Полевые транзисторы с датчиком тока

Полевые транзисторы с датчиком тока

Разработчики импульсных источников питания всегда сталкиваются с проблемой защиты своих устройств от токов короткого замыкания.

Обычно проблема эта решается следующим образом: в цепь истока включается небольшое сопротивление, напряжение с которого подается на компаратор, отключающий схему регулирования тока и запирающий силовые транзисторы.

К сожалению, такой путь не слишком удачен, поскольку на резистивном датчике тока теряется мощность, да и силовые цепи в этом случае становятся более протяженными.

Производители полевых транзисторов придумали следующий способ решения этой проблемы: они вывели из полевого транзистора еще один вывод -- так называемый вывод датчика тока. Это удалось сделать потому, что полевой транзистор технологически состоит из множества ячеек, работающих параллельно. Когда транзистор открыт, ток протекает от стока к истоку, равномерно распределяясь между ячейками.

Следовательно, ток стока может быть точно измерен по току, протекающему через небольшое количество ячеек, и умножен на коэффициент, который приводится в технических условиях.

Практически полевой транзистор со считыванием тока, как видно из рис. 1, состоит из двух параллельных полевых транзисторов, называемых «силовым» и «считывающим».

Главным параметром такого транзистора является отношение тока, протекающего через вывод истока, и тока, протекающего через вывод датчика:

Рис. 1. Условное обозначение MOSFET с датчиком тока.

Конечно, это отношение будет слегка отличаться от истины, поскольку ток стока является суммой силового и измерительного токов. Но это не принципиально -- считывающий транзистор введен не для точного измерения тока, а для фиксирования состояния перегрузки транзистора.

Потери переключения полевого транзистора в значительной степени зависят от того, на какую нагрузку работает транзистор.

В случае активной нагрузки ток в силовой цепи транзистора ограничен сопротивлением этой нагрузки.

Индуктивная нагрузка при условии малости ее последовательного активного сопротивления (сопротивления провода обмотки) может наращивать ток силовой цепи неограниченно, пока он не превысит максимально возможного для транзистора значения. Поэтому должны учитывать это обстоятельство при расчете потерь проводимости и переключения.

Рис.2. Активная нагрузка

Рис. 3 Характер коммутационных транзистора процессов при работе транзистора на активную нагрузку

Самый простой случай -- работа полевого транзистора на активную нагрузку. Схема такой нагрузки изображена на рис.2, а характер коммутационных процессов -- на рис. 3. Время включения приблизительно равно времени выключения.

Процесс коммутации транзистора носит сложный характер (линия «1» на рис.4). Для расчетов приближенно будем считать, что процесс коммутации транзистора происходит по линии «2» (рис.4).

Рис. 4 - К расчету потерь переключения при работе на активную нагрузку

Потери переключения определяются как произведение энергии переключения на рабочую частоту переключения:

Р_пер = Е_перf

Энергия переключения (с учетом того, что она выделяется как при открытии, так и при закрытии транзистора):

Итак:

Мощность, выделяющаяся при коммутации активной нагрузки:

Случай активной нагрузки используется практически крайне редко. Однако, он интересен как таков позволяющий сделать некоторые допущения, которые мы используем в расчетах схем с индуктивными и трансформаторными нагрузками.

Теперь вычислим потери в однотактных схемах с индуктивным элементом и фиксирующим диодом. Схема изображена на рис.5, а характер коммутационных процессов -- на рис. 6.

Рис. 5 - Индуктивная нагрузка Рис. 6. К расчету потерь транзистора MOSFET переключения при работе на индуктивную нагрузку с фиксирующим диодом

При открытии транзистора VT происходит заряд дросселя L по закону:

Конечное время открытия транзистора и определяет потери на нем.

Когда ток i_c достигает значения i_max, транзистор начинает закрываться. Достаточно резко меняется сопротивление зарядной цепи, что ведет к возникновению на индуктивности L ЭДС самоиндукции, -- индуктивность стремится сохранить величину тока.

Если бы в схеме отсутствовал фиксирующий диод VD, на стоке транзистора образовался бы выброс напряжения (поддержать в цепи тот же ток возможно только увеличением напряжения). Это свойство индуктивного элемента используется в импульсных бустерных схемах преобразователей.

Итак, ток самоиндукции дросселя L замыкается через диод VD, открывает его. Как известно, открытый диод можно условно заменить источником напряжения величиной 1-2 В, как показано на рис. 7. Напряжение на стоке транзистора не может подняться более, чем величина прямого падения напряжения на фиксирующем диоде.

Сопротивление открытого диода мало, но транзистор еще полностью не закрылся. Поэтому ток 1, стремится увеличиться. Диод закрывается, ток подзаряжает индуктивность. Происходит это на очень коротком отрезке времени, после чего, поскольку сопротивление транзистора нарастает, диод опять закрывается.

Своеобразная обратная связь не дает току резко вырасти, но и падение тока происходит с небольшим «дрожанием», что отражено на рис. 8. В этом случае обязаны разделить общие потери на потери при включении и потери при выключении.

Энергия потерь включения транзистора:

Рис. 7. Схема, поясняющая работу Рис. 8. «Дрожание» тока стока фиксирующего диода при закрытии транзистора

Энергия потерь выключения транзистора:

Суммарная энергия:

В выражении, стоящем в скобках, можно пренебречь временем включения, поскольку в сравнении с временем открытого состояния транзистора оно мало.

Итак, для однотактной схемы с индуктивной нагрузкой:

Двухтактные схемы источников питания широко используются в тех случаях, когда нужно получить высокие значения токов нагрузки. Поэтому важно не ошибиться с потерями в этих схемах.

Взглянув на рис.9, мы еще раз вспомним о паразитном диоде в составе полевого транзистора. Этот диод не отличается быстродействием, имеет сравнительно большое время обратного восстановления.

Рис. 9 - Коммутационные процессы в полумостовой схеме

Параметры паразитного диода в обязательном порядке приводятся в технических условиях на транзисторы.

В двухтактной схеме, как и в однотактной, необходимо рассматривать влияние индуктивности L на остальные элементы. Следует помнить, что на самом деле индуктивность L представляет собой индуктивность намагничивания первичной обмотки трансформатора. Первоначально ключ VT1 замкнут, происходит передача энергии в первичную цепь трансформатора.

Индуктивность намагничивания трансформатора накапливает энергию, которая, конечно, не очень заметна на фоне тока первичной цепи (естественно, во вторичной цепи трансформатора присутствует нагрузка).

Далее ключ VT1 размыкается, но ток в индуктивности намагничивания, стремясь сохранить свою величину, замыкается через паразитный диод VD2. Если бы индуктивность намагничения была слишком большой, ток i_д = i^*_L, поддерживался бы в течение длительного времени на постоянном уровне. Однако диод VD2 коммутирует один из выводов первичной обмотки трансформатора к земле.

Другой конец по-прежнему присоединен к средней точке полумостового конденсаторного эквивалента двуполярного источника. Это напряжение рождает противоток во вторичной обмотке трансформатора, который, как бы возвращаясь в первичную обмотку, быстро «спускает» значение тока i^*_L к нулю, стремясь продолжить его увеличение в сторону отрицательных значений.

Все так и продолжалось бы, если бы ключ VT2 в этот момент замкнулся. Однако обратный ток течет только благодаря тому, что диод VD2 затрачивает некоторое время на свое обратное восстановление, характер которого показан на рис.10.

Спустя время после обратного восстановления диод закроется и ток в цепи трансформатора прекратится. Замыкание ключа VT2 повторяет процесс, но уже в другой части полумоста.

Общая мощность, которая рассеивается в транзисторе на стадии его переключения в полумосте:

где i_L -- номинальный ток нагрузки, пересчитанный в первичную цепь трансформатора;

Q_rr -- заряд обратного восстановления паразитного диода (приводится в технических условиях на транзистор).

Рис.10 - Влияние конечного времени обратного восстановления оппозитных диодов

Член, стоящий в скобках первым, взят нами из расчета работы транзистора на нагрузку с небольшой индуктивностью намагничения, поскольку трансформатор не является устройством, которое накапливает энергию. Он лишь передает ее в нагрузку.

В случае мостовой схемы:

Схематическое изображение мостовой схемы приведено на рис.11. Мощность потерь переключения, приходящаяся на один транзистор, в этом случае удваивается (если считать, что трансформатор имеет один и тот же коэффициент трансформации). Однако можно сделать следующее интересное замечание: поскольку «раскачка» напряжения в мосте в два раза больше, чем в полумосте, общая мощность при сохранении тока вырастает в 4 раза. При этом мощность потерь, приходящаяся на один транзистор, растет только в 2 раза, что позволяет применять мостовую схему для построения очень мощных источников электропитания.

Рис.11 - Мостовая схема импульсного источника

В импульсных источниках электропитания первоочередными являются меры по защите силовых транзисторов от теплового пробоя. Полевые транзисторы не имеют вторичного пробоя, поэтому в расчетах вполне можно руководствоваться значениями максимальной температуры и максимальной рассеиваемой мощности. Поэтому в конечном итоге расчет будет посвящен расчету мощности потерь в транзисторе.

Полная мощность, выделяющаяся в транзисторе во время его переключения, определяется из выражения:

где Р -- полная рассеиваемая мощность;

Р_пep -- потери мощности при переключении;

Р_пр -- потери на активном сопротивлении открытого транзистора;

P_упр -- потери на управление в цепи затвора;

P_ут -- потери мощности за счет тока утечки в закрытом состоянии.

Сразу отметим, что потери мощности, вызванные током утечки (P_ут), пренебрежимо малы, поэтому их вообще нет смысла учитывать. Кроме того, одно из главных преимуществ полевого транзистора -- это исчезающе малые потери в цепи его управления (P_упр). Потери на управление также исключим из наших расчетов. Итак, формула для расчета полных потерь приобретает следующий вид:

Рассмотрим подробно слагаемые, стоящие в правой части. Потери проводимости являются основной составляющей потерь в полевом транзисторе, их можно вычислить, зная эффективное (действующее) значение тока стока:

,

где RDs(on) -- сопротивление транзистора в открытом состоянии.

Чтобы правильно воспользоваться данной формулой, необходимо уметь определять эффективное значение тока стока для наиболее характерных его форм.

Запишем формулу для его определения. Более того, воспользовавшись этой формулой, вычислим эффективные значения тока для типичных в импульсной технике случаев:

Допустимый ток через открытый транзистор снижается с повышением температуры. Форма тока через транзистор в значительной степени определяется характером нагрузки.

Гораздо сложнее обстоит дело с потерями переключения.

Если нагрузка полевого транзистора чисто активная, то потерями на переключение можно пренебречь. Индуктивная нагрузка характеризуется тем, что фаза тока и фаза напряжения не совпадают.

Кроме того, в полевых транзисторах, работающих в двухтактных схемах, возникают специфические потери обратного восстановления паразитных диодов.

Поскольку полевые транзисторы имеют сходный типономинал, то их можно соединять параллельно без выравнивающих резисторов в цепи.

Основными рекомендациями относительно правильного выполнения параллельного соединения полевых транзисторов:

1) Схема управления затворами должна быть источником напряжения, то есть иметь малое внутреннее сопротивление.

2) В цепь затвора каждого транзистора нужно включить резистор Rg, величина которого выбирается с помощью документации на транзистор.

3) Резистор Rg необходимо разместить как можно ближе к управляющему выводу транзистора во избежание выбросов на паразитных индуктивнрстях в цепи затвора.

4) Важность близкого расположения элементов силовой части возрастает с увеличением рабочего тока и рабочей частоты. Длинные связи между элементами могут привести к чрезмерным перенапряжениям и низкой нагрузочной способности. Размещение элементов схемы должно быть компактным и по возможности симметричным.

5) Для обеспечения равномерного прогрева транзисторов необходимо устанавливать их на общий радиатор.

6) Необходимо снизить рабочий ток, протекающий через параллельно соединенные транзисторы, относительно каждого прибора на 10--15% по сравнению с одиночным транзистором.

Список литературы

1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 2005.- 512с.

2. Хоровиц П., Хилл У. Азбука схемотехники. -М.:Мир, 2001.-598с.

3. Тули М. Справочное пособие по цифровой электронике: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1999.- 176с.

4. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM-PC.- М.: Солон, 2006.- 512с.

5. Костиков В.Г. Источники питания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов.-2-е изд.--М.: Горячая линия - Телеком, 2008.- 344с.: ил.