Ідея використання перемикання замість розсіювання потужності на реостате для регулювання та стабілізації постійної напруги та струму фактично не нова. Проте її широке застосування протягом тривалого часу стримувалося через деякі упереджень серед тих, хто займався джерелами живлення. Основним серед них була думка, згідно з яким метод перемикання за своєю природою є ненадійним. Вважалося також, що будь-які переваги в порівнянні з лінійним джерелами зводяться нанівець появою електричних перешкод. Зрештою, було досягнуто розуміння процесів, що відбуваються, що дозволило забезпечити надійність на технічному рівні. Коли, нарешті, було встановлено контроль над деструктивними перехідними процесами перемикання, як за помахом чарівної палички були зняті багато проблем, пов’язані з шумами. Як тільки таємниця виходу з ладу транзисторів була пояснена, напівпровідникові фірми вжили заходів з виробництва транзисторів з більшою електричної надійністю.

До появи потужних МОП-транзисторів було відмічено, що руйнування біполярних перемикаючих транзисторів могло бути пов’язане з деякими умовами експлуатації. Наприклад, не рідко вихід переключающего транзистора з ладу наступав в момент, коли джерело живлення підключався до мережі змінної напруги. Це проблема була пов’язана зі стрибком струму, доповнена вразливістю транзистора до деяких комбінаціям колекторного струму і напруги, що відображено в кривих SOA, що публікуються виробниками транзисторів. Позбутися цієї проблеми дозволяють два прийоми. Перший полягає у використанні термісторів в мережі змінної напруги або у випрямлячі, що знижує початковий кидок струму при включенні живлення. Кидок струму пов’язаний з тим, що в перший момент конденсатори розряджені і з короткочасною роботою переключающего транзистора в лінійному режимі. Два приклади використання термісторів NTC наведені на рис. 15.6 і 15.7.

На додаток до терморезистора, а іноді і замість них, більшість ІС управління використовують «плавне включення» схеми з затримкою включення переключающего транзистора на частки секунди, після того, як на схему подано напругу мережі. Ця схема крім того захищає транзистор від руйнування, яке може відбуватися при вимиканні харчування.

Перемикаючий транзистор, як виявилося, сам створював невловимого руйнівника. На початку і наприкінці включеного стану, транзистор опиняється під впливом несприятливих комбінацій колекторного напруги і струму. Ці комбінації роблять транзистор сприйнятливим до фатального вторинному пробою, коли його руйнування відбувається навіть при відсутності спостережуваного підвищення робочої температури. Було також виявлено, що комбінації напруги та струму, що призводять до пробою при прямому і зворотному зсуві різні і, взагалі кажучи, повинні розглядатися окремо. «Зворотне зсув» прикладена до бази виключається транзистора може бути просто рівним нулю.

Рис. 15.6. Застосування термістора для зменшення кидка струму в перетворювачі. У цій схемі термістор NTC поміщений в ланцюг мережі змінної напруги. Cherry Semiconductor Corp.

Рис. 15.7. Частина схеми перетворювача, що ілюструє застосування термісторів. Термістори R \ і R2 обмежують кидок струму при включенні схеми.

Швидкість зменшення струму при виключенні транзистора впливає на два побічних ефекту. Чим швидше відбувається вимикання, тим більшим буде кидок напруги на будь індуктивності, через яку протікає цей змінюється струм. Індуктивністю може бути індуктивність розсіювання трансформатора або, при високій частоті перемикання, провідники на платі друкованого монтажу. Інший побічний ефект проявляється, коли вимкнення затримується або відбувається відносно повільно. Це призводить до збільшення потужності, що розсіюється через тривале присутності на транзисторі значного напруження при відносно великому струмі колектора. Обидва побічних ефекту збільшують втрати при комутації, знижують ККД, збільшують шум і, що найгірше, можуть зруйнувати транзистор через вихід за межі RBSOA (область безпечної роботи в режимі зворотного зсуву).

В ідеалі хотілося б бачити, що транзистор вимикається миттєво в схемі не має індуктивності. Обидва ці умови неможливо виконати практично. Швидке вимикання і мінімальна індуктивність – ось мета, до якої прагнуть на практиці. Незважаючи на всі вжиті заходи обережності, часто енергія, що міститься у викиді, досягає небезпечної величини. Для поглинання цієї короткочасної енергії використовуються різні методи обмеження і демпфування. З цією метою був винайдений ряд пасивних ланцюгів. Найпростішою, і можливо найбільш часто зустрічається з них, є послідовна ^ С-ланцюг, що з’єднує колектор з емітером, як показано на рис. 15.8. Більш складні ланцюги можуть бути названі амортизуючими.

Оптимальні значення простого ^ С-демпфера найкраще визначати емпірично. Однак початкові величини можна розрахувати, використовуючи наступні співвідношення:

де

С – ємність у Фарада (множиться на 10б, Щоб отримати значення в мікрофарад)

К-пікова напруга при перемиканні R – опір в Омасі

Р – номінальна потужність опору в ватах / – частота перемикань в герцах.

Рис. 15.8. Проста демпфуюча ЛС-ланцюг, використовувана для поглинання зворотного кидка енергії, накопиченої в індуктивності. Конденсатор повинен мати низьку величину ESL; резистор слід вибирати безіндуктівним.

Напруга V фактично дорівнює напрузі VCE]P яке знаходиться в довідниках по транзисторам. Напруга VCEX повинно бути вище вхідної напруги VINvum подвоєного вхідного. Величину, на яку треба орієнтуватися, можна вибрати після ретельного аналізу різних комутаторів (показані на рис. 15.9). Перевага полумостовой схеми з двотактним комутатором щодо вимог до VCEX очевидно. Зазначимо, також, використання обмежують обмоток і обмежують діодів для повернення енергії, накопиченої в індуктивності, у вхідний джерело живлення.

На фіксує діод, зазвичай зустрічається в імпульсних джерелах живлення, зазвичай не звертали особливої ​​уваги до тих пір, поки частоти перемикань були в діапазоні від 20 до 40 кГц. Дуже часто всі вважали, що цей діод здійснює лише випрямлення, і основна ідея полягала в тому, щоб вибрати перемикаючий транзистор з відповідними частотними властивостями. В основному використовували схему, зображену на рис. 15.10. Досвід показував, що підвищення температури цих двох напівпровідникових приладів було цілком розумним.

Рис. 15.9. Оцінка напруги на транзисторах в різних імпульсних схемах. Для підвищення надійності можуть бути введені демпфіруючі ланцюга. Крім того, зверніть увагу на обмежуючі обмотки і обмежують діоди.

Рис. 15.10. Спрощена схема, яка зображує перемикаючий транзистор і фіксує діод. Неідеальність діода робить сильний вплив на безпеку роботи переключающего транзистора.

Згодом, у міру того, як стали застосовуватися і більш високі швидкості комутації, і більш високі напруги, «таємничі» відмови переключающего транзистора стали більш частим явищем. На практиці це часто супроводжувалося виходом з ладу інших компонент і пристроїв, і тому не було завжди ясно, який елемент викликав ланцюгову реакцію. Коли, врешті-решт, стало очевидним, що винуватцем відмови є перемикаючий транзистор, природною реакцією було дізнатися чому. Не варто занадто дивуватися тому, що перемикаючий транзистор дуже легко виходить з ладу. Вивчення області безпечної роботи, зображеної на рис. 15.11, показує одне слабке місце типового потужного транзистора. Інша небезпека пов’язана з вторинним пробоєм, який можливий при деякій комбінації напруги і струму при виключенні транзистора.

Рис. 15.11. Область безпечної роботи (SOA) типового імпульсного транзистора при прямому зміщенні. Не будь-яка комбінація струму колектора і напруги задовольняє допустимої потужності, що розсіюється. При деяких комбінаціях відбувається руйнування транзистора, швидше за все через вторинного пробою.

Motorola Semiconductor Products, Inc.

До точки А існує деяке граничне значення струму. Можна припустити, що воно в значній мірі визначається внутрішніми з’єднаннями в транзисторі. На лінії від точки А до точки В різні комбінації струму колектора і напруги дозволяють залишатися в межах 500 ват потужності, що розсіюється. Іншими словами, в цій області транзистор веде себе як резистор, розрахований на таку потужність, для якого не надто суттєво співвідношення між напругою і струмом, лише б не була перевищена номінальна потужність.

Тепер, переглянемо, що відбувається в точці С; допустима розсіює потужність дуже швидко знижується до величини близько 30 Вт! Тепер вже можна припускати, що деякі аномальні режими в комутаторі можуть викликати вторинний пробою переключающего транзистора – типовий випадок виходу його з ладу. Прийняття цього припущення приводить до необхідності враховувати природні відхилення характеристик фіксуючого діода від ідеальних. По суті вони виражаються у вигляді кінцевого падіння напруги на діоді, коли він відкритий, затримки відкриття, кінцевого часу відновлення і внутрішньої ємності. Два останніх параметра особливо легко викликають появу перехідних процесів, що призводять до виходу за межі SOA, що призводить до вторинного пробою і руйнування перемикаючих транзисторів. Фіксуючий діод, що фактично є винуватцем неприємностей, часто сам виходить з ладу!

Відбувається так, що фіксує діод замість виключення в той момент, коли включається перемикаючий транзистор, продовжує проводити, що призводить до протікання через транзистор великого струму. Уповільнений вимкнення діода пов’язано з накопиченням заряду протягом попереднього включеного стану. Процес виключення характеризується часом відновлення діода. При високих частотах перемикання власна ємність діода також створює додаткове навантаження на перемикаючий транзистор під час перехідного процесу. Основна ідея при створенні схеми полягає у виборі фіксуючого діода з досить малим часом відновлення, щоб мінімізувати навантаження на перемикаючий транзистор. Форма сигналів при включенні транзистора, зображених на рис. 15.12, ясно показує, що додаткова потужність, що розсіюється транзистором під час перехідних процесів, викликана неідеальної характеристик реальних фіксують діодів.

Все це здається досить простим, коли зрозумілий основний причинно-наслідковий механізм явища. У реальному житті створення способів захисту стає мистецтвом і наукою, що пов’язано з наявністю різноманітних взаємодій, необхідності прийняття компромісних рішень і впливу паразитних параметрів. Наприклад, при інших рівних умовах часто вибирається імпульсний транзистор з малим часом наростання. Однак необхідно врахувати, що такі транзистори можуть бути менш надійними по іншим параметрам. Швидке наростання струму транзистора підвищує вимогу до швидкості відновлення фіксуючого діода. Крім того, включення переключающего транзистора не може бути настільки швидким, як це зазначається в довідниках через індуктивності проводів. Іноді відновлення діода може виявитися занадто швидким, що проявляється у вигляді високого рівня шумів.

Рис. 15.12. Форма сигналів при включенні транзистора з ідеальним і реальним фіксуючим діодом. Пунктирні лінії відповідають випадку ідеального діода. Заштрихована область зображує додаткову потужність, рассеиваемую перемикаючим транзистором, через кінцевого часу відновлення і ємності реального діода. Unitrode Corp.

Оскільки діод Шотки не накопичує неосновних носіїв, у нього відсутня процес відновлення і, здавалося б, він ідеально відповідає вимогам, що пред’являються до фіксуючого діоду, усуваючи додаткову навантаження на перемикаючий транзистор при перехідному процесі. Однак часто інші фактори перешкоджає його використанню, такі як робоча температура, номінальну напругу і зворотне опір. Крім того, при високих частотах перемикань, власна ємність діода Шотки може, по суті, надавати те ж саме вплив на форму сигналу при включенні переключающего транзистора, що і процес відновлення звичайного діода.

Періодично повторюється перевантаження, викликана фіксуючим діодом, представляє велику небезпеку для переключающего транзистора, хоча його середня температура може залишитися на прийнятному рівні. Однак періодичний вихід переключающего транзистора за кордону SOA може викликати вторинний пробій і руйнування. Хоча руйнування являє собою енергетичне явище, можна нагадати про діелектричному пробої конденсатора при короткочасному перевищенні напруги. Теплова енергія, що виводить з ладу і перемикаючий транзистор, і конденсатор, настільки локалізована, що не представляється можливим виявити підвищення температури до їх руйнування.

Потужний МОП-транзистор майже вільний від вторинного пробою, незалежно від того включається він або вимикається. Тут доречно слово «майже», тому що значна енергія перехідного процесу може, звичайно, зруйнувати транзистор. Цікавою особливістю є вбудований внутрішній діод – паразитна рл-сгруктура, що виникає в процесі виготовлення транзистора. Вона часто використовується для протікання зворотного струму або як «фіксує» діод в комутаторах. Однак при частотах вище 100 кГц цей діод може бути невідповідним через його повільного відновлення. Хоча сам МОП-транзистор може працювати з частотами кілька мегагерц, його паразитний діод не так гарний.

Якщо Ви хочете використовувати зовнішній діод, то можна восшшшьзюваться часто застосовуваної схемою, показаної на рис. 15.13. Тут використовується зовнішній фіксує діод /) 3. Діод D2 переводить внутрішній діод у неактивний стан, блокуючи шлях його прямого струму. Як D2 зазвичай використовується діод Шотки, мішгаюізірующій шшгері потужності, які завжди мають місце. На малюнку зображений дажшшштельний діод DI, який обмежує кидок зворотного шшіржксшяя на первинній обмотці трансформатора ііш на іншій подібній швдужтівності. Цей діод також повинен бьггь швидкодіючим.

Потужний МОП-транзистор здатний працювати в більш широкому діапазоні комбінацій напруг і струмів на виході, чгем біполярний транзистор. З іншого стороюи у нього є свої слабкі мжcm Его відноситься до пробою тонкої плівки двоокису кремнію в: структурі затвора. Багато потужні МОП-транзистори потрапляють в опастауш зону, коли напруга «затвор-витік» перевищує 20В. Деякі перші транзистори мали захист ланцюга затвора з помощ’ш встроешшвйх стабілітронів. Але пізніше від цього відмовилися через огсріцатедмюго впливу цих діодів на частотні властивості. Деякі перемикаючі схеми використовують для цієї мети зовнішні стабілктрояввгс або варистори. На виході часто застосовують демпфіруючі ланцюга * інакше вьюошае тшряь ються перехідного процесу може потрапити на затвор через емжость затвор-стік.

Заради безпеки радять пакувати і звертатися! з потужними МОП-транзисторами так, щоб запобігти пробою затвора від розряду електростатичного електрики. Щодо * нвісокая е »« кістку затвора трохи знижує можливість пробою, з іншого сторож ни, як тільки накопичується високе електростатичне * наянрвжегаіе, з’являється енергія, достатня для пробою затвора. Крім того, пошкодження затвора, в деякому сенсі гірше, ніж руйнування, тому що його важко виявити. Таке неповне ушкодження, дуже ймовірно, скоротить термін служби МОП-транзистора при номінальних режимах. Іншим джерелом небезпеки для затвора є струм витоку паяльника при монтажі схеми. Відповідне заземлення і методи ізоляції в процесі зберігання і роботи щедро оплачуються тим, що у відповідній схемі потужні МОП-транзистори демонструють заслужену надійність.

Рис. 15.13. Комутатор на потужному МОП-транзисторі з зовнішнім діодом D3, який виконує функцію фіксуючого діода. Діод D2 в ланцюзі витоку розриває шлях струму перехідного процесу через внутрішній діод потужного МОП-транзистора.

Через високу крутизни і хороших частотних властивостей, потужний МОП-транзистор схильний іншому явищу, часто приводить до його руйнування. Разом з різними паразитними елементами реальної схеми пристрій може легко стати автогенераторів. Це дуже нагадує поява паразитних коливань в лампових підсилювачах радіочастоти. Іноді таке коливання буде існувати без помітного впливу на нормальну роботу джерела. Однак якщо амплітуда цього паразитного коливання досягне високого рівня, то погіршиться стабілізація або інші характеристики. За даних обставин вихід транзистора з ладу цілком імовірний. Причиною відмови зазвичай є пробою затвора високою напругою радіочастоти. Часто використовуваним засобом захисту від такого несприятливого результату є ферритові бусинки, надіті на провід затвора, або резистори в ланцюзі затвора, або те й інше. Часто досить включити безіндуктівний резистор з опором 100 ом. Важливо, звичайно, дотримуватися позитивного досвіду, накопиченого при виготовленні персональних комп’ютерів – провідники повинні бути як можна коротше, а розташування компонент має бути таким, щоб мінімізувати зв’язок між входом і виходом схеми. На платі завжди бажано мати заземлюючий шар, а застосування екранування і шунтування ніколи не буде зайвим. Побічним результатом придушення паразитних коливань є зниження радіоперешкод.

Рекламні матеріали говорять, що потужний МОП-транзистор стійкий до підвищення температури. Ця твердження по суті вірно, але виходить вона звичайно з відділу маркетингу, а не з технічної лабораторії. Практично потужні МОП-транзистори піддаються тепловому руйнуванню так само, як і біполярні транзистори. Однак потрібно дуже значне перевантаження, щоб викликати його перегрів. На жаль, на практиці заради зниження вартості питань відведення тепла і безпеки не приділяється достатньо уваги і погана робота транзистора не рідкість. Споживачеві мало приємного виявити, що потужні МОП-транзистори можуть бути зруйновані також, як біполярні транзистори; твердження, що механізмом відмови не може бути вторинний пробою або розігрів транзистора, являє собою чисто академічний інтерес.

Поширена помилка, що допускається тими, хто вперше створює схеми з потужними МОП-транзисторів, полягає в припущенні, що ланцюг затвора не споживає струму і тому управління такими приладами тривіально. Хоча це справедливо для постійного струму, але при частому перемиканні ланцюг затвора споживає струм з тієї причини, що вона еквівалентна конденсатору, підключеному до драйвера. Недостатнє збудливу напруга і струм означають, що включене стан не буде здійснено у повній мірі. Це, в свою чергу, тягне за собою підвищену падіння напруги на транзисторі, зниження к.к.д. і виділення великої кількості тепла. Робота транзистора, як і будь-якого іншого пристрою, при підвищеній температурі зменшує його надійність. Якщо струм збудження відповідає лінійному режиму потужного МОП-транзистора, то неприємності не змусять себе чекати. У будь-якому випадку, переконайтеся, що драйвер має низький вихідний опір і може забезпечити досить великий вихідний струм.

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