RI, для заданной индуктивной нагрузки, ток нагрузки фиксировался с коэффициентом заполнения 25% при максимуме 5 А.

Для прибора MJE13007 коэффициент составляет 5,0, что требует в цепи базы ток в 1,0 А. Выключение всех трех приборов обеспечивалось отрицательным смещением на базе (затворе) от источника - 5 В. Осциллограммы на рис. 2.36 показывают ток стока (коллектора), а также напряжение сток-исток (коллектор-эммттер) для каждого из приборов на частоте 7кГц.

2.0 кШ

2.0 к/Ш

Риа 2.36 Переключение на индуктивную нагрузку GEMFET (а), MOSFET (б) и биполярный (в).

Также на рис. 2.37 представлены тестовые результаты температуры корпуса от частоты переключения. При этом использовался эффективный тепловой радиатор (4 1/2 X 4 1/2 X 1/8) из медной пластины (RficA - 5°C/W). Измерения ограничивались по частоте, т.к. при превышении 40 кГц сказывалось влияние вторичных эффектов, что делало процесс сравнения невозможным.

Потери у GEMFET увеличиваются с ростом частоты, иллюстрируя его частотные ограничения. Для сравнения, биполярные приборы имеют незначительное увеличение температуры Kopijyca в данном даапазоне, а МДП за счет своих высокочастотных свойств практически имеют неизменную температуру корпуса.

Тепловое сопротивление, Rejc

т.к. GEMFET и мощный МДП транзистор изготавливается практически по одинаковым шаблонам, они обладают близкими тепловыми сопротивлениями переход-корпус R0JC. Тепловое сопротивление Rjc для

1.0 10.0

f. Частота, кГц Риа 2.37 Зависимость температуры корпуса от частоты.

мощного МДП транзистора может быть определено экспериментально при изменении одного из следующих твмпературочувствительиых параметров (сокращено TSP):

1) Прямое напряжен[ е диода сток-меток.

2) Пороговое напряжение затвор-исток.

3) Сопротивление сток-ь>зсток в открытом состоянии. Все предыдущие измерения для мощных МДП

транзисторов основывались на температурной зависимости прямого напряжения дмода сток-исток. Для прибора iViTP4N50 типовое значение составляет 0,79 °С/Вг. Т.к. GEMFET не содержит паразитного диоде, этот метод необходимо ызмеить для прибора MGP20N5C1. Вместо этого дли Rgjc у GEMFET используют другую схему, которая фиксирует изменения порогового значения иапряхченмя затвор-меток с изменением температуры перехода Ti.

До тестирования GEMFET, оба метода были ско-реллмрованы посредством тестирования МДП транзистора в каждой схеме. При тестирования изменений порогового напряжения Vqsca), ветчута Rgjc для МТР4М50 V. MGP20N50 была получена на уровне 0,6ГС/Л.

Область безопасных режимов.

Вахсным показателем любого твердотельного переключателя йБпяетсв область безопасных режимов (ОБР). Для GEfvlFET она включает в себя прямосие-щенную ОБР и обратносмещенную ОБР. Т.к. для получения гран1 ц оЪеых ОБР используются методы не-разрушающего коитролй, то для ках дого прибора можно построить полные кривые ОБР.

PMC.2.3S показывает границы прямой ОБР для приборов fvlTP5IM40 м fvGP20N5Q. Обе крмвые очень похожи м только в конце набло,дается разница. При больших напряжениях и малых токах кршаа, соответствующая GEMFET спадает более круто, напоминая аналогичную кривую биполярного транзистора, которая связана с ограничением из-за вторичного пробоя. Это не удивительно, т.к. паразитный PNP биполярный транзистор из-за его способности в проводимости тока является тому причиной.

При низких напряжениях и высокглх токах влияние сопротивления открытого канала rds(on) сказывается двояко. Во-первых, при очень нмзкмх напряжениях сток-меток rdsion) ограничивает ток Id (ток. стока). Это простое выражение закона Ома м не отражает каких-либо предельных ограничений. Так, рис.2.37 иллюстрирует разность в сопротивлениях открытого состояния у МДП и GEMFET транзисторов, во-вторых, при более низких сопротивлениях CdE(or) увеличивается пиковое значение тока, что связано с большей эффективностью в проводимости тока. Это ограничение носит предельным характер и таюке отражается обеими кривыми на рмс. 2.38.

Обратная ОБР определяется максимумом тока стока и сток-истоковым напрягкенмем при выключении на индуктивную нагрузку. Еслм прибор переходит в область вторичного пробоя при некоторой комбинации напряжения сток-исток и тока стока внутри его им-

10 100

Vq3> 1-(апряжение оток-иотсж (8)

Рис.2.38. Сравнение ОБР 40QVMOSFET и 550VGEMFET одинаковой площади.

пульсной мощности рассеивания, кривая обратной ОБР снижается. Снижение ОБР иллюстрирует тот факт, что это может быть связано с эффектом локализации в горячей точке, даже в пределах среднем температуры перехода.

Что касается GEMFET, то терпература перехода и скорость выключения - те особенные параметры, которые определяют его обратную ОБР. При прочих равных условиях, увеличение терпературы перехода Tj может уменьшать границы обратной ОБР при высоких токах стока. При выключении, снижение сопротивления в цепи затвора также оказывает сильное влияние, как будет показано ниже.

На рис. 2.39 и 2.40 показаны внешние линии границ управления типовыр приборор MGM20N50 (на ток 20 А, напряжение 500 В в корпусе ТО-204 (ТО-3)). Эти кривые являются типичными для данного прибора. Цепь управления затвором в схере измерения обратной ОБР (рис. 2.41) допускала изменение сопротивления в цепи затвор-исток при выключении простим

600 550 500

450 400

> 300

RGS=500fi

25 50 75 100 125 150 Тс, Температура корпуса, *С

Рис.2.40 Влияние сопротивления в цепи затвора и температуры корпуса на обратную ОБР GEMFET.

мзренением Rgs.

Для получения нужной точки завала кривой величина резистора, ток стока и температура фиксировались, а амплитуда напряжения ограничения (отсекающее напряжение Vclamp) увеличивалась до величины, когда прибор либо рассеивал энергию, накопленную дросселем, либо переходил в область вторичного пробоя. Если наступал срыв напряжения сток-исток (при вторичном пробое) для защиты прибора от разрушения за очень быстрое время (150 не) энергия отводилась от испытуемого прибора, прежде чем наступали необратимые изменения.

Интересно отметить, что более медленное выключение увеличивает границы обратной ОБР. Это также деронстрируют кривые на рис.2.42 и 2.43. Даже снижение потерь на переключение при резисторе 51 Ом уреньшает обратную ОБР. Это явление может быть объяснено тем, что очень быстрое выключение МДП структуры приводит к сильному воздействию эффекта dv/dt на PNP б полярный - транзистор.

Несмотря на то, что более медленное выключение GEMFET ограничивает его применение в силовых схе-рах, его низкое сопротивление rds(on) и высокий входной импенданс обеспечивают ему множество применений в низкочастотных переключателях.

Применение GEMFET

Хорошим примером применения GEMFET являются его три сильные стороны: если требуется ключ с высокой блокирующей способностью по напряжению, большир классом по току и простой схемой управления. Переключательные элементы в автомобильной электронике и их системах - это та область, где GEMFET может составить альтернативу любым другим переключателям.

В настоящее время наиболее применимы в авто-РЮбильиых системах электронного зажигания транзисторы Дарлингтона. GEMFET могут быть вполне при-ренимы на месте транзисторов Дарлингтона (рис. 2.44). Т.к. здесь требуется частота переключения менее 1 кГц. то высокий входной импеданс GEMFET и невы-

25 50 75 100 125 150 Tc, Температура корпуса, °C

Рис. 2.41 Влияние сопротиачения в цепи затвора и температуры корпуса на обратную ОБР GEMFET при болыием токе.

15V ?

Puc.2.42 Схема драйвера управления GEMFET при выключении.

100 v/dw

1© a/div

1.0 Щ

Puc. 2.43 Диаграмма выключения на индуктивную нагрузку MGM20N50 - Rgs-SIOm.

100 v/div

5.0 a/div

1.0 ytB

Puc.2.44 Диаграмма выключения на индуктивную нагрузку MGM20N50 - Res -SIO Ом.

сокие требования к цепи управления делает возможным его запуск непосредственно от КМОП логики.

Когда транзистор, будь-то Дарлингтон, GEMFET или МДП, включаются, начальный скачок тока составляет от 3,0 до 7,0 А (6А в данном примере). При выключении индуктивный всплеск или выброс напряжения можно использовать практически для получения очень высокого напряжения вторичной обротки ( 20 кВ) необходимое для генерации искры. В представленной системе, где используются транзисторы Дарлингтона, напряжение часто ограничивается уровнер 400 В с помощью стабилитрона, включенного между коллектором и базой. Как только напряжение коллектор-база увеличится более номинального напряжения стабилитрона, последний начинает проводить ток в базу транзистора, включая его в проводящее состояние и ограничивая тем самым напряжение коллектор-база VcB величиной Vct-Vz. В этом случае ток через стабилитрон будет составлять только небольшую часть тока нагрузки и его класс по рассеиваемой мощности ро-жет быть снижен (однако стабилитрон должен обеспечивать полный всплеск начального тока). С другой стороны транзистор будет находится в активнор режиме при напряжении ограничения и должен быть в состоянии рассеивать энергию, запасенную в индуктивности.

При замене транзистора Дарлингтона на GEMFET

2.0 A/div

5.0 yss/ЫЯ

Puc.2.45 Электронная система зажигания на GEMFET диаграмма переключения (а) и драйвер управления (б).

Генератор импульсов

может быть использована таже схера ограничения напряжения. Еслм стабилитрон поместить между стоком и затворор, то ток стабилитрона также будет заряжать входную еркость GEMFET и обеспечивать его включзн!/!е. Наряду с ограничением напряжения, GEMFET также как и Дарлингтон, будет находится на интервале рассеивания большой мощности. Однако для GEMFET в цепи ограничения требуется один дополнительный элерент. Диод, включенный последовательно со стабилитроном необходим для блокировки тока, если напряжение затвор-исток больше, чем потенциал стока (высокие Vgs и низкие Vds).

Т.к. GEMFET вполне вписывается в данное применение возникает вопрос об использовании МДП транзистора в этой же схеме. Вновь сравним MCM20N50 11 MrM4N50, имеющие те же сарые размеры. Во-первых, следует отретить, что начальный ток 6А превосходит класс МДП транзистора, который допускает 4А. Это нео6ход1тмо учитывать при высоких коэффициентах заполнения, что будет увеличивать температуру корпуса. Кроме этого, поскольку на интервале формирования искры, ключ находится в активном режиме и рассеивает большую мощность, необходимо учитывать большие величины сопротивления открытого канала у МДП транзистора.

Т.о. разница в сопротивлении Zds(on) между МДП транзисторор и GEMFET проявляется в температуре корпуса. При равных условиях (использовался тепловой радиатор Thermalloy # 6016В ) температура корпуса GEMFET составила ЪТС, а у МДП 59°С и разница в мощности потерь в 2,5 Вт.

Еще одна проблема, также связанная с высокими rds(or) У МДП транзистора, что вновь затрудняет их применение в системах управления зажиганием. Она связана с ограниченныр потенциалом аккумулятора, особенно в холодное время года. При этом rds(on) должно быть как можно меньше, чтобы не ограничивать ирпульс тока в сердечнике зажигания. Т.о. сопротивление 1,5 Ор для MTM4N50 станоаится проблемой в данном применении. Отметим, что