2.9. Предельные режимы работы транзисторов.

Предельно допустимые режимы работы транзисторов определяются максимально допустимыми напряжениями и токами, максимальной рассеиваемой мощностью и допустимой температурой корпуса прибоpa. Основными причинами, вызывающими выход транзистора из строя или нарушение нормальной работы схемы в результате изменения основных параметров транзисторов, могут быть

1. слишком высокое обратное напряжение на одном из переходов и

2. перегрев прибора при увеличении тока через переходы.

В справочных данных на транзисторы обычно оговариваются npeдельные эксплуатационные параметры:

• максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер U_КЭ.max или сток-исток U_СИmax;

• максимально допустимое импульсное напряжение коллектор-эмиттер U_КЭ.Иmax или сток-исток U_{СИ Иmax};

• постоянный или импульсный токи коллектора I_Kmax и I_Kиmax, та­кие же значения тока стока полевых транзисторов;

• постоянный или импульсный токи базы I_bmax и I_bИmax;

• постоянное или импульсное напряжение на затворе U_зтах и U_зИтах;

• постоянная или импульсная рассеиваемая мощность коллектора Р_Кmax и Р_КИmax, или аналогичные мощности, рассеиваемые стока­ми Р_с.тах и Р_с.итах;

• предельная температура перехода Т_рmax или корпуса прибора T_Kmn.

Все перечисленные параметры предельных режимов обусловлены развитием одного из видов пробоя: по напряжению — лавинного, по току — токового или теплового, по мощности — вызванного достиже­нием максимальной температуры перехода.

Виды пробоя

Механизмы развития пробоев в транзисторах могут быть различными, однако независимо от этого все виды пробоев можно условно разделить на первичные и вторичные. Первичные пробои транзистора отличаются тем, что они являются обратимыми. Если транзистор попадает в режим первичного пробоя, то его нормальная работа нарушается, однако при выходе из режима пробоя его работоспособность восстанавливается. Любой вторичный пробой необратим, т. к. после него происходит дегра­дация транзистора, обусловленная порчей переходов. Основными видами первичных пробоев являются лавинный, тепловой и токовый.

Лавинный пробой иногда называют электрическим, т. к. он возника­ет при высоком значении напряжения обратного смещенного перехода.

В справочных данных транзистора можно найти три различных значения напряжений лавинного пробоя:

напряжение U_КЭ0 — напряжение пробоя при отключенной базе (I_Б=0);

напряжение U_КЭ > U_КЭ0 — напряжение пробоя при включении между базой и эмиттером сопротивления R_b (при R_Э = 0);

напряжение U_КЭ.КЗ — напряжение лавинного пробоя при базе, за­короченной с эмиттером (R_b = 0).

На рис. 2.28 показаны вольт-амперные характеристики транзистора в режиме лавинного пробоя при различных условиях в его базе. Отсюда видно, что при использовании транзистора при напряжениях, близких к пробою, можно существенно влиять на напряжение пробоя схемным путем.

Тепловой пробой транзистора возникает вследствие лавинообраз­ного нарастания температуры р-n -перехода. С ростом температуры пе­рехода возрастают токи утечки и полупроводник переходит в проводящее состояние, а р-n переход исчезает. В реальных условиях это явле­ние не всегда ограничивает рост температуры, т. к. уже при более низких температурах может наблюдаться резкая зависимость от тем­пературы одного или нескольких из основных параметров, например коэффициента передачи тока или предельного рабочего напряжения.

Рассеяние мощности транзистором имеет место при любом режиме работы, однако оно максимально, когда транзистор находится во включенном состоянии или выключается. При высокой частоте коммутации потери растут пропорционально частоте. С увеличением потребляемой мощности растет и. температура транзистора.

Для оценки теплового режима транзистора используют понят теплового сопротивления, под которым понимают сопротивление элементов транзистора распространению теплового потока от коллекторного перехода к корпусу или в окружающую среду.

В справочных данных на транзисторы обычно приводятся:

• тепловое сопротивление переход-корпус (или переход-среда) R_ПК;

• предельно допустимая температура перехода Т_max;

• предельная средняя (или импульсная) мощность потерь в тран­зисторе Р_mах;

• предельно допустимая температура корпуса прибора T_ктах.

Температуру корпуса транзистора можно измерять непосредствен­но. Для этого на мощных приборах может быть указана точка, в кото­рой следует производить это измерение.

Вторичный пробой транзистора возникает или после развития од­ного из видов первичного пробоя, или непосредственно, минуя разви­тие первичного пробоя. Непосредственное развитие вторичного про­боя происходит обычно в области сравнительно высоких напряжений на коллекторе и связано с развитием так называемого «токового шну­ра». При это коллекторный ток концентрируется в очень малой обла­сти коллектора, которая проплавляется и замыкает коллектор с базой.

Если транзистор работает в усилительном режиме, то развитие вто­ричного пробоя и возникновение токового шнура связано с потерей термической устойчивости, при которой увеличение тока в каком-либо месте структуры приводит к повышению ее температуры, а повыше­ние температуры увеличивает ток. Этот процесс нарастает лавинооб­разно и приводит к противлению структуры.

Для развития вторичного пробоя требуется определенное время, которое может составлять 1...100 мкс. Это время называют временем задержки развития вторичного пробоя. Если время нахождения тран­зистора в опасном режиме меньше времени развития вторичного про­боя, то вторичный пробой не возникает. Поэтому при коротких дли­тельностях импульсов тока в транзисторе вторичный пробой может и не развиться. Исследования показали, что при развитии вторичного пробоя (во время задержки), в цепи базы могут возникать автоколеба­ния сравнительно большой частоты, которые могут быть использова­ны для предсказания опасного значения тока и защиты транзистора.

Область безопасной работы транзистораопределяет границы ин­тервала надежной работы транзистора без захода в область одного из видов пробоя. Обычно область безопасной работы (ОБР) строится в координатах I(U). Различают статическую и импульсную ОБР. Стати­ческая ОБР (рис. 2.29) ограничивается участками: токового пробоя (1), теплового пробоя (2), вторичного пробоя (3) и лавинного пробоя (4).

При построении ОБР в логарифмическом масштабе все ее участки имеют вид прямых линий.

Импульсная ОБР определяется максимальным импульсным током кол­лектора I_КИmax. и максимальным импульсным напряжением пробоя U_КИmax.

Границы областей безопасной работы транзистора зависят от тем­пературы его корпуса. С увеличением температуры корпуса транзистора границы ОБР, обусловленные тепловым пробоем, перемещают влево. Границы ОБР, обусловленные лавинным или вторичным пробеем, практически от температуры не зависят.

Защита транзисторов от пробоя.При использовании транзистора необходимо обеспечить нахождение его рабочей точки внутри ОБР без выхода за ее пределы. Даже кратковременный выход рабочей точки пределы соответствующей ОБР, влечет за собой попадание транзистора в область пробоя. С целью защиты транзистора от возможного пробоя обычно формируют траекторию его переключения при работе в ключевом режиме. Для этого к транзистору подключают дополнительные цепи, содержащие резисторы, емкости, диоды и стабилитроны. Параметры этих цепей или рассчитывают, или находят экспериментальным путем.

Примеры выполнения цепей формирования траектории (снабберо! для силовой транзисторной стойки приведены на рис. 2.30.

Простая RС-цепочка (рис. 2.30 а) обычно не устраивает проектировщиков, т.к. допускает значительное превышение напряжения на коллекторе транзистора в процессе запирания. Типовым решением яв­ляется схема, приведенная на рис.2.30 б.

Здесь эффективное ограничение коллекторного напряжения СТК в начальный период запирания обеспечивается диодом, шунтирующим разрядное сопротивление.

Рост коллекторного напряжения при запирании обеспечивается за счет выбора достаточно большой емкости демпфирующего конденсатора.

Этот конденсатор заряжается после запирания силового транзисто­ра до полного напряжения источника питания, а при следующем включении транзистора полностью разряжается через разрядное со­противление. Это обстоятельство обуславливает достаточно большие потери в демпфирующих цепях. Избежать их можно, применив схему (рис. 2.30 в), где конденсатор всегда находится под напряжением пита­ния и стабилизирует напряжение на коллекторе, срезая коммутацион­ный выброс при выключении СТК. Это повышает надежность, но не исключает полностью возможность возникновения ВП.

Выбор демпфирующей цепочки зависит от условий работы транзистора.

Для эффективной работы демпфирующих цепей необходимо опреде­ленное время, в течение которого конденсатор разряжается через транзи­стор, подготавливая условия для последующего его выключения. Отме­ченное требование часто не удается реализовать при широтно-импульсной модуляции, а именно такая модуляция чаще всего используется при управлении транзисторным силовым преобразователем.

При изучении этой темы следует обратиться 1.к учебнику Промислова електроніка:Підручник/ В.С.Руденко, В.Я.Ромашко, В.В.Трифонюк. – К.: Либідь, 1993. –432 с. Тема изложена на стр. 1935.

2. Специальной литературе из «Библиотеки инженера»: Основы промышленной электроники. – «Техніка», 1976. – 544 с. Тема изложена на стр. 2750.

3. Периодическому изданию Ковалев Ф.И., Флоренцев С.Н. Силовая электроника вчера, сегодня, завтра//Электротехника, 1997,С.2 – 6.

Флоренцев С.Н. Состояние и перспективы развития силовой электроники на рубеже столетий. //Электротехника, 1999,№2,С.2 – 10.