VCE=20V/DI?

t-1.0#4s/DI¥

Puc. 2.15. Коммутация, резистивпой нагрузки при двух напряжениях смещения.

§

а ф с

В.е 18 25 50 75 Ш 158 f. Частота, кГц

Рис. 2.16.

ного отрицательной обратной связью для уменьшения времени выключения).

При этом к затвору прикладывается напряжение 15 В. Резистор величиной 15 Ом ограничивает ток и обеспечивает быстрый заряд (а значит и включение) входной емкости-CIss МДП т;)анзистора.

Напряжения обратного смещения \/вЕт и tfasidm для быстрого выключения испытуемых приборов фор ируется npw поступлении импульса через дифференциальные цепочки соответственно на базы транзисторов 04, Q9 и Q14. Эти трзисторы в свою очередь включают ЫРН транзисторы Q5, Q10 и Q15, которые обеспечивают отрицательное смещение. При этом отрицательное смещение и обратные базовые токи (1вг для биполярных транзисторов) прикладываются к испытуемым приборам в течение

3 икс сразу же после импульса включения.

Данное смещение может быть изменено для определения его влияния на скорость переключен><!я, мощность потерь W температуру корпуса. Для температурных тестов смещение выбиралось -2 В и -5 В соответственно, предполагалось, что это оптимальные величины, если опираться на справочные данные.

Резистивная нагрузка представляла собой пров& лочный резистор, при зтом время нарастания тска при включении ограничивалось постоянной времени L/R (рис. 2.14) и следовательно, не зависело от входного управления.

Однако времена переключения напряжения и тска при выключении определялись напряжен1/$ем смещения (Для MJ16004 см. на рис. 2.15).

iD-l.OA/DIf

Условия:

Puc. 2.17. Кривые переключения индуктивной нагрузки TMOS MTM5N40.

Т.о., оптимальное смещение может минимизировать потери на переключение, а, следовательно, и температуру корпуса. При оптимальном Базовом смещении у всех трех приборов наблюдается незначительное снижение температуры корпуса (ГС-ЗС), когда на высокой частоте преобладали потери на переключение. Рис. 2.16 показывает увеличение температуры корпуса от частоты при двух напряжениях смещения.

У мощного МДП-транзистора наблюдается снижение температуры корпуса с ростом напряжения сме-щетя. Это объясняете;; тем, что при этом входная емкость Ciss быстрее разряжается и тем сяын обеспечивается большая скорость переключения.

При низких частотах, где преобладают потери во включенном состоянии, у приборов 2N6545 (SMI) и MJ16004 (SMIII) температура пропорциональна напряжению насыщения VcE(sat). которое у обоих приборов составляет 0,3 8 щт токе 2,5 А. Мощный МДП-тран-зистор обладает типовым значением сопротивления открытого канала 0,9 Ом(1 Ом-максимум) и имеет напряжение в открытом состоянии 2.2 В при токе 2,5 А и, следовательно, более высокую температуру корпуса. При увеличении частоты переключения очень быстрые переходные процессы в МДП приборе добавляют небольшие потери, и в результате температура корпуса поддержрлвается на относительно постоянном уровне.

Перзое поколение транзисторов типа SMI имеет значительное увеличение темпераг/ры с увеличением частоты, что связано с относительно небольшой скоростью переключения (эти приборы разрабатывались на частоту применения в 20 кГц). Контрастом этому являются транзисторы ключевого типа SMIII. Транзистор Ml 16004, который создан для работы на повышенных частотах с улучшенной обратной ОБР, имеет значительно более низкую температуру корпуса. Фактически на частотах 75*100 кГц он даже более хопо-дек , чем мощные МДП-транзисторы.

В схеме испытаний присутствовали два тепловых ра-ддатора: небольшого размера для испытуемого прибора и большего размера для резмсттсЯ и индуктивной нафузок. Они были термически изолированы друг от друга для уменьшения взаимного теплового воздействия (радиатор испытуемого прибора был помещен в керамический охладитель, а радиатор нагрузки на пластиковую прокладку для уивньшвит теплопроводности).

Рассеиваемая мощность (Ро) при известном тепло-

вом сопротивлении радиатора (Rqsa) может Быть рассчитана:

=- Г Гс - Та) /(Recs+ResA)

Эта мощность соответствует температуре Тс. на рис. 2.16.

При работе на индуктивную нагрузку (рис. 2.17) энергия, запасенная в индуктивности за время включенного состояния переводилась с помощью отсекающего диода в резистивно-емкостную нагрузку 8 течение времени выключения.

Для выбранных параметров напряжение отсечки составляло 250 В. Реальный скачок напряжения коллектор-эмиттер (VcEkj мог Быть несколько выше. Это определяется временем спада коллекторного тока и динамическими параметрами отсекающего диода.. На рис. 2.18 показаны процессы выключения прибора SMI 2N6545 при двух напряжениях смещения -2 В и -5 В.

При оптимально.ч смещении -5 В прибор выключается значуггельно быстрее, при этом рассеивается меньшая энергия и в результате снижается температура корпуса. Этот также отмечается и у двух других типов испытуемых приборов. На рис. 2.19 представлены осциллограммы процесса выключения МДП транзистора MTM5N40 на резистивную нагрузку при изменении напряжения смещения от О В. -2 В и до -Б В соответственно.

Можно заметить, что чем Больше смещение, тем меньше время выключения.

Средние температуры, измеряемые для трех типов приборов, приведены в таБл. 2.5 и наглядно демонстрируют влияние эффекта оБратного смещения при индуктивной нагрузке и частоте переключения 75 кГц.

Табд.2.5.

Подъем температуры при игдуктвяой нагрузке

,s -5.0 Ч

-2.0 ?

в сравнении с резистивной нагрузкой, где разница в температуре составляла несколько градусов, для прибора SMI она состввляет 15С. Т.о. время выклю-

-5.0 Ч -2.0 ?

Рис 2.18. Процессы выключения прибора SMI2N6545 при индуктивной нагрузке и двух напряжениях смещения.

чения при работе на индуктивную нагрузку оказывает больший эффект, чем при работе на активную нагрузку и, следовательно, большее значение имеет оптимальное значение напряжения смещения.

Анализ приведенных выше результатов позвол сделать следующие выводы:

Увеличение температуры связано как с общими потерями в приборе, так и с потерями во входной цепи (в цепи управления).

Быстрое переключение мощных МДП транзисторов вместе с небольшими затратами мощности на управление, а также простота схем управления делает эти приборы очень перспективными на высокой частоте.

Мощные МДП транзисторы имеют незначительные времена выключения td(off) по сравнению с аналогичными временами биполярных транзисторов, что позволяет увеличивать частоту управления.

На низких частотах определяющими становятся потери во включенном состоянии (статические потери). При этом биполярные транзисторы более предпочтительны, чем соответствующие им по размеру мощные МДП транзисторы первого поколения. Однако технологические достижения фирмы Motorola позволяют уменьшить сопротивление открытого канала rt)s(on) и сделать эти приборы сравнимыми по данному параметру с биполярными транзистора и.

Ключевые приборы типа SMIII - MJ16004 превосходят мощные МДП транзисторы MTM5N40 на частотах до 75 кГц при напряжениях смещения даже -5 В, хотя более оптимальным для них является напряжение смещения -2 В. Хотя следует заметить, что ОБР для SMI и SMIII не такая большая, как у МДП транзисторов.

Для более реальной индуктивной нагрузки, где преобладают потери на выключение, отрицательное смещение для приборов типа SMI может значительно уменьшать температуру корпуса за счет увеличения скорости выключения (при 75 кГц Тс - 58-С для VBE(off) - -2 В и Тс - 43-С для VBE(off) - -5 В).

Оптимальное обратное смещение уменьшает время выключения и снижает потери на переключение как для биполярных приборов, так и для полевых, но не обязательно уменьшает время рассасывания (например, для SMIII времена спада и рассасывания минимальны как при -2 В так и при -5 В).

¥qS = 10 ?/DIV

?Qs(off) - О ?

0-0-

При оптимальном напряжении обратного смещения время спада tf для SMIII прибдажается к быстрым временам МДП транзисторов, однако мощность управления остается высокой.

Прибор SMI 2N6545 может применяться на частотах до 75 кГц, когда его обратное смещение ( M!M обратный базовый ток) приблизительно -5 В.

Время рассасывания (при отсутствии каких-либо цепей обратной нелинейной связи) на высоких частотах приводит к увеличению статических потерь (во включенном состоянии).

Прямой коэффициент передачи fip для биполярных транзисторов не оказывал сильного влияния, т.к. время включения определялось параметрами нагрузки. При обратном смещении для уменьшения времени рассасывания можно изменять /3f, однако чрезмерное управление может приводить к увеличению коллекторных токов и, ~ следовательно, увеличению температуры корпуса.

Низковольтные приборы: сравнение мощных МДП транзисторов с биполярными, транзисторами Дарлингтона т запираемыми тиристорами GTO

Испытательная схема с дв1/1гателем постоянного тока.

Нагрузкой, используемой в этой схеме является двигатель постоянного тока. При приложении узкого импульса противо-ЭДС уменьшалась и ток нагрузки (коллекторный, стоковый или анодный) возрастал, приблизительно до 11 А. Для достижения насыщения прибора в этом наихудшем случае необходимо прикладывать адекватное входное воздействие. Для испытуемых приборов прямой входной ток для биполярного транзистора, схемы Дерлингтона, МДП транзистора и тиристора GTO составля.. приперно: 700 мА; 100 мА; 1 мА и 120 мА соответственно.

С учетом постоянной времени двигателя, частота переключения составляла порядка 100 Гц, а минимальный и максимальный коэффициенты заполнения 8% и 70 % соответственно. При такой низкой частоте при-обратного смещения в биполярном транзисторе, схеме Дарлингтона и МДП транзисторе приводит к незначительной эффективности в уменьшении времени выключения. Однако приборы GTO нуждают- с* в обратном смещении в данной схеме испытания, т.к. испытуемый прибор пропускал ток 2,2 А в течение 10 мкс. Мощность выключения при этом необходимо вычислить. При низкой частоте она относительно мала, но т.к. частота увеличивается она может стан&

f = 75 kHz ?DD = 50¥

¥ c(off) --2.0¥

Puc. 2.19. Процессы выключения МДП транзистора MTM5N40 при резистивной нагрузке.