204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор полупроводниковых компонентов

Область устойчивой работы и лавинные характеристики

Границы области устойчивой работы МОП-транзистора, изображённой на Рис. 7.23, обусловлены номинальным током в левой части графика, рассеиванием мощности в середине и напряжением пробоя в правой части графика.

График области устойчивой работы МОП-транзистора IRFPF40 для одиночного импульсаРис. 7.23. График области устойчивой работы МОП-транзистора IRFPF40 для одиночного импульса

В МОП-транзисторах, в отличие биполярных, отсутствует эффект вторичного пробоя. МОП-транзисторы характеризуются положительным коэффициентом сопротивления. Если в какой-либо области кристалла начинает течь чрезмерный ток, сопротивление этой области увеличивается, и траектория тока смещается в другие области. Отрицательный же температурный коэффициент биполярных транзисторов приводит к возникновению лавинного процесса и к вторичному пробою. Биполярные транзисторы, например BUT11, имеют напряжение пробоя порядка 1500 В, тогда как максимальное рабочее напряжение МОП-транзисторов составляет 1200 В. Может показаться, что биполярные транзисторы имеют преимущество в высоковольтных схемах. Но лишь в тех случаях, если позаботиться о том, чтобы транзистор всегда работал в безопасном с точки зрения вторичного пробоя режиме. Чтобы обеспечить устойчивую работу, номинальное напряжение биполярных транзисторов обычно приходится пересчитывать.

Значения токов и напряжений, соответствующие заштрихованной области в верхней левой части изображённого на Рис. 7.23 графика, недостижимы, и «виновато» в этом сопротивление транзистора в открытом состоянии (RDS (ON)). За этим исключением, границы области устойчивой работы МОП-транзистора определяются лишь только энергией, необходимой для нагрева переходов до максимальной рабочей температуры. Существует два класса рабочих температур МОП-транзисторов: 150 и 175°С. Для приведённого на Рис. 7.23 графика предполагается, что температура корпуса транзистора составляет 25°С. Нижняя правая (постоянный ток) линия на графике соответствует нижней границе работы МОП-транзистора в импульсном источнике питания. Размеры области устойчивой работы уменьшаются с повышением температуры корпуса. В справочных данных можно найти информацию, необходимую для перерасчёта при работе с повышенной температурой.

На графике области устойчивой работы самые большие токи указываются для самых коротких импульсов. Пиковый ток не должен превышать предельно допустимый ток соединительных проводников. Что же касается работы на постоянном токе, то он ограничивается в первую очередь размерами контактных площадок и металлизации истока, а также температурой переходов. При наличии соответствующего теплоотвода среднеквадратическое значение тока будет довольно большим.

Современные МОП-транзисторы для импульсных источников питания способны работать вплоть до напряжения пробоя сток-исток, после чего возникает лавинный ток. Транзисторы повышенной надёжности способны неоднократно выдерживать максимальный лавинный ток. Используя указанные лавинные характеристики МОП-транзистора, можно избежать применения демпферов и цепей, ограничивающих напряжение стока при запирании транзистора. В инструкции 1005 фирмы International Rectifier приведены рекомендации по использованию этого преимущества МОП-транзистора.

Лавинные пробои в МОП-транзисторе происходят вследствие отпирания паразитного биполярного транзистора. На Рис. 7.24 изображён в разрезе мощный МОП-транзистор, n- и p-области истока в сочетании с эпитаксиальным слоем n- создают паразитный биполярный n-p-n-транзистор.

Поперечное сечение мощного МОП-транзистора и паразитный n-p-n-транзистор, подверженный лавинным пробоям Рис. 7.24. Поперечное сечение мощного МОП-транзистора и паразитный n-p-n-транзистор, подверженный лавинным пробоям

Если ток в р-области становится слишком большим, падение напряжения на ней увеличивается до такой степени, что смещает p-n-переход истока в прямом направлении. Часть пикового тока течёт по краю p-области, как показано на Рис. 7.24. Вызванное таким удлинением пути тока дополнительное падение напряжения отпирает паразитный биполярный транзистор, что приводит к выходу МОП-транзистора из строя. Выход из строя происходит вследствие отрицательного температурного коэффициента n-p-n-транзистора, отпирание которого при высоком токе стока и высокой температуре приводит к тому, что через данную ячейку1 протекает всё больший и больший ток. В транзисторах, спроектированных с учётом повышенных требований к надёжности, используется дополнительное легирование p-областей, снижающее их сопротивление , следовательно, падение напряжения при протекании через них больших токов) до такой степени, чтобы паразитный биполярный транзистор не открывался (за исключением случаев протекания чрезвычайно больших лавинных токов).

Паразитный биполярный транзистор может также отпираться в случае быстрого увеличения напряжения сток-исток в тот момент времени, когда происходит обратное восстановление диода корпус-сток. Слишком быстрое нарастание напряжения на стоке при незавершённом ещё процессе рекомбинации неосновных носителей заряда может сместить переход эмиттер-база паразитного транзистора в прямом направлении и открыть его, что приведёт к выходу МОП-транзистора из строя. У высоконадёжных МОП-транзисторов, предназначенных для применения в импульсных источниках питания, величина скорости нарастания напряжения (dv / dt) лимитирована таким образом, чтобы она соответствовала времени обратного восстановления внутреннего диода.

Существует два способа справиться с проблемой слишком быстрого нарастания напряжения. Первый из них заключается в проектировании схемы управления МОП-транзистором таким образом, чтобы при его отпирании соблюдалось оптимальное значение dv / dt. Второй способ предполагает применение внешнего дискретного диода с быстрым восстановлением. На Рис. 7.25 изображены варианты включения этого диода — параллельно с МОП-транзистором, шунтируя внутренний диод и удерживая его в закрытом состоянии, либо последовательно с МОП-транзистором, блокируя ток внутреннего диода.

Использование внешнего дискретного диода в параллельном или последовательном включении с МОП-транзистором, позволяющее исключить влияние внутреннего диода МОП-транзистора на процесс его отпиранияРис. 7.25. Использование внешнего дискретного диода в параллельном или последовательном включении с МОП-транзистором, позволяющее исключить влияние внутреннего диода МОП-транзистора на процесс его отпирания

Важно только учитывать номинальное dv / dt внешнего диода в случаях, когда МОП-транзистор открывается во время его обратного восстановления. Диод D1 должен иметь прямое напряжение ниже прямого напряжения внутреннего диода МОП-транзистора. Диод D2 гарантирует, что внутренний диод МОП-транзистора никогда не откроется.

1 Как уже упоминалось выше, структура МОП-транзистора состоит из большого количества ячеек. При лавинном пробое часть ячеек «выгорает» и транзистор выходит из строя.

204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216