Последовательное соединение полевых транзисторов

Устранение паразитных колебаний, возникающих при параллельном соединении полевых транзисторов MOSFET

Последовательное соединение полевых транзисторов

Рис. 1. Паразитные колебания между силовыми транзисторами

Колебания возникают при скачке напряжения стока в момент переключения силовых транзисторов. Рис. 1 показывает колебания, возникающие у двух параллельно соединенных полевых транзисторов APT5024BLL (номинальные напряжение 500 В и ток 22 А). Каждый полевой транзистор в своем составе имеет резистор сопротивлением 10 Ом. Он располагается между затвором и драйвером управления затвором. Результаты эксперимента получены при напряжении сток-исток 333 В, токе 44 А и температуре среды 25 °С.

Напряжение драйвера управления затвором составляло 15 В. В качестве драйвера использовалось устройство Micrel MIC4452 с симметричной разводкой контактов затвора. Как видно из рис. 1, на затворе возникают колебания достаточно высокой частоты. Диапазон частот колебаний лежит в пределах от 50 до 250 МГц.

Такие высокочастотные колебания недопустимы, так как это может стать причиной скачков напряжения на затворе, излучения радиочастотных помех, высоких потерь на переключение, способных вывести из строя конечное изделие.

Добавление индуктивности типа Ferrite bead1

Данный тип индуктивности представляет собой ферритовый цилиндр с отверстием в оси для проводника. Находит широкое применение для подавления радиочастотных помех.

Добавление индуктивного элемента Ferrite bead с резистором на затворе силового транзистора (рис. 2) устранило паразитные колебания при минимизировании потерь на переключение. Фактически добавление индуктивности более эффективно, чем использование резистора на затворе, так как ее импеданс прямо пропорционален частоте.

Ширина полосы пропускания сигнала, поступающего с драйвера управления затвором, около 2 МГц, тогда как частота, на которой возникают паразитные колебания, составляет 50–250 МГц. Поэтому импеданс индуктивного элемента по отношению к частоте шумовых колебаний в 25–125 раз выше, чем по отношению к сигналу с драйвера. Высокое сопротивление индуктивности достаточно эффективно блокирует помехи, вызванные протеканием тока от истока к затвору.

Более надежно паразитные колебания могут быть устранены при использовании индуктивности достаточной величины и, наравне с этим, при проведении демпфирования резистором затвора.

Рис. 2. Индуктивный элемент Ferrite bead с резистором на затворе силового транзистора

Для подавления помех элементы Ferrite bead могут использоваться не только на параллельно установленных транзисторах. При этом будет достигаться тот же эффект: высокочастотные шумы на затворе будут блокироваться, устраняя любые попытки возникновения колебаний.

На рис. 3 показаны переходные процессы в момент выключения двух параллельно соединенных полевых транзисторов MOSFET — APT5024BLL. В эту серию были последовательно добавлены индуктивные элементы с резисторами сопротивлением 4,3 Ом на каждом затворе. Включение параллельно соединенных полевых транзисторов происходит с теми же колебаниями, что и выключение.

Рис. 3. Момент выключения двух APT5024BLL

На рис. 4 изображены осциллограммы при включении двух параллельных силовых транзисторов APT50M65LLL, на затворе каждого из которых размещен резистор сопротивлением 4,3 Ом. Характеристики этих же устройств изображены на рис. 5, но только уже с затворными резисторами сопротивлением 1 Ом и индуктивными элементами Ferrite bead маленькой величины на каждом затворе. Колебание устранено, но при этом пришлось смириться с 8-процентным увеличением энергии, затрачиваемой на включение, и незначительным увеличением задержки при включении.

Рис. 4. Момент включения двух APT50M65LLL с наличием затворных резисторов

Рис. 5. Момент включения двух APT50M65LLL с наличием резисторов и Ferrite bead на затворе

Рис. 6 показывает возникновение колебаний при выключении силовых транзисторов с одним сопротивлением на затворе без индуктивного элемента, а на рис. 7 (при добавлении индуктивности к затвору) генерация исчезает. Как и на рис. 4–5, здесь использовались резисторы сопротивлениями 4,3 Ом и 1 Ом в комбинации с индуктивностями Ferrite bead. В этот раз индуктивные элементы меньшего сопротивления привели к уменьшению энергии, затрачиваемой на выключение, несмотря на то, что задержка на выключение возросла. Заметим, что затворы на рис. 7 на грани генерации, поэтому для оптимального результата необходимо немного повысить сопротивление на затворе.

Рис. 6. Начало процесса включения транзисторов

Рис. 7. Окончание процесса включения транзисторов

Если для устранения колебаний использовались бы только резисторы (рис. 1 и 4), энергии, затрачиваемые на переключение транзисторов, были бы больше, чем при использовании индуктивностей Ferrite bead на каждом затворе.

Добавление индуктивных элементов — достаточно привлекательное решение. Они недороги, малы и просты при использовании. На сегодня доступен широкий ассортимент индуктивностей Ferrite bead с различными параметрами. Энергия, затрачиваемая на переключение, может быть оптимизирована экспериментальным путем различными комбинациями сопротивлений и индуктивностей. Некоторые индуктивности имеют достаточно гибкое сопротивление с монотонной частотной характеристикой. Если индуктивности достаточно большие и не имеют потерь, затворные резисторы могут не использоваться.

Контурные площадки

Может показаться лишним добавление индуктивности Ferrite bead к цепи управления затворами, решающей проблему паразитных колебаний. Лучшие решения, реализованные на практике, рекомендуют проводить уменьшение индуктивности драйвера управления затвором путем использования плотной компоновки схемы.

Однако ключ с компоновкой драйвера управления затвором обладает недостаточной индуктивностью. Поэтому предпочтительным решением выглядит контурная площадка. Проблема возникает из-за ее большой площади и заключается в том, что контур выступает как антенна, которая принимает высокочастотные шумы.

Длинный вывод драйвера управления затвором фактически устраняет колебания благодаря повышению паразитной индуктивности самого драйвера.

Применение стабилитронов

Установка стабилитронов между выводами затвора и истока эффективна при подавлении шумов, возникающих на низких частотах переключения, и при наличии длинного вывода драйвера управления затвором. Однако стабилитроны неэффективны при подавлении шумов на частоте в десятки мегагерц.

На рис. 8 показана частотная характеристика стабилитрона (номинальное напряжение 15 В, корпус DO-41). Выводы диода были обрезаны до длины 5 мм, необходимой для установки диода на поверхность печатной платы. На частоте вплоть до 250 МГц импеданс корпуса стабилитрона является чисто емкостным, на высших частотах преобладает индуктивное сопротивление корпуса, что позволяет диоду выступать в качестве катушки индуктивности. Так же, как и у обычных диодов, емкостное сопротивление стабилитрона уменьшается с повышением напряжения обратного смещения.

Рис. 8. Частотная характеристика стабилитрона

Наличие стабилитрона, приложенного к затвору, повышает зависимое от напряжения и частоты емкостное сопротивление колебательного RLC-контура, где могут возникнуть паразитные колебания. Добавленное сопротивление не играет никакой роли, так как емкостное сопротивление стабилитрона по сравнению с входным емкостным сопротивлением MOSFET полевого транзистора незначительно.

С тех пор как помещение стабилитрона между затвором и истоком перестало приносить значительные результаты (при подавлении высокочастотных шумов и паразитных колебаний), стало лучше обходиться без них. Однако они могут быть полезны для подавления низкочастотных шумов, таких, которые возникают, например, при управлении двигателем драйвером управления затворами с длинными выводами.

Заключение

Мощные MOSFET имеют много преимуществ. При правильном применении они улучшают всю конструкцию системы, которая часто содержит меньше компонентов, легче, компактнее и имеет лучшие характеристики, чем те, которые могут быть достигнуты на приборах другого типа.

Так же, как и все мощные полупроводниковые приборы, мощные MOSFET имеют свои собственные маленькие технические тонкости, которые необходимо соблюдать при использовании силовых транзисторов в процессе работы:

  • Паразитные колебания между двумя параллельно установленными полевыми транзисторами недопустимы, так как значительно уменьшается надежность, эффективность устройства.
  • Индуктивности Ferrite bead очень эффективны в устранении паразитных колебаний до тех пор, пока уменьшаются потери на переключения, так как они действуют как частотнозависимый затворный резистор.
  • Установка стабилитрона между затвором и истоком не контролирует высокочастотные паразитные колебания.
Читайте также  Соединение светодиодной ленты с блоком питания

Если эти тонкости правильно понять и соблюдать, потенциальные ловушки могут быть легко преодолены при минимальных затратах. Это повышает возможности устройства и его эффективность на высоких частотах.  

Литература

  1. Jonathan Dodge. Eliminating parasitic oscillations between parallel MOSFETs. AN APT-0402 Rev A. № 8.

Источник: https://power-e.ru/components/ustranenie-parazitnyh-kolebanij/

Когда и почему выходят из строя MOSFET?

Последовательное соединение полевых транзисторов

Высокие температуры и другие параметры эксплуатационной среды, превышающие пределы безопасной работы, могут привести к выходу из строя полевых транзисторов, используемых в коммутационных цепях.

Современные полевые транзисторы MOSFET (полевой транзистор структуры металл-оксид-полупроводник) являются основными компонентами в преобразователях мощности, коммутаторах электрических цепей, в электроприводах и импульсных источниках питания (рис. 1). MOSFET отличаются высоким входным сопротивлением затвора, а ток, протекающий через канал между истоком и стоком, управляется напряжением на затворе. Однако при отсутствии надлежащей защиты высокие значения входного импеданса и коэффициента усиления могут привести к повреждению транзистора.

Рассмотрим несколько базовых принципов, позволяющих избежать повреждения MOSFET. Очевидно, напряжения между затвором и истоком, стоком и истоком не должны превышать предельные значения. То же касается и протекающего тока, ID. Существует также ограничение по мощности с учетом максимальной температуры перехода.

Базовые значения для верхнего предела по этим параметрам приведены на графике в спецификации транзистора как области безопасной работы (ОБР — англ. SOA).  Применяются и другие тепловые ограничения. Например, график ОБР предполагает температуру окружающей среды 25°C при определенной температуре перехода (как правило, ниже 150°С).

Но есть различные условия, которые могут вызвать высокие перепады температур, способные привести к физическому разрушению кристалла MOSFET.

Рис.1. Новое поколение MOSFET ON Semiconductor

Новое поколение MOSFET обладает пониженным сопротивлением канала «сток-исток» RDS (в открытом состоянии) для минимизации проводимости и оптимизации рабочего режима.

Например, ON Semiconductor выпускает транзисторы NTMFS5C404NLT, NTMFS5C410NLT и NTMFS5C442NLT, имеющие максимальное значение RDS (во включенном состоянии) 0,74, 0,9 и 2,8 мОм, соответственно.

Они дополняются комплементарными приборами NTMFS5C604NL, NTMFS5C612N и NTMFS5C646NL с номинальными напряжениями пробоя 60 В. Для облегчения температурного режима конструкции транзисторы с предельным напряжением в 40 В и 60 В рассчитаны на работу при температуре перехода до 175°C.

В связи с этим следует обратить внимание, что тепловое сопротивление транзистора — среднее значение, применимое тогда, когда весь кристалл имеет одинаковую температуру. Но MOSFET, предназначенные для импульсных блоков питания, могут иметь широкий разброс по температуре в разных зонах кристалла. Транзисторы, оптимизированные для работы в режиме включения/ выключения,  не так хорошо работают в линейной области рабочей характеристики.

Типичный режим «отказа» MOSFET связан с коротким замыканием между истоком и стоком. В этом случае только сопротивление источника питания ограничивает пиковый ток. Короткое замыкание является причиной оплавления кристалла и металла. Например, достаточно высокое напряжение между затвором и истоком (VGS) может разрушить оксидный слой затвора MOSFET. Рассчитанные на 12 В затворы скорее всего разрушатся примерно при 15 В.  Затворы, имеющие запас до 20 В, могут выйти из строя при напряжении около 25 В.

В конечном итоге превышение номинального напряжения транзистора в течение нескольких наносекунд может привести к разрушению MOSFET. Производители рекомендуют выбирать транзистор с запасом по ожидаемым уровням напряжения и при условии подавления любых скачков и импульсов напряжения.

Минимальная мощность управления затвором

MOSFET спроектированы с расчетом на то, что в открытом состоянии выделяется минимальная рассеиваемая мощность: для уменьшения рассеиваемой мощности транзистор должен быть полностью открыт. В противном случае повышенное сопротивление MOSFET приведет к выделению значительной мощности в виде тепла.

В сущности, MOSFET перегревается из-за действия высокого тока; плохой теплоотвод может быть причиной разрушения MOSFET от чрезмерной температуры. Одним из способов ограничения чрезмерного тока является параллельное соединение нескольких транзисторов, когда ток нагрузки разделяется между ними.

Рис.2. График зависимости рассеиваемой мощности MOSFET от температуры

Графики зависимости рассеиваемой мощности транзистора от температуры позволяют судить о требуемом теплоотводе и креплении –  как в примере с представленным выше графиком ON Semiconductor для CPH3348 (рис. 2).

Многие p- и n-канальные MOSFET используются в схемах с топологией Н и L мостов, включенных между шинами напряжения питания. В этом случае, если управляющие сигналы на затворах транзисторов частично перекрываются, оба транзистора будут кратковременно находиться в открытом состоянии, фактически накоротко замыкая источник питания. Когда это происходит, все конденсаторы цепей развязки по питанию быстро разряжаются через сквозной канал из двух транзисторов (во время их переходных состояний при переключении), вызывая короткие, но большие импульсы тока.

Чтобы предотвратить одновременное открытое состояние транзисторов, необходимо обеспечить короткую паузу между их переключениями из открытого состояния в закрытое и наоборот.

Рис.3. График типичной ОБР для MOSFET

На рис. 3 представлен типичный график ОБР для MOSFET CPH3348 компании ON Semiconductor. График ОБР предполагает температуру окружающей среды 25 °С при температуре перехода ниже 150 °С.

Превышение тока даже на короткое время может привести к прогрессирующему повреждению MOSFET, часто с малозаметным повышением температуры перед отказом транзистора. Многие транзисторы, имеющие высокие значения допустимого пикового тока, как правило, рассчитаны на пиковые токи длительностью примерно до 300 мкс. Это особенно важно в случае перегрузки MOSFET по пиковому току при переключении индуктивных нагрузок.

При коммутации индуктивных нагрузок должна быть предусмотрена цепь погашения обратной ЭДС во время выключения транзистора. При резком отключении напряжения питания на индуктивной нагрузке возникает всплеск обратного напряжения. На этот случай в некоторых MOSFET имеется защитный диод.

Катушки индуктивности и емкости в высокочастотных резонансных контурах способны накапливать значительное количество энергии. При определенных условиях эта высокопотенциальная энергия от всплесков обратного напряжения вызывает появление тока через встроенные диоды транзисторов MOSFET, когда один транзистор выключается, а другой включается.

(Внутренний встроенный диод, подключенный между стоком и истоком, формируется в р-n переходе «корпус-сток». В n-канальных MOSFET анод встроенного диода подключается к стоку. Полярность включения становится обратной в p-канальных транзисторах.

) Проблема может возникнуть из-за медленного выключения (обратного восстановления) встроенного диода, когда противоположный MOSFET пытается открыться.

Встроенные диоды MOSFET имеют длительное время восстановления запирающего слоя по сравнению с рабочими циклами самих транзисторов. Если во время работы комплементарного транзистора встроенный диод на одном MOSFET окажется в проводящем состоянии, то возникает сквозное замыкание источника питания. Эту проблему можно решить посредством диода Шоттки и диода с быстро восстанавливаемым обратным сопротивлением.

Диод Шоттки подключается последовательно с истоком MOSFET и предотвращает протекание тока прямого смещения через встроенный диод MOSFET при всплесках напряжения на индуктивной нагрузке. Высокоскоростной (быстрое восстановление) диод подключается параллельно с парой MOSFET/диод Шоттки, что позволяет пропустить ток, возникающий при всплесках напряжения на индуктивной нагрузке, в обход MOSFET и диода Шоттки.

Это гарантирует, что встроенный в MOSFET диод никогда не будет находиться в проводящем состоянии.

Рис. 4. Зависимость теплового сопротивления от длительности открытого состояния транзистора

На тепловое сопротивление MOSFET может существенно влиять длительность периода включенного состояния. На рис. 4 приведен конкретный пример графика для транзистора ON Semiconductor CPH3348.

Переходные состояния

Транзисторы MOSFET рассеивают незначительную энергию, когда находятся во включенном или выключенном состоянии, но во время переходного процесса между этими состояниями выделяемая энергия значительно возрастает. Таким образом, чтобы свести к минимуму рассеиваемую мощность, желательно переключаться как можно быстрее. Так как затвор MOSFET является емкостью, он требует значительных импульсов тока заряда и разряда в течение нескольких десятков наносекунд. Пиковые токи затвора могут достигать нескольких ампер.

Высокий входной импеданс MOSFET может быть причиной нестабильности. При определенных условиях высоковольтные транзисторы могут стать генераторами высоких частот из-за паразитных индуктивностей и емкостей в окружающих цепях (частоты обычно в нижней части мегагерцового диапазона). Производители рекомендуют использовать низкоомные цепи управления затворами MOSFET, чтобы предотвратить появление в них паразитных сигналов.

Читайте также  Параллельное соединение резисторов разного сопротивления

Источник: https://www.terraelectronica.ru/news/5245

Последовательное соединение полевых транзисторов

Последовательное соединение полевых транзисторов

Заказать этот номер

2008№8

В этой статье мы возвращаемся к основам разработки преобразователя напряжения — как включить и как выключить мощный полевой транзистор (ПТ) в современном источнике питания с DC/DC преобразователем напряжения.

Непосредственное управление от контроллера ШИМ

В большинство современных микросхем контроллеров встроен выходной управляющий каскад. Обычно он содержит двухтактную схему на двух транзисторах. Этот выход можно использовать для непосредственного управления затвором мощного полевого транзистора, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Мощный ПТ управляется непосредственно от выхода контроллера ШИМ

Непосредственное подключение можно использовать в тех случаях, когда управляющая схема подключена к той же самой «земле», что и силовая часть, и уровень мощности относительно невелик.

Судя по справочным данным, ток в несколько ампер можно получить прямо с выхода контроллера ШИМ. Этого вполне достаточно для управления маломощными устройствами. Однако вход полевого транзистора имеет большую емкость.

Кроме того, пытаться полностью использовать весь выходной ток контроллера, как правило, — плохая идея. Это может привести к увеличению электромагнитных помех из–за быстрого включения и выключения, непомерным потерям на обратное восстановление в выпрямителе и шумам в самом контроллере ШИМ.

В результате могут возникать случайные сбои в работе и дрожание тактовой частоты.

Лучшее решение — ограничить выходной ток контроллера ШИМ при помощи схемы, показанной на рис. 2. В ней используются два резистора: один для управления временем включения, а другой — для управления временем выключения. (Обычно мы выключаем устройство быстрее, чем включаем, для защиты от коротких импульсов тока.) Диод служит для разделения этих двух функций, но в некоторых случаях, когда критично быстродействие схемы, можно обходиться без него.

Рис. 2. Схема, с помощью которой можно ограничить выходной ток контроллера ШИМ

В маломощных преобразователях мы обычно включаем ПТ медленно. Не надо бояться экспериментов с величиной сопротивления резистора Ron. Автор использует в своих проектах значения от 1 Ом до 1 кОм.

Сформулированное им правило разработки заключается в том, чтобы увеличивать сопротивление, одновременно наблюдая за осциллограммами переключения и рассеиваемой мощностью ПТ. Если температура начинает заметно возрастать, нужно уменьшить величину сопротивления вдвое.

Вы будете удивлены, увидев, как медленно можно включать ПТ в обратноходовом преобразователе, работающем в режиме прерывистых токов, без значительных потерь на переключение.

Выключение должно быть быстрым, чтобы обеспечить быстрый спад импульса тока. Экспериментируйте с разными значениями сопротивления, вместо того, чтобы просто использовать величины, приведенные в руководствах по применению. Более подробную информацию о том, насколько быстро можно управлять ПТ, можно найти в работе[3].

Специализированные драйверы затворов

При увеличении мощности преобразователя становится ясно, что сопротивления резисторов в затворе ПТ необходимо уменьшить, чтобы минимизировать потери на переключение. Для схем большой мощности в промышленности, как правило, используют микросхемы драйверов с большими выходными токами.

При этом уменьшается влияние помех на контроллер ШИМ, и, кроме того, получается более удачная разводка печатной платы. В продаже имеется множество хороших драйверов. Можно даже создать собственный мощный двухтактный драйвер, если необходимо увеличить производительность при снижении цены.

Для устройств большой мощности используют отдельную схему драйвера затвора для достижения быстрого переключения (рис. 3). Резисторы в затворе также имеются.

Рис. 3. Отдельная схема драйвера затвора для быстрого переключения

Для получения очень высоких мощностей разработчики начинают использовать такие топологии, как двухключевой прямоходовый преобразователь, полумостовой или мостовой преобразователи. Во всех этих топологиях необходимо применять плавающий ключ.

Существуют решения этой задачи с использованием полупроводниковых компонентов, но только для низковольтных применений. Интегральные драйверы верхнего плеча не предоставляют разработчику достаточной гибкости, а также не обеспечивают такого уровня защиты, изоляции, устойчивости к переходным процессам и подавления синфазных помех, который дает хорошо спроектированный и изготовленный трансформатор для управления затвором.

На рис. 4 показан самый примитивный способ получения плавающего управления затвором. Выход микросхемы драйвера подключен через разделительный конденсатор к небольшому трансформатору (обычно тороидальному для лучшей производительности).

Вторичная обмотка подключена непосредственно к затвору ПТ, и любые замедляющие резисторы должны располагаться со стороны первичной обмотки трансформатора. Обратите внимание на стабилитроны в затворе для защиты от переходных процессов.

На выходе драйвера необходимо использовать ограничительные диоды, ими нельзя пренебрегать, даже если при первых испытаниях не возникли проблемы с реактивными токами в трансформаторе.

Рис. 4. Простейшая изолированная схема для управления затвором

В простейшей изолированной схеме для управления затвором используется трансформатор, как показано на рис. 4. Ограничительные диоды необходимы для защиты от реактивных токов, а разделительный конденсатор предотвращает насыщение трансформатора. Конденсатор дает сдвиг уровня выходного напряжения драйвера, который зависит от относительной длительности управляющих импульсов.

Схема, представленная на рис. 4, обеспечивает отрицательное напряжение на вторичной обмотке на интервалах времени, когда ПТ выключен. Это значительно увеличивает устойчивость к синфазным помехам, что особенно важно для мостовых схем.

Схемы с трансформаторной развязкой наиболее эффективны при относительной длительности от 0 до 50%. К счастью, именно это и нужно для прямоходовых, мостовых и полумостовых преобразователей.

Обратите внимание: на рис. 5 показано, как напряжение на разделительном конденсаторе смещается под действием низкочастотных колебаний, наложенных на выходные импульсы драйвера. Эти колебания должны тщательно подавляться для обеспечения безопасной работы. Обычно для борьбы с этим явлением увеличивают емкость конденсатора, что уменьшает Q для низкочастотных составляющих. Необходимо проверить работу схемы при всех возможных переходных процессах, особенно при старте, когда конденсатор разряжен.

Рис. 5. Колебания, возникающие в разделительном конденсаторе и влияющие на работу трансформатора

Иногда разработчик может столкнуться с высоковольтной схемой, в которой требуется изолированное управление затвором при относительной длительности импульсов около 100%. Раньше для таких применений рекомендовали схему, показанную на рис. 6. Но ее применение может приводить к повреждению источника питания при выключении.

Рис. 6. Высоковольтная схема с восстановлением постоянной составляющей

Диод и конденсатор на стороне вторичной обмотки восстанавливают постоянную составляющую на затворе и обеспечивают управление затвором при значениях относительной длительности до 90% и более. Однако у этой схемы есть серьезный недостаток, и использовать ее без очень тщательного анализа не рекомендуется.

Эта схема хорошо работает в установившемся режиме (рекомендуется нагрузочный резистор в затворе), но когда контроллер ШИМ выключается, разделительный конденсатор остается подключенным через трансформатор на неопределенный период времени. Это может привести к насыщению трансформатора, как показано на рис. 6б.

Когда трансформатор насыщается, вторичная обмотка замыкается накоротко, и конденсатор на стороне вторичной обмотки может включить ПТ.

Насыщение можно предотвратить, если использовать сердечник с зазором и конденсатор небольшой емкости, но при этом увеличится реактивный ток, необходимый для управления затвором, а это вызывает другие проблемы.

Изолированное управление затвором для мостовых преобразователей

Мостовые и полумостовые преобразователи — это устройства, в которых требуется очень надежная изолированная схема управления. В то время как один из ключей закрыт, ключ на другой стороне моста будет открыт. В результате на выключенном устройстве будет присутствовать большое синфазное напряжение.

На рис. 7 показана схема, рекомендуемая для полумостового преобразователя. В ней управлять затворами должны два трансформатора. Не пытайтесь использовать только один трансформатор и схему с тремя состояниями, как советуют в некоторых руководствах по применению!

Рис. 7. Для управления затворами в полумостовых преобразователях рекомендуются два отдельных трансформатора

В мостовом преобразователе, показанном на рис. 8, также требуются два трансформатора для управления затворами. Двойные вторичные обмотки в каждом трансформаторе используются для управления парами ПТ в диагонально противоположных плечах моста. Для обоих типов мостов схемы управления затворами должны тщательно тестироваться во время переходного процесса при включении, когда возникают большие пиковые токи, и отрицательные напряжения на затворах невелики.

Читайте также  Соединение подземного кабеля

Рис. 8. Схема мостового преобразователя с двумя трансформаторами для повышения надежности

В схеме моста с фазовым сдвигом (рис. 9) для управления затворами также используются два трансформатора.

Но обратите внимание на отличие: каждая сторона моста работает с фиксированной относительной длительностью 50%, что позволяет использовать один трансформатор с двумя вторичными обмотками противоположной полярности.

Это одна из немногих схем, где можно применять биполярную схему управления затвором без снижения надежности. Но выбросы, возникающие во время переходных процессов при выключении, не должны приводить к открытию транзисторов. Обратите внимание на полярность вторичных обмоток.

Рис. 9. Мост с фазовым сдвигом с двунаправленными трансформаторами в каждом плече

Схема управления затвором — критически важная часть проекта преобразователя. Убедитесь в том, что вы используете правильную схему, и не копируйте вслепую схемы из руководства по применению. Трансформаторы в цепях управления затворами придают вашему проекту такую степень надежности, которую невозможно получить при использовании полупроводниковых решений.

Если вы разрабатываете очень мощное устройство, то это важнейшая составляющая. Добавление активных элементов для того, чтобы, согласно общепринятому мнению, увеличить скорость переключения, обычно не дает улучшения общей производительности, но вносит новые возможности для потенциальных отказов. Делайте вашу схему управления затвором как можно более простой.

Литература

Скачать статью в формате PDF  

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Источник: https://www.kit-e.ru/articles/powerel/2008_08_120.php

Полевые транзисторы. For dummies

А теперь давайте поговорим о полевых транзисторах. Что можно предположить уже по одному их названию? Во-первых, поскольку они транзисторы, то с их помощью можно как-то управлять выходным током. Во-вторых, у них предполагается наличие трех контактов. И в-третьих, в основе их работы лежит p-n переход.

Что нам на это скажут официальные источники?Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. (electrono.

ru)
Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.

Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Источник: https://1000eletric.com/posledovatelnoe-soedinenie-polevyh-tranzistorov/

Последовательное включение полевых транзисторов

Последовательное соединение полевых транзисторов

Для анализа работы усиливающее устройство удобно представлять в виде 4–полюсника с двумя входными и двумя выходными клеммами. Полевой транзистор имеет три электрода: исток, сток и затвор. Если представить ПТ в виде 4–полюсника, то какой-то его электрод будет использован дважды, т.е. будет общим для входной и выходной цепей. Таким образом, имеются три возможных схемы включения ПТ: с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и с общим стоком (ОС) (рис. 4).

Схемы включения полевого транзистора с ОИ (а), ОЗ (б), ОС (в)

с иси

з

з

UВЫХUВЫХ UВЫХ

UВХ UВХ UВХ

ии з з с с

Рис.4 .

4. Усилитель на полевом транзисторе

Среди усилителей, выполненных на полевых транзисторах, наиболее широкое применение получил усилитель, в котором ПТ включен по схеме с общим истоком (ОИ). На рис. 5 приведена принципиальная схема наиболее распространенного варианта усилительного каскада.

В данной схеме использован ПТ с р-n–переходом и каналом n–типа. Поэтому полярность «+» напряжения источника питания ЕСподается на сток, а «-» – на исток ПТ. Направления токов IСи IИуказаны на схеме. Из I закона Кирхгофа следует, что IС+ IЗ– IИ= 0, где IЗ— ток затвора. Но IЗ 0, и, следовательно, IСIИ.

Данная схема экономична, так как позволяет обходиться одним источником напряжения. Вместо второго источника ЕЗИ, в цепь истока ПТ включен резистор RИ.

Принципиальная схема усилителя на полевом транзисторе

Этот резистор необходим, чтобы обеспечить разность потенциалов UЗИмежду затвором и истоком ПТ. Ток истока, проходя через RИ, создает на нем падение напряжения UЗИо= -IИоRИ= -IСоRИ, где IИо, IСои UЗИо— постоянные составляющие токов IИи IСи напряжения UЗИ. Причем, более высокий потенциал U «+» имеет исток ПТ.

Чтобы отрицательный потенциал «–» был приложен к затвору транзистора в цепь его затвора включен резистор RЗ. Так как IЗ 0, то напряжение на RЗпрактически отсутствует. Говорят, что резистор RЗосуществляет гальваническую связь затвора с общей шиной, т. е. потенциал затвора равен нулю.

Поэтому напряжение UЗИопрактически приложено к электродам ПТ затвор–исток и называется напряжением смещения.

Помимо этой функции резистор RЗвместе с резистором RИобразуют цепь обратной связи по постоянному току. Обратной связью называют передачу части энергии сигнала с выхода некоторого устройства на его вход. В усилителях, как правило, используется отрицательная обратная связь: часть напряжения с выхода усилителя (напряжение обратной связи UОС) вычитается из входного напряжения UВХи результирующее напряжение равное разности UВХ— UОС, подается на вход транзистора. Усилители, охваченные отрицательной обратной связью, работают более устойчиво, так как стабилизируется режим покоя усилителя. Покажем это.

Предположим, что за счет каких-то внешних воздействий (повышения температуры, случайных изменений напряжения Ес, появления радиации и т.д.) ток стока ICовозрастает. Так как IСоIИо, то растет и ток истока IИо(рис. 5), увеличивается падение напряжения на резисторе RИ, уменьшается потенциал затвора ПТ относительно истока, растет сопротивление канала, что приводит к уменьшению и, следовательно, к стабилтзации токов IСои IИо. Таким образом, с помощью резисторов RИи RЗбудет поддерживаться постоянство IСои IИопри воздействиях внешних факторов.

Резистор RИобразует, кроме того, еще цепь отрицательной обратной связи по переменному току. Действительно, пусть на вход усилителя подается положительный импульс напряжения относительно общей шины схемы. Так как в данной схеме используется транзистор с каналом n–типа, то при увеличении потенциала затвора сечение канала увеличивается и токи стока IСи истока IИвозрастают. Ток истока, проходя через резистор RИ, создает на нем дополнительное падение напряжения, увеличивающее потенциал истока, и равноеIИRИ.

Это напряжение и является напряжением обратной связи UОС. Следовательно, ко входу транзистора прикладывается напряжение UЗИ, представляющее разность двух напряжений UВХи UОС. Это следует из того, что в цепи, подключаемой к затвору и истоку транзистора, источники напряжения UВХи UОСвключены последовательно и навстречу друг с другом. Действительно, положительный импульс UВХповышает потенциал затвора, а напряжение обратной связи UОС, как было показано, увеличивает потенциал истока относительно общей шины схемы.

Следовательно, разность потенциалов или напряжение между затвором и истоком UЗИуменьшается. К сожалению, это приводит к уменьшению модуля коэффициента усиления усилителя К, но зато другие параметры усилителя улучшаются. Если же однокаскадный усилитель должен иметь большой коэффициент усиления, то от отрицательной обратной связи по переменному току отказываются, как это сделано в данной схеме (рис. 5). Для этого достаточно параллельно резистору RИподключить конденсатор СИ, шунтирующий RИ.

Цепь RИCИназывается цепью автоматического смещения рабочей точки и предназначена для обеспечения обратного напряжения на затворе транзистора.

Источник: https://ostwest.su/instrumenty/posledovatelnoe-vkljuchenie-polevyh-tranzistorov.php/