Публикации

Microsemi

Использование силовых транзисторов Microsemi в линейном режиме (2008)

Додж Джонатан. Перевод: Некрасов Михаил

Теоретически, добиться работы в линейном режиме очень просто. Для этого достаточно подать на затвор напряжение определенной величины и следить за соблюдением требований документации, касательно области безопасной работы в прямом смещении (ОБР-П). В действительности же задача реализации силовой схемы, работающей в линейном режиме, является одной из самых непредсказуемых: многие простые решения демонстрируют такое поведение, что оно может стать кошмарным сном разработчика. В данной статье будут показаны «подводные камни» линейного режима работы и даны рекомендации и примеры реализации высоконадежных схем, работающих в линейном режиме. В описаниях в основном будет идти речь о силовых МОП-транзисторах, хотя все сказанное в равной мере может быть отнесено и к IGBT-транзисторам.  

     Проблемы линейного режима

Реализация силовой схемы, работающей в линейном режиме, связана с тремя фундаментальными вызовами:

1. Информация, приведенная в документации производителя, часто является неадекватной или даже некорректной по отношению к линейному режиму работы.

2. Тепловая неустойчивость ограничивает возможности силового транзистора, работающего в линейном режиме, по управлению нагрузкой относительно значений, которые следуют из паспортных максимальной рассеиваемой мощности или температуры перехода кристалла.

3. Пороговые напряжения и крутизна транзисторов с изолированным затвором (МОП и IGBT) могут существенно отличаться даже у однотипных транзисторов.

     Тепловая неустойчивость и коэффициент передачи

Для управления током стока достаточно регулировать напряжение затвор-исток. Тем не менее, под влиянием некоторых различий температуры вдоль кристалла в нем возникает температурно-индуцированное изменение тока. Если температурно-зависимое изменение плотности тока окажется температурно-нестабильным (что нормально для линейного режима работы), то результатом может быть локальный разогрев и колебания тока в кристалле. Следствием разогрева может быть выход из строя, идентичный вторичному пробою биполярных транзисторов. Исходя из этого, границы действительной ОБР-П могут быть существенно меньшими, чем те, что получены только на основании тепловых сопротивлений, часто публикуемых в документации. Исключение возможности отказа является самым большим вызовом для разработки силовой схемы, работающей в линейном режиме. Таким образом, есть смысл в том, чтобы разобраться, что же вызывает выход из строя транзистора.

Работа в линейном режиме возможна в области «насыщения» передаточной характеристики (смежная с омической область), как показано на Рис. 1 .

Выходные характеристики МОП-транзистора
Рис. 1. Выходные характеристики МОП-транзистора.

При работе в этой области ток стока зависит от напряжения затвор-исток VGS и от порогового напряжения VTH :

, (1)


где ,

μe — подвижность электронов,

COZ — емкость оксидного слоя затвора,

W — ширина канала,

L — длина канала.

Коэффициент передачи и значение k тем выше, чем больше ширина канала W и чем меньше его длина L. Поскольку значение μe снижается по мере роста температуры, то рост температуры также вызовет снижение k. (Емкость не зависит от температуры, но зато зависит от напряжения сток-исток). Значение VTH тоже снижается с ростом температуры. Поскольку работа прибора в линейном режиме связана с его разогревом, то снижение подвижности электронов приведет к снижению тока стока, таким образом, поддерживая тепловую устойчивость. В противоположность этому, снижение порогового напряжения приводит к возрастанию тока стока. Таким образом, отрицательный температурный коэффициент порогового напряжения является фактором тепловой неустойчивости. Данные соотношения можно выразить математически. Для этого нужно продифференцировать (1) по температуре и выполнить подстановку в зависимость рассеиваемой мощности от температуры. В итоге получаем коэффициент устойчивости S:

  (2)

Чем выше значение S , тем большей тепловой неустойчивостью будет обладать транзистор. Это означает, что локальное возрастание температуры оказывает регенеративное влияние. Если же S имеет отрицательное значение, прибор будет температурно-устойчивым в линейном режиме. Обратите внимание, что значения и всегда отрицательны.

Пользуясь выражением (2) можно сформулировать факторы улучшения тепловой устойчивости (когда S имеет меньшие значения):

1. Снижение теплового сопротивления.

2. Снижение напряжения сток-исток.

3. Увеличение тока стока.

4. Снижение коэффициента передачи (а, следовательно, и k).

5. Снижение абсолютного значения температурного коэффициента порогового напряжения .

Факторы 4 и 5 полностью зависят от конструкции транзистора.

 Таким образом, при его проектировании могут быть предприняты меры по улучшению тепловой устойчивости и, как следствие, и расширению области безопасной работы в линейном режиме. Таким мерам были подвергнуты серии линейных МОП-транзисторов и большинство РЧ МОП-транзисторов серий ARF компании Microsemi (ранее Advanced Power Technology).

Передаточные характеристики МОП-транзистора

Рис. 2. Передаточные характеристики МОП-транзистора.

На Рис. 2 показаны передаточные характеристики МОП-транзистора для трех температур. На нем наглядно демонстрируется фактор тепловой устойчивости, описанный выражением (2). Существует одна точка, в которой пересекаются все кривые. Ниже этой точки преобладает влияние порогового напряжения и, поэтому, локальные изменения тока вызывают температурную неустойчивость. Выше этой точки преобладает влияние изменения коэффициента передачи и транзистор будет температурно-устойчивым.

     Механизм отказа

Поскольку пересечение передаточных характеристик происходит в точке с относительно большим током, работа в линейном режиме ниже этой точки практически всегда сопровождается тепловой неустойчивостью. Проблема состоит в том, что в более разогретых областях кристалла выше плотность тока, что еще больше усиливает нагрев.

У любого МОП- или IGBT-транзистора имеется внутренний биполярный транзистор. Его коэффициент передачи возрастает при увеличении температуры прибора, а также при увеличении напряжения сток-исток. Сопротивление базы биполярного транзистора возрастает с нарастанием температуры, и снижается напряжение база-эмиттер. Учитывая данные факторы совместно следует вывод, что с ростом температуры повышается вероятность генерации напряжения на сопротивлении базы, достаточного для включения биполярного транзистора.

Таким образом, при определенном уровне нагретости кристалла может произойти отпирание расположенного в разогретой области биполярного транзистора. Вследствие этого работа в линейном режиме становится аварийной: разогрев становится необратимым, температура стремительно возрастает вплоть до перегорания аварийного участка, вызывающего закорачивание стока с истоком, а иногда и затвора с истоком. Некоторые поврежденные приборы еще могут работать в открытом состоянии, но после запирания они смогут работать только с напряжением, которое характеризуется большим током утечки, протекающим через поврежденную область.

     Рекомендации по реализации линейного режима

Первым этапом проектирования надежной силовой схемы, работающей в линейном режиме, является налаживание контакта с инженером по применениям производителя транзистора. Он может дать бесценную информацию и советы, которые не публикуются в документации.

Вторым этапом является нахождение действительной ОБР-П для выбранных приборов. К сожалению, этот этап работы нельзя выполнить с помощью инструментов моделирования, т.к. модели полупроводниковых приборов не позволяют определить, когда же происходит его повреждение. Для нахождения рабочей ОБР-П потребуется тестирование на отказ нескольких приборов. Здесь можно воспользоваться преимуществами первого этапа, т.к. эта работа уже скорее всего была выполнена. После того, как были собраны данные, при каких напряжениях и токах возникали отказы, могут быть построены кривые или составлена математическая модель. Добавив небольшой запас надежности, получим действительную ОБР-П.

Табл. 1. Данные по отказам транзистора APT200GN60J при работе в линейном режиме

VCE , В

IC , А

Р, Вт

500

0.227

114

450

0.25

113

400

0.338

135

350

0.413

145

300

0.473

142

250

0.565

141

200

0.68

136

150

1

150

100

1.84

184

В Табл. 1 представлена информация по рассеиваемой мощности IGBT-транзистором APT200GN60J в линейном режиме, когда при фиксированном напряжении коллектор-эмиттер ток в линейном режиме возрастал вплоть до отказа транзистора. В результате в таблицу были внесены данные для нескольких напряжений коллектор-эмиттер.

Измеренные и теоретические ОБР-П

Рис. 3. Измеренные и теоретические ОБР-П

Рабочие ОБР-П транзистора APT200GN60J

Рис. 4. Рабочие ОБР-П транзистора APT200GN60J

Транзисторы были смонтированы на теплоотводе с водяным охлаждением. Измеренная температура корпуса T C во время отказа составляла около 75°C . С помощью аппроксимирующей кривой можно оценить среднюю температуру перехода, при которой возникает отказ, — это примерно 175°C . Данная температура равна паспортной максимальной температуре перехода. Важно обратить внимание, что в линейном режиме отказ может произойти при средней температуре перехода, меньшей паспортного максимального значения.

На Рис. 3 проиллюстрированы данные из Табл. 1 , а также теоретические кривые ОБР-П, построенные из условий постоянства рассеиваемой мощности при температурах T J = 175°C и T C = 75°C и 25°C . Обратите внимание, насколько меньше действительная область ОБР-П, чем те, что получены расчетным путем на основании постоянства рассеиваемой мощности и ограниченные только тепловым сопротивлением (представлены кривыми для температур T C = 25°C и 75°C ). В большинстве документации публикуются кривые ОБР-П для температуры корпуса 25°C . Если полагаться на эти данные, то окажется что при больших напряжениях ток может быть в 6 раз больше, чем на самом деле способен пропустить транзистор!

Но даже если ориентироваться на более низкий ток, соответствующий температуре корпуса 75°C , он все одно окажется намного выше тока, при котором наступает отказ прибора вследствие локального разогрева. Решить эту проблему можно только одним способом: проверить несколько транзисторов с целью найти условия, вызывающие их повреждение.

На Рис. 3 показана аппроксимирующая кривая, построенная по результатам тестирования на отказ при протекании постоянного тока (статическая ОБР-П). Затем, пользуясь данными по переходным тепловым сопротивлениям, были построены ОБР-П при импульсном протекании тока (импульсные ОБР-П). Результат показан на Рис. 4. Полученные кривые являются рабочими ОБР-П транзистора APT200GN60J. Использование температуры перехода 125°C (ниже температуры, при которой происходит повреждение транзистора) позволяет создать некоторый запас надежности. Обратите внимание, если сопоставить кривую статической ОБР-П с кривой испытания на отказ на Рис. 3, то первая кривая окажется ниже. Именно так нужно поступать при использовании транзистора в линейном режиме, принимая запас минимум в 20°C относительно средней температуры перехода, при которой наступает отказ. На Рис. 4 за максимальную рекомендованную температуру перехода принята 125°C, т.о. запас надежности составляет 50°C относительно предельной температуры. Далее рассмотрим ОБР-П МОП-транзистора APL502J, который был специально разработан для работы в линейном режиме. Рабочие ОБР-П транзистора APL502J представлены на Рис. 5. По сравнению с APT200GN60J (Рис. 4) APL502J имеет более широкую ОБР-П. Границы ОБР-П находятся в противоречии с потерями проводимости. При полном включении и токе нагрузки 200А типичное значение напряжения коллектор-эмиттер APT200GN60J составляет всего лишь 1.7 В в разогретом состоянии (1.5В при комнатной температуре). Для сравнения более надежный транзистор APL502J при токе 26A и температуре 125°C характеризуется примерно в 6 раз большими потерями по сравнению с APT200GN60J.

Рабочие ОБР-П транзистора APL502J

Рис. 5. Рабочие ОБР-П транзистора APL502J

Обратите внимание, что кривые ОБР-П на Рис. 4 и 5 загибаются в области повышенных напряжений (обе оси имеют логарифмический масштаб). Кривые ОБР-П, построенные на основании постоянства рассеиваемой мощности являются прямолинейными. Если в документации вы увидите прямолинейную ОБР-П для статического режима работы, будьте бдительны! Этот график скорее всего неадекватен линейному режиму.

     Примеры применения транзисторов в линейном режиме

Твердотельное реле для коммутации постоянного тока

APT200GN60J прекрасно работает в составе твердотельных реле (ТТР), где обеспечивает ограничение тока заряда больших конденсаторных батарей за счет работы в линейном режиме, а затем переходит в полностью открытое состояние для минимизации потерь проводимости. Чтобы вписаться в пределы ОБР-П IGBT-транзистора необходимо существенно ограничить ток заряда емкости. Если к времени заряда нет строгих требований, то решение этой задачи не будет проблемой.

Требования

Рассмотрим ситуацию, когда необходимо зарядить конденсаторную батарею 1500 мкФ с напряжения 0В до 400В. Сколько будет длиться заряд емкости, значения не имеет. Для поддержания температуры корпуса ТТР на уровне 75°C или менее может потребоваться теплоотвод.

Решение

В соответствии с графиком ОБР-П (Рис.4) ток больше всего ограничивается при максимальном прикладываемом напряжении, которое в данном случае составляет 400 В. Из данных, которые использовались для создания Рис. 4 , следует, что безопасный ток заряда конденсаторов при напряжении 400 В составляет 0.16A (примерно вдвое меньше, чем ток в точке повреждения транзистора по данным из Табл. 1 , т.о. имеется хороший запас надежности). При токе заряда 0.16A заряд конденсаторной батареи с напряжения 0 В до 400 В произойдет за 3.75 секунды. Ускорить заряд конечно же можно, если, следуя по кривой ОБР-П, увеличивать ток заряда по мере нарастания напряжения на конденсаторе (т.е. когда снижается напряжение коллектор-эмиттер). Тем не менее, поскольку нам не предъявляются требования к времени заряда, вариант заряда постоянным током ввиду простоты схемного решения является более приемлемым.

Обеспечение работы транзистора в пределах ОБР-П для статического режима является решением только половины проблемы. Также необходимо оценить пиковое значение рассеиваемой мощности и результирующее пиковое значение температуры перехода. Поскольку ток заряда непрерывно поддерживается на постоянном уровне, то напряжение коллектор-эмиттер будет линейно снижаться с 400 В до практически 0 В, т.к. напряжение на конденсаторной батареи возрастает. Следовательно, рассеиваемая мощность достигает пикового значения на уровне 64 Вт (0.16A·400В) сразу после подачи напряжения, а затем будет линейно снижаться. Изменение рассеиваемой мощности во времени имеет треугольную форму.

Моделирование теплового переходного процесса

Рис. 6. Моделирование теплового переходного процесса

На Рис. 6 показан результат моделирования теплового переходного процесса, для чего использовалась RC-схема моделирования переходного теплового сопротивления транзистора APT200GN60J, на вход которой подавался линейно снижающийся импульс рассеваемой мощности с пиковым значением 64 Вт. Пиковое значение падения температуры между переходом и корпусом составляет около 12°C . Если температура корпуса достигнет 75°C , то средняя температура перехода должна приблизиться к 75°C + 12°C = 85°C , что существенно меньше предельно-допустимого значения 125°C.

Электронная нагрузка

Линейный МОП-транзистор APL502J хорошо работает в схемах, требующих более широкую ОБР-П, как, например, схема электронной нагрузки. В данном применении для удовлетворения требований по рассеиваемой мощности, а также по максимальному падению напряжения в открытом состоянии может потребоваться параллельное включение транзисторов.

Требования

В рассматриваемом примере наша самодельная нагрузка должна иметь рабочие диапазоны до 400Вт, 400В, 20А и перепад напряжения при полном открытии с током 20А не более 1В. С помощью теплоотвода можно добиться поддержания температуры корпуса на уровне не более 75°C .

Решение

Чтобы добиться температуры перехода менее 125°C воспользуемся кривыми ОБР-П, представленные на Рис. 5 . Вначале проверим, выполняется ли требование к полностью открытому состоянию. При комнатной температуре (и токе 26А) максимальное значение R DS(on) транзистора APL502J составляет 0.090 Ом. При температуре 125°C значение R DS(on) удваивается и составляет 0.180 Ом у каждого транзистора. Общее максимально-допустимое сопротивление равно 1В/20A = 0.050 Ом. Теперь, находим, какое минимальное число транзисторов позволят выполнить требование по падению напряжения в открытом состоянии: 0.180 Ом/ 0.050 Ом = 3.6, следовательно, необходимо минимум 4 транзистора. Обратите внимание, что при использовании токоизмерительных резисторов (об этом пойдет речь далее) падение напряжения на них также нужно учитывать при определении числа транзисторов.  

Рассматривая ограничения ОБР-П можно найти минимальное значение мощности, которую можно рассеивать при наибольшем приложенном напряжении; в данном случае это 400 В. В случае APL502J с температурами корпуса и перехода, соответственно, 75°C и 125°C при напряжении 400 В максимальный ток равен 0.2А, а рассеиваемая мощность 80 Вт. Минимальное число транзисторов, которое необходимо для управления всей нагрузкой мощностью 400 Вт, составляет 400 Вт/80 Вт = 5 шт. Таким образом, все поставленные требования выполняются при параллельном включении минимум 5 транзисторов APL502J.

Может возникнуть мысль о параллельном включении транзисторов с добавлением к затвору каждого транзистора отдельного резистора (для предотвращения генерации) и контролем тока в одной точке. Но, к сожалению, реализация такой идеи несомненно привела бы к выходу из строя транзисторов.

Наконец, нам осталось ответить на последний вызов к разработке силовой схемы, работающей в линейном режиме, связанный с разбросом пороговых напряжений у однотипных транзисторов. В линейном режиме транзисторы нельзя напрямую соединять параллельно; каждый транзистор должен пропускать через себя отведенную ему долю общего тока. Добиться этого можно с помощью различных способов.

При условии, что это позволяет требование по максимальному падению напряжения в открытом состоянии, последовательно с каждым МОП-транзистором может быть включено достаточно большое сопротивление, на которые будет возложена существенная часть тепловой нагрузки (резисторы будут нагреваться). С помощью резисторов можно также добиться уравновешивания токов через МОП-транзисторы. Для этого между истоком каждого МОП-транзистора и возвратной линией цепи управления затвором должен быть предусмотрен отдельный резистор. Такое включение создает отрицательную обратную связь возле каждого затвора. Добиться идеального уравновешивания токов невозможно. Сортировка транзисторов по пороговому напряжению также не даст результата, т.к. даже незначительное различие МОП-транзисторов по пороговому напряжению приведет к существенному разбросу тока.

Идея осуществления линейного режима при параллельном включении транзисторов

Рис. 7. Идея осуществления линейного режима при параллельном включении транзисторов

Поскольку рассматриваемая схема должна обладать малым падением напряжения в открытом состоянии, то эффективным в стоимостном плане может оказаться решение с раздельной стабилизацией тока у каждого МОП-транзистора с помощью усилительной схемы (управляет напряжением затвор-исток) и датчика тока. Данную идею иллюстрирует упрощенная схема на трех параллельно работающих МОП-транзисторах ( Рис .7) . Чтобы выполнить требование по малому общему падению напряжения в схеме нужно использовать низкоомные резисторы или датчики Холла.

Для упрощения сборки, и минимизации размеров и стоимости готового решения компания Microsemi выпустила серию приборов, предназначенных главным образом для работы в линейном режиме, но и способных работать в качестве коммутаторов. Данные приборы содержат в компактном корпусе SP1 силовой транзистор (линейный МОП- или Filed Stop IGBT-транзистор), токоизмерительный резистор (обладающий малой индуктивностью) и датчик температуры.

Транзистор, токоизмерительный резистор и датчик температуры в одном корпусе SP1

Рис. 8. Транзистор, токоизмерительный резистор и датчик температуры в одном корпусе SP1

Встроенный токоизмерительный резистор установлен на том же керамическом изоляторе, что и силовой транзистор, тем самым, минимизируя индуктивность и достигая охлаждения резистора, который при максимальной нагрузке рассеивает мощность всего лишь несколько Ватт. Такое решение упрощает одновременный контроль напряжения сток-исток, тока стока и температуры корпуса. В результате обработки данной информации в численном виде могут быть получены такие кривые ОБР-П, которые позволят более полно использовать возможности прибора и максимально снизить стоимость системы.