Гси.Ом

Tj=100-C

4.0 8.0 12.0 16.0

Ic.A

Рис. 2.66 Зависимости сопротивления СИТ в открыпюм состоянии от тот стока и температуры структуры.

Ток стока 1с задается внешней цепью и тепловая характеристика СИТ представляется в виде

Tj=(Rjc+Rcr+Rra)fP*Icrcu(25°C)J+Ta (2.4)

и строится по двум точкам (рис.2.63):

Температура структуры СИТ определяется точкой пересечения кривых, при этом в СИТ рассеивается мощность Р*1сГси(25 С).

Для расчетов необходимы значения Rcr, Rra- Отечественные СИТ монтируются в корпусе ТО-3, тепловое сопротивление Rcr этого корпуса приведено в табл. 2.9 (с использованием теплопроводящей смазки КПТ-8).

Таблица 2.9

Тепловое сопротивление Rcr с учетом изолирующей про-клддки

Пример расчета. Транзистор КП926А-. Rjc =1,5°C/Br, Гси (25°С)=0,5 Ом; 1с-4А; Та-55 С; изолирующая прокладка-слюда, тепловое сопротивление охладителя 2°С/Вт. Тогда при Р*-0, Tj-Ta-SSC; при Р*=1 получим

ту =55+(1.5М). 36+2.0)й4и0.5~84°С

Проводим прямую линию через точки Р*ЧЗ, Т(-55°С и Р*-1, Tf-84С до пересечения с графиком для нормированного тси, получим Т(-105*С; Р*-1,7 (рис.2.62).

В общем случае сопротивление Гси является функцией температуры и тока стока. Пусть форма тока трапецеидальная (рис.2.64) и ток растет от ЗА до 16А в течении длительности импульса 25 мкс, рабочая частота 20 кГц (коэффициент заполнения Кз-0,5), температура корпуса 80*С. По кривым рис.2.65 определяем переходное тепловое сопротивление

rjc =r(t)/j25MKC iiR3C=0-5uO.83=0.415°ClBm /Кз=0.5

Далее определяются действующее значение тока стока (рис.2.64):

1с=Кз ааШ/3=0.5 8+8й16+16/3=6.11 А

Задаемся температурой структуры Tj-110С и по кривым рис.2.66 определим температурный коэффициент сопротивления Гси.

TKrcuiculTp (100-25)°С

-5.2 1с=12А Тогда при Tj-110°C

rcu(nO°C)=ra/25°C)+(Tj-25°C)TKrcu~ 1.020м

Полученное значение Гси не является наихудшим; для СИТ коэффициент разброса Гси =1.4, т.е.

Гси тшпс=12 А =J-4uI.02=I.48 Ом /rf=JJO°C

Тогда мощность потерь в СИТ Р=1с ГсН 6.11) й1.48=56 Вт

и далее

Tjc =Prj(r56u0.415=23°C Tj =Tc+Tjc=80-i-23=10rc

Температура 103 С близка к назначению 110°С, которым задавались при оценке и достаточно одного приближения при расчете.

При снижении тока стока ниже значения 1с* ОБР СИТ в биполярном режиме ограничивается отрезком, имеющим больший наклон, чем отрезок температурной границы : из ОБР вычитается площадь заштрихованного треугольника (рис. 2.62). Это уменьшение ОБР определяется влиянием электротепловой связи и сводится к температурной зависимости тока стока в виде

id(TjHdTo)+TKichTj

(2.5)

Таким образом, если ток стока 1с распределяется по каналам СИТ нёравномерно.то соответствующий канал нагревается до более высокой температуры и ток стока ic через этот канал возрастает, что в свою очередь ведется к следующему увеличению температуры и т.д. Следует подчеркнуть, что чем больше значение тока стока 1с, тем меньше относительное влияние электротепловой обратной связи (Л1с 1с), соответственно влияние электротепловой обратной связи проявляется при относительно низких значениях тока 1с. Н8 начальном участке действия электротепловой ОС рост температуры локальной области структуры транзистора ограничивается на некотором уровне (режим стабильных горячих точек ), т.е. выход за границы ОБР в этой области ведет к постепенному отказу прибора. Ниже этих значений 1с выход за ОБР вызывает мгновенный катастрофический отказ транзистора: термостабильные горячие точки здесь уже не существуют, электротепловая обратная связь приобретает регенеративный (лавинообразный) характер.

Для СИТ в биполярном режиме выход рабочей точки за границы области безопасной работы всегда более опасен при относительно малых рабочих точках и соответственно больших напряжениях, чем при больших точках и малых напряжениях.

При сокращении длительности протекания тока Ти через транзистор - импульсных режимах - ОБР расширяется: максимально допустимое значение импульсного тока увеличивается до (1,5-2) 1с max, увеличивается и область, ограничиваемая максимальной температурой структуры Т max. Граница по напряжению сохраняется, так как знай !ие Ucumax от длительности импульса не зависит.

Начало действия электротепловой обратной связи количественно характеризуют коэффициентом электротепловой связи (термонестабильности) STH, который оценивает скорость увеличения мощности потерь в транзисторе с ростом температуры относительно теплоотвода через тепловое сопротивление структура-корпус транзистора;

ПАРАМЕТРЫ ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ СИТ

1-ПРЕВЬШЕНИЕ ЦОтах 2-ПРЕВЬШЕНИЕ 3-ПРЕВЬШЕНИЕ Tjmax 4-ПРЕБЬШЕНИЕ Tjcrel

Рис. 2.67 Алгоритм теплового расчета СИТ в биполярном режиме.

STH=(dP/dTj)uRjc

(2.5)

При 1с<1с коэффициент электротепловой связи Sth>1. т.е. увеличение мощности с ростом температуры компенсируется теплоотводом через тепловое сопротивление прибора; при 8тн<1 происходит нарушение термостабильности; теплообмен не поспевает за ростом выделяющейся мощности. Граничное значение тока 1с* соответствует, таким образом, уравнению Sth V.

Ucu(AIc)uRjirATj

(2.6)

Это уравнение остается справедливым как в режиме постоянного тока, так и в импульсном режиме, т.е. граничное значение тока практически не зависит от длительности импульса. В результате с уменьшением длительности импульса и расширением температурной границы ОБР сначала исчезают ограничения, связанные с тепловой нестабильностью (Sth). а затем температурные ограничения. Длительность импульса t u, при которой ограничивающим фактором становится только максимальная температура структуры (точка перехода от температурной границы к тепловой нестабильности) можно определить из уравнения

UcuIq ij< tu )+Т(г-Т/ max

откуда

ycTu )Tjrnax~Tc)IUcumaxUlcmax

(2.7)

(2.8)

и значение длительности импульса оценивается по кривой переходного теплового сопротивления Г1с(т). Аналогично можно оценить длительность импульса tu. при которой исчезает ограничение по температуре.

-Til

o-CZh

4, 1

Puc.2.68. Самозащищенные ключи наЛТс температурной защитой (а), а также с автозапуском (6).

РЕЖИМА СИТ (РАСЧЕТ i D ND)

ОБР вырождается в прямоугольник:

Tc)/Uc maxiilc max

(2.9)

Таким образом алгоритм расчета теплового режима СИТ (контроля ОБР) сводится к следующему (рис.2.б7):

1. Сравниваются мгновенные (изменяющиеся) напряжения Uc и тока 1с с значениями Ucu и 1с max (при прямом токе затвора) - блоки 1,2 на рис.2.б7.

2. При 1с<1с max и Ucn<UcH max определяется мгновенное значение температуры структуры:

Tj(t)=UcuicUrjdt)+Tc

(2.10)

где rjc(t) - переходное тепловое сопротивление определяется по кривым (рис.2.б7 блок 3).

3. Мгновенное значение тока стока 1с сравнивается с током начала действия электротепловой ОС i с статической ОБР (блок 4); если 1с>Гс, т.е.* электротепловая ОС не возникает, то мгновенное значение температуры структурны сравнивают с Tj max (блок 5).

4. При 1с<Гс рассчитывается эквивалентное мгновенное значение температуры структуры, при котором начинается электротепловая нестабильность; для этого по статической ОБР определяется соответствующее 1с значение напряжения Uch crit и находят критическое значение температуры структуры:

Tj criTtdU-Vcu crituRjc+Tc

(2.11)

где Rjc-статическое тепловое сопротивление структура-корпус (блок 6).

5. При Tj(t) Tj crit тепловой режим СИТ допустим (блок 7) и контроль продолжается.

2.5. Самозащищенные ключи на ПТ

Самозащищенный ключевой прибор BTS 412А, основной представитель ряда приборов серии SIPMOS, предназначен для различных нагрузок. Он относится к группе так называемых PROFET-приборов (защищенных полевых транзисторов). В случае короткого замыкания цепи нагрузки прибор через 40 мкс автоматически выключается. Если нагрузка увеличивается постепенно, срабатывает интегрированный внутри прибора датчик, который выключает его при увеличении температуры запирающего слоя до 150°С. Прибор имеет 5-ть выводов и управляется от пятивольтовой ТТЛ-логики. По одному из выводов поступает сигнал о К.З., который может использоваться микропроцессором.

Не всегда требуются также разумные приборы , как DTS412A - часто достаточно обеспечить защиту от перегрева, перегрузки и К.З. С этой целью разработаны более простые и дешевые приборы серии TEMPFET (температурно защищенные полевые транзисторы). Так, транзистор BTS 130 рассчитан на напря-

жение до 60 В и токи до 27 А. С увеличением ю грузки возрастают в транзисторе и его температура Если температура достигает 150*С, то температурный датчик, интегрированный в транзисторе, закорачивает управляющий электрод с истоком (рис. 2.68а) вследствие этого Rbx скачком уменьшается и транзистор выключается.

Для защиты от перенапряжений TEMPFET дополнительно снабжен варистором и диодом Зигера Д1. Последовательно включенные в цепь затвора сопротивление RI обеспечивает снижение потребляемого тока при срабатывании температурного датчика.

Так как температурный датчик имеет конечное время включения, то в случае К.З. во время переходного процесса выключения транзистора, последний может быть поврежден. Поэтому ток К.З. необходимо ограничивать. В качестве ограничителя используется диод Д2, рассчитанный на максимальную мощность К.З. 600 (1200) Вт и максимальный ток 100 А.

Если транзистор включился из-за возникновения К.З., то он остается в выключенном состоянии и после его устранения, так как температурный датчик имеет тиристорную характеристику и продолжает проводить ток. Для повторного включения транзистора необходимо кратковременно снять входной сигнал с управляющего электрода.

В некоторых случаях желательно автоматическое включение транзистора (повторное) после устранения К.З., что осуществляется схемными методами за счет введения небольшого числа дополнительных элементов (рис. 2.686).

Паразитные емкости транзистора(Сзс, Сзи) образуют емкостной делитель напряжения. Поэтому на управляющем электроде возникает напряжение в несколько вольт. Введение добавочного конденсатора С1 (рис.2.68б) фиксирует потенциал управляющего электрода. Сопротивление R2 - 330 кОм снижает ток датчика S ниже уровня удержания. За счет цепочки R2, С1 после выключения транзистора при перегрузке через некоторое время, обусловленное процессом за рядки С1, ток датчика становится меньше тока удержания и датчик взводится в состояние нуль , то есть повторно включается.

Параметры цепочки R2CI определяют частоту повторных включений транзистора независимо от тока удержания температурного датчика и температурь корпуса транзистора. Кроме того, при повторном К.З. ток включения ограничивается.

Имеющийся ряд транзисторов TEMPFET включает в себя пять типов приборов, параметры которых при ведены в таблице 2.10.

Таблица 2.10

* - управление от ТТЛ - -н5 В