§ 0 40 80 12

g Id, ток стока (a)

Рис 7.3. Зависимость сопротивления ros от тока стока Id,

Для трапециидальной формы тока из рис. 7.4: W (ffAfS) = 6,11>1 = D + +

Тогда; = / х гов(о) = 631V

Tjc - Ро fic - 26-С - 63 x 0.145 Tj - Те + Tjs - 106-С

Температура 106С близка к предполагаемой в 110*С. Если получены значительные расхождения, следует пересчитать Pq и Tj.

I RMS = aVO

I RMS = a V-

lRMS =

Яис. 7.4. Действующее значение тока Jrms для различных форм тока

Обратная ОБР эквивалентна ОБР обратного смещения для биполярного транзистора.

Подобно биполярному транзистору она наблюдается при переключении транзистора на индуктивную нагрузку.

На рис. 7.5 показана обратная ОБР при длительностях переключения меньше 1 мкс; внутри ООБР гарантируется стойкость к вторичному пробою.

g 30 20

g Q 10

О 100 200 300 400

Uds. напряжение сток-исток{в)

Рис. 7.5. Зона максимальных значений тока стока 1л и напряжения сток-исток Vds-

7.2. Защита сток-истока МДП-транзисторов от перенапряжения

в общем случае выход из строя МДП-транзисторов связан с нарушением границ области безопасной работы (ОБР). Основная часть аварийных ситуаций связана с превышением максимально допустимого напряжения сток-исток, V(Bpi)(3ss. Напряжение на стоке из-за переключения больших токов в нагрузке или из-за паразитной индуктивности может превысить величину V;br)DSS, если энергия достаточна, то это приводит к разрушению прибора из-за лавинного пробоя. Переходные режимы в напряжении питания стоковой цепи также могут вызывать разрушение мощных МДП-транзисторов.

Если существует опасность такого разрушения транзистора, возможны достаточно простые способы защиты ПТ. Рис. 7.6 иллюстрирует переключение полевого транзистора при индуктивной нагрузке в схеме, в которой отсутствует какая-либ.о защита от перенапряжения. Соответствующая кривая изображает переходный процесс выключения по напряжению, вызванный паразитными индуктивностями проводов и нагрузки.

Рис. 7.6. Переходный процесс выключения ПТ на индуктивность.

Для приборов MTM20N10 не рекомендуется развитие лавинных процессов с длительностью более 300 нс при напряжении пробоя порядка 122 В. Один из простых методов защиты приборов . от перенапряжения - это включение фиксирующего диода параллельно индуктивной нагрузке. При использовании этого метода диод зафиксирует большую часть переходного напряжения, однако не все. Напряжение сток-исток Vds будет превышать напряжение питания Vdd из-за суммарного, воздействия таких эффектов как характеристика прямого смещения диода, а также индуктив-ностей гибких выводов и паразитных индуктивностей, включенных последовательно с диодом (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Переходный процесс выключения ПТ с защитным диодом.

Если сопротивление нагрузки мало в сравнении с индуктивностью, при использовании обычного фиксирующего диода возможно циркулирование тока внутри контура нагрузка-диод в течение значительного времени и после того как транзистор выключился. Если это нежелательно, последовательно с диодом можно включить резистор, однако при этом следует помнить, что всплеск напряжения сток-исток также будет увеличиваться.

.V о

5.0 MS/div

Рис. 7.8. Переходный процесс с защитным спшбияшпроно.м.

Другим способом защиты сток-истока от перенапряжений в переходном режиме является применение стабилитронов. За исключением эффектов, вызванных индуктивностями выводов и соединительных проводов, стабилитрон будет ограничивать напряжение в переходном режиме на уровне напряжения пробоя стабилитрона. При медленных изменениях dVps/dt ограничение напряжения будет полным, однако при высоких скоростях dv/dt возможны кратковременные превышения напряжений пробоя стабилитрона. При этом класс мощности стабилитрона следует выбирать с учетом энергии, которая рассеивается в процессе ограничения. Данное решение показано на рис. 7.8.

Рис. 7.9 представляет фиксирующую R-C цепочку, в которой потенциал емкости ограничивает всплеск напряжения.

При этом конденсатор накапливает энергию только в течение переходного процесса и отдает эту энергию в резистор в течение оставшейся части периода работы. Величины компонентов цепи могут быть рассчитаны исходя из энергии, запасаемой в R-C фиксирующей схеме. По значению энергии и желательной величине фиксирующего напряжения можно выбрать величину резистора. Наконец, величина емкости может быть определена исходя из требуемой постоянной времени RC, определяемой периодом переключения. Сказанное иллюстрируется простым примером расчета. Схема содержит следующие параметры-

L - 10 мкГн

i - 3,0 А (ток нагрузки перед выключением) f - 25 кГц

Vc - 60 В (желательный уровень фиксации напряжения)

Мощность, накапливаемая в цепи; Р = -Uf = 1,125ег

Тогда компоненты рассчитываются следующим образом:

Я = = 3.2к - З.Зк

Пусть т = RC = J = 2Q0MKC

Тогда С - 0,061 мкФ = 0,05 мкф

Однако следует заметить, что если всплеск напряжения достигает своего максимума в течение первых 50 нс, эффективность схемы снижается из-за переходной характеристики включения диода, а также паразитных индуктивностей в цепи. В этом случае рекомендуется включать стабилитрон с напряжением пробоя несколько большим, чем уровень фиксирующего напряжения. Если стабилитрон поместить непосредственно между выводами сток-исток транзистора, а также обеспечить достаточно короткими его выводы, то стабилитрон сможет достаточно быстро подхватить напряжение переходного процесса. Т.к. стабилитрон используется только с целью уловить началь-ный.всплеск напряжения, а не для полного отвода энергии, запасенной в индуктивности, то по классу мощности этот стабилитрон может быть выбран значительно меньшим, чем если бы использовался только один стабилитрон для защиты, как это было на рис. 7.8.

Четвертый способ защиты мощного МДП-транзистора от больших напряжений сток-исток в переходных процессах - это использование схемы R-C снаббера, подобной той, что показана на рис. 7.10.

Хотя эта схема эффективно уменьшает всплеск стокового напряжения, она не так эффективна, как схема фиксации уровня. В то время как схема фиксации поглощает энергию только в течение переходного процесса, R-C снаббер поглощает энергию и в течение части цикла переключения, не связанного с непосредственной защитой транзистора. Эта конфигурация схемы приводит также и к более медленному включению из-за дополнительной емкости в цепи сток-исток, которая должна быть разряжена.

При очень высоких скоростях переключения переходные процессы длительностью всего лишь несколько десятков наносекунд можно не увидеть вовсе, если не применять осциллографы с граничной полосой более 200 мГц для наблюдения кривых напряжения сток-исток Vps.

КОРПУС И ИНДУКТИВНОСТИ ВЫВОДОВ

При очень больших токах паразитные индуктивности корпуса могут оказывать существенное влияние на амплитуду напряжения Vqs во время переключения. На рис. 7.11 паразитная индуктивность сток-исток кор-* пуса транзистора помещена в истоковую часть и соединена с истоком, т.к. длина вывода и соединение проволочного вывода истока составляют основную часть паразитной индуктивности.

Величина паразитной индуктивности Ls в корпусах ТО-204 (ТО-3), а также ТО-220 составляет порядка 7,0 + 8,0 нГн и вполне ощутима при очень больших скоростях переключения тока стока. Полярность на этой индуктивности такова, что напряжение сток-исток всегда больше, чем напряжение непосредственно на зажимах прибора.

Например, предположим, что прибор MTM35N06 выключается с тока величиной 50 А. Скорость di/dt данной амплитуды будет вызывать напряжение на паразитной индуктивности корпуса порядка 8 В (V - L di/dt - 8,0 нГн * 50 А / 50 нс 8 В). Если напряжение сток-исток при этом составляет 50 В на зажимах корпуса, то реальное напряжение Vds при этом 58 В.

Следует заметить, что класс мощных МДП транзисторов по току увеличивается и соответственно также увеличивается максимум di/dt. Отдельные кристаллы приборов теперь имеют класс по импульсному току более чем 100 А, а многоканальный кристалл МТЕ 100N06 имеет импульсный ток Idm порядка 500 А. Та-

20 V/diF

ш1ряж8н е 1гржничения v(,

с 7k

500 м/ЛЗт

го v/d3

ОГРАВИЧЕЖЯ Тс

10 m /*

Рыс. 7.9. Влияние защитной RC-цепи.

кие очень высокие скорости di/dt могут приводить к появлению значительных напряжений Vpg по сравнению с теми, что наблюдаются на зажимах корпуса.

Для того, чтобы всплеск напряжения Vqs не превысил максимально допустимую величину, необходимо использовать следующее уравнение;

20 V drv

10 ms/riiv

Рис. 7.10. Защитный RC-снаббер. VDS(max) V(BR)DSS Udi/dt),

где VDs(max) - максимально допустимое напряжение, которое может быть приложено к внешним выво-Д8Ч корпуса транзистора;

V(BR)DSS - максимальный класс по напряжению данного транзистора;

L - паразитная индуктивность истока;

dl/dt - скорость изменения тока стока ip.

вывод стока

вывод затвора О-

DS =V[-,g вывода -1- Vl

вывод истока

Vl : Ls=8.0 пГн

Рис 7.11. Паразитная индуктивность выводов ПТ.

Напряжение на паразитной индуктивности истока корпуса также оказывает влияние на величину напряжения затвор-исток на самом кристалле, что замедляет переходные процессы включения и выключения.

особенно при переключении достаточно больших токов.

Кроме схем с высокими di/dt, обсуждение индуктивностей корпуса может представлять интерес и с другой стороны. Например, индуктивности монтажных проводов часто даже больше, чем индуктивности корпуса. Следовательно, выше приведенные рассуждения становятся полезными и в применениях, где dl/dt не так велики.

7.3. Ограничение dv/dt в мощных МДП транзисторах

Мощные МДП транзисторы в конечном итоге имеют ограничение по максимальной скорости изменения напряжения сток-исток. Очень высокие dv/dt могут нарушить качество схемы и даже вызвать разрушение прибора в определенных ситуациях.

Высокие dv/dt рассматриваются при трех состояниях, каждое из которых имеет свой собственный порог по dv/dt. Первое называется статическое dv/dt и предполагает, что прибор находится в выключенном состоянии. Напряжение, приложенное к цепи сток-исток, может воздействовать на цепь затвора через затвор-стоковую паразитную емкость Crss. В зависимости от величины сопротивления затвор-исток и тока, передаваемого в узел затвора (i - С dv/dt), напряжение затвор-исток может превысить пороговое напряжение отпирания VGs(th), что приведет к самопроизвольному включению транзистора.

Очевидно, что в этом случае защита прибора от dv/dt определяется в большой степени сопротивлением затвор-исток. Поэтому важно защитить затвор прибора от воздействия помехи. И одна из причин, по которой не рекомендуется работа с мощным МДП-транзистором- при подвешенном затворе, как раз и связана с рассмотренной выше проблемой.

С затвором, закороченным на исток, каждый из приборов фирмы Motorola будет выдерживать по крайней мере 30 В/нс, что соответствует величинам, применяемым на практике.

Если же цепь затвор-исток открыта, то весьма вероятно ложное включение прибора. Т.к. напряжение Vqs растет, а Vs падает, воздействие dv/dt уменьшается, что обычно не вызывает необратимых изменений в элементах схемы.

Вторая причина, по которой следует обращать внимание на величину dv/dt, связана с выключением МДП транзистора и быстрым нарастанием выброса напряжения. Т.к. все виды нагрузок содержат индуктивность, при высоких скоростях переключения и Vpg имеют место большие перемещения токов в паразитных емкостях. Проблема, связанная с этим явлением, называется динамическое dv/dt (т.к. прибор при выключении генерирует свое собственное dv/dt) и может вызывать повреждение прибора.

Максимально допустимые dv/dt в динамическом диапазоне составляют от 10 до 45 В/нс и определяются классом прибора по напряжению Vdsb- Макси-