Использование силовых транзисторов Microsemi в линейном режиме

СОДЕРЖАНИЕ

В тех случаях, когда целью проверки является отбор лучших образцов триодов из данной партии, процесс испытания состоит в измерении обратного тока коллектора (рис. 1) и определении коэффициента усиления β (рис. 2). Коэффициент усиления по току транзистора, включенного по схеме, с общим эмиттером, находят по формуле

β = (R/U)Ik,

где — R сопротивление резистора, кОм, U — напряжение источника питания (например, батареи для карманного фонаря), В, I —ток коллектора, мА.

Величины и и обычно выбирают в пределах R = 5-90 кОм и U=1,5-9 В.

Для облегчения вычисления коэффициента β сопротивление резистора и напряжение источника питания и подбирают такими, чтобы их отношение было равно целому числу, кратному десяти, например, 10, 20, 30 и т.д.

При выборе величин R, Rогр и и учитывают то, что ток

Ik = βпр U(B) / R(кОм),

где βпр — предполагаемое максимальное значение β, не должен превышать допустимый для данного типа транзистора максимальный ток коллектора, а сопротивление резистора Rогр, ограничивающего ток через миллиамперметр в случае соединения коллектора с эмиттером, должно быть приблизительно равно U/7I0, где U — напряжение источника питания в вольтах, I0 — ток полного отклонения миллиамперметра в амперах.

При отсутствии миллиамперметра измерить коэффициент усиления β маломощного транзистора можно с помощью омметра. Выполняют это так.

Соединяют между собой проводники омметра и устанавливают стрелку прибора на нулевую отметку шкалы.

Затем собирают схему, приведенную на рис. 3,а, переводят ползунок переключателя в положение 3—1 и замечают первое показание омметра Ω1. После этого переводят ползунок в положение 3—2 и устанавливают движок резистора R2 в такое положение, при котором показание омметра возрастает на 1000 Ом, то есть становится равным Ω1 + 1000.

Рис. 3. Схема соединения приборов при измерении коэффициента усиления по току β с помощью омметра

Выполнив эти измерения, отключают омметр, измеряют сопротивление резистора R2 и вычисляют искомую величину по приближенной формуле:

β = 0,001 (R2 — R1)

В тех случаях, когда проверке усилительной способности подвергается партия транзисторов, желательно упростить процесс измерения. Этого можно достичь, если ввести в участок 2—4 схемы второй резистор R1 (рис. 3,6).

В этом случае разность сопротивлений участков 2—4 и 1—4 равна (R2 + R1) — R1 = R2 и формула для вычисления β принимает простой вид:

β = 0,001 R2

Из последнего выражения нетрудно видеть, что схема рис. 3,б позволяет определять коэффициент усиления β путем простого считывания его со шкалы резистора R2. Для этого необходимо только отградуировать резистор в десятках килоом.

[/td]

Простым и надежным способом проверки транзисторов, а также методом отбора лучших образцов из имеющихся партий триодов является испытание полупроводникового триода в макете какого-нибудь генератора. Если с вводом транзистора в схему и включением источника питания генератор сразу же начинает работать, то испытываемый транзистор считают исправным. О качестве его судят по показанию вольтметра переменного тока, присоединенного к коллектору-эмиттеру нижнего транзистора через конденсатор емкостью 4700-6800 пФ. Чем больше угол отклонения стрелки прибора, тем лучше проверяемый транзистор.

Азбука устройства MOSFET

В общих чертах MOSFET позволяет с помощью низкого напряжения на затворе управлять током, протекающим по каналу «исток-сток». Благодаря этому свойству можно значительно упростить схему управления, а также снизить суммарную затрачиваемую на управление мощность.

На сегодняшний день широкое распространение получили две технологии производства MOSFET: планарная и Trench.

Первые MOSFET были созданы по планарной технологии. Транзисторы, изготавливаемые по этой технологии, изображены на рис. 1. Их структура состоит из металла и полупроводника, разделенных слоем оксида кремния SiO2.

Рис. 1. Планарная технология – первые дискретные MOSFET

Trench-структура (рис. 2) имеет более высокую плотность ячеек, что выражается в более низком значении Rds(on). В Trench MOSFET на поверхности подложки создается V-образная канавка, на которую осаждается слой оксида, и затем происходит металлизация.

Рис. 2. Высокоплотные Trench MOSFET могут быть меньше, чем их планарные собратья, но обладать сравнимым значением Rds(on)

Поле затвора в Trench MOSFET оказывает влияние на гораздо большую область кремния. В результате этого для получения аналогичного Rds(on) требуются меньшие физические размеры, чем при изготовлении MOSFET по планарной технологии.

Наряду с явными достоинствами MOSFET имеют и отрицательные стороны. Так, между слоем n- стока и p+ истока формируется внутренний диод. Характеристики этого диода приводятся в технических данных на все MOSFET. Применяя MOSFET в импульсных схемах, всегда нужно принимать во внимание время обратного восстановления внутреннего диода. Также, в MOSFET формируется внутренний NPN-транзистор, коллектором которого является n-слой стока, базой – p-слой, а эмиттером – n-слой истока.

Необходимо учитывать, что металлизация истока (рис. 3) в некоторых местах имеет очень низкое сопротивление между переходом «база-эмиттер», этот момент осложняет включение транзистора.

Рис. 3. Внутренние диод и биполярный транзистор в структуре MOSFET

Типы, классификация транзисторов

Избегаем исследовать дебри. Знайте простое правило: в биполярных транзисторах носители обоих знаков участвуют в создании выходного тока, в полевых – одного. Определение умников. Теперь работаем пальцами:

1. Транзисторы полевого типа выступают началом. Когда Битлз выходили на сцену, на замену вакуумным триодам стали приходить полупроводники. Если говорить кратко, p-n-p транзистор — два богатых положительными носителями слоя кристалла (кремний, германий, примесной проводимости). Проводя уроки физики, учитель часто рассказывал, как V-валентный мышьяк легировал решетку кремния, образуя новый материала. Добавим, что положительные p-области, отгорожены узкой отрицательной (n-negative). Как ком в горле. Узкий перешеек, называемый базой, отказывается пускать электроны (в нашем случае скорее дырки) течь в нужном направлении. Небольшой отрицательный заряд появляется на управляющем электроде, дырки коллектора (верхняя p-область на традиционных электрических схемах) больше не могут сдерживаться, буквально рвутся в сторону приложенного напряжения. Поскольку база тонкая, используя набранную скорость носители пролетают перешеек, уносятся дальше — достигая эмиттера (нижняя p-область), здесь увлекаются разностью потенциалов, создаваемой напряжением питания. Типичное школьное объяснение. Относительно небольшое напряжение управляющего электрода способно регулировать скорость сильного потока дырок (положительных носителей), увлекаемого полем напряжения питания. На этом построена техника. Навстречу дыркам движутся электроны, транзисторы называют биполярными.
2. Полевые транзисторы снабжены каналом любого типа проводимости, разделяющим области истока и стока (см. рисунок выше). Управляющий электрод называют затвором. Причем основной материал подложки, затвора противоположен каналу, истоку и стоку. Поэтому положительное напряжение (см. рисунок) запрет ход зарядам через транзистор. Плюс оттянет (в p-область) доступные электроны. Полевые транзисторы в электронике применяются намного чаще. На рисунке затвор электрически соединен с кристаллом, структура называется управляющим p-n переходом. Бывает, область изолирована от кристалла диэлектриком, в качестве которого часто выступает оксид. Чистой воды MOSFET транзистор, по-русски – МОП.

Схема проверки транзистора

При помощи мультиметра, в штатном режиме проверяются биполярные транзисторы. Если тестер поддерживает такую опцию, часто именуемую hFE, на лицевой панели смонтирован круглый разъем, поделенный вертикальной чертой на две части, где надписаны по 4 гнезда следующим образом:

1. B – база (англ. Base).
2. С – коллектор (англ. Collector).
3. E – эмиттер (англ. Emitter).

Гнезд для эмиттера два, чтобы учесть раскладку выводов корпуса. База может быть с края, посередине. Для удобства сделано. Нет разницы, в какое гнездо вставить ножку эмиттера биполярного транзистора. Пара слов, как пользоваться.

Проверка транзистора омметром

Поскольку в составе транзистора имеется два p-n-перехода, то их исправность можно проверить по методике, используемой для тестирования полупроводниковых диодов. Для этого его можно представить эквивалентом встречного соединения двух полупроводниковых диодов.

Критериями исправности для них является:

• Низкое (сотни Ом) сопротивление при подключении источника постоянного тока в прямом направлении;
• Бесконечно большое сопротивление при подключении источника постоянного тока в обратном направлении.

Мультиметр или тестер измеряют сопротивление, используя собственный вспомогательный источник питания – батарейку. Напряжение ее невелико, но его достаточно, чтобы открыть p-n-переход. Меняя полярность подключения щупов от мультиметра к исправному полупроводниковому диоду, в одном положении мы получаем сопротивление в сотню Ом, а в другом – бесконечно большое.

Полупроводниковый диод бракуется, если

• в обоих направлениях прибор покажет обрыв или ноль;
• в обратном направлении прибор покажет любую значащую величину сопротивления, но не бесконечность;
• показания прибора будут нестабильными.

При проверке транзистора потребуется шесть измерений сопротивлений мультиметром:

• база-эмиттер прямое;
• база-коллектор прямое;
• база-эмиттер обратное;
• база-коллектор обратное;
• эмиттер-коллектор прямое;
• эмиттер-коллектор обратное.

Критерием исправности при измерении сопротивления участка коллектор-эмиттер является обрыв (бесконечность) в обоих направлениях.

Линейный режим работы

Рассмотрим работу MOSFET в линейном режиме.

На рис. 11 в логарифмическом масштабе на горизонтальной оси отложены значения напряжения «сток-исток» VDS, на вертикальной оси – значения тока стока ID. Кривая области безопасной работы описывает прямо-смещенную характеристику MOSFET-транзистора.

Рис. 11. Область безопасных режимов MOSFET

Положительный наклон в первой декаде ID/VDS отражает постоянное сопротивление RDS(ON), отрицательный – постоянную мощность. При низком напряжении MOSFET не может провести номинальный ток из-за сопротивления канала RDS(ON) и низкого значения VDS. Постоянное сопротивление RDS(ON) показано линейно в первой части кривых (линия зеленого цвета) области безопасной работы.

Вторая часть кривой (серая линия) отражает максимальный ток через транзистор. Третья часть (синяя линия) — постоянная мощность MOSFET.

Четвертая часть (линии розового и фиолетового цветов) никогда не описывались, исключение составляют лишь самые новые технические описания у компании IR. Этот сегмент имеет отрицательный наклон свыше постоянной мощности. По сути это выглядит как вторичный пробой в биполярном транзисторе, но это не так. Здесь показана область стабильной работы транзистора в стабильном состоянии – напряжение VDS выше, а ток ID ниже максимально допустимого. Большинство импульсных устройств не работают в этом состоянии. В импульсном источнике питания транзистор находится либо во включенном состоянии, с низким VDS и высоким током (левая верхняя линия области безопасной работы), либо выключен.

Вторая точка перелома на кривой области безопасной работы показывает границу Спирито. Эта точка перегиба возникает из-за микроскопических особенностей транзистора. MOSFET состоит из множества тысяч параллельных ячеек, каждая ячейка обладает примерно одинаковыми значениями VDS и VGS. Единственный параметр, который отличает ячейку от ячейки – усиление. Когда MOSFET находится в режиме насыщения, то разность в усилении не существенна. Но это заметно в линейном режиме. Ячейка с большим усилением пропускает больший ток, что вызывает локальный перегрев. Решением является перевод транзистора в насыщение, тогда ячейки оптимально распределяют ток, не вызывая перегревов. Наиболее оптимально работают в линейном режиме ранние планарные MOSFET. Обладая низкой плотностью ячейки и низким коэффициентом усиления, они лучше распределяют поток тепла на большой площади, что меньше сказывается на параметрах MOSFET в линейном режиме. Ранние планарные транзисторы (рис. 12) лучше подходят для линейных режимов работы, чем Trench-приборы.

Рис. 12. Сравнение технологий при работе в линейном режиме

Лучше всего это иллюстрируется в сравнении трех различных технологических процессов – ранняя планарная технология, обновленная планарная технология, и Trench-технология.

Для MOSFET, работающих в линейном режиме с постоянным напряжением «затвор-исток» VGS, током стока ID и температурой, повышение температуры (с сохранением постоянного значения VGS) и увеличение тока приводит к тепловому уходу и нестабильности. И наоборот, уменьшение тока с ростом температуры приводит к повышению стабильности работы транзисторов в линейном режиме.

На графике ранних планарных MOSFET четко видна точка пересечения, после которой нагрев вызывает тот же или меньший ток для данного значения напряжения VGS. Этого эффекта не наблюдается у MOSFET с обновленной планарной технологией и у Trench.

Обновленные планарные и Trench-MOSFET не подходят для технологий hot-swap и линейного регулирования, так как они тут же выйдут из линейного режима. Эти приложения требуют MOSFET ранней планарной технологии.

Инженеры по применению КОМПЭЛ могут дать вам ответ о технологии производства конкретного MOSFET и о возможности его применения в той или иной схеме.

Данный обзор должен помочь в решении множества проблем при создании прототипов устройств. И хотя не было затронуто большое количество параметров и основных направлений, была предпринята попытка объяснить основные механизмы, взаимодействия, и возможные пути решения возникающих проблем. Независимо от того проектируется ли DC/DC-преобразователь или схема hot-swap, этот материал будет полезен на всех уровнях, от миниатюрных до многоваттных устройств.

Инженеры компании International Rectifier разработали удобный online-инструмент (он находится на сайте https://www.irf.com/: Design Support ® SyncBuck MOSFET Tool) по выбору оптимальной пары MOSFET для понижающих синхронных преобразователей. Введя все необходимые для расчета данные, вы получите список рекомендуемых транзисторов с кратким перечнем их параметров, типа корпуса и ориентировочной стоимостью.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка – e-mail

•••