і при реалізації інших функцій, таких як комутація, утримання пристрою у вимкненому стані, заряд конденсатора та інші, в тому числі і функцій передбачають використання тиристорів.

Загальна помилка, що допускається в ранніх конструкціях ПІП полягала в тому, що діоди вибиралися за здатністю витримати найгірші умови з точки зору прямого і зворотного напруги, прямого струму, підвищення температури і за здатністю витримувати кидки струму і струм короткого замикання. Це відповідає хорошому консервативному, інженерного підходу, і він зберігався до тих пір, поки частота перемикання цих джерел не почала збільшуватися. Після того, як була досягнута частота кілька кілогерц, звуковий шум досяг неприємного рівня, особливо при більш високих рівнях потужності. Це підштовхнуло до швидкого переходу в ультразвукову частину спектра, що починається приблизно з 20 кГц. Тепер стало недостатньо вибирати діоди тільки на тій підставі, що вони мають хороші характеристики на частоті 60 Гц; знадобилося враховувати частотні властивості діодів.

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