Snad každý bastlíř se setkal s problémem neustálého prorážení MOSFETů nebo jiných výkonných tranzistorů. Důvodem je nejčastěji absence různých ochranných prvků. Mnoho konstruktérů též zapomíná, že neexistují ideální tranzistory (bez vnitřních kapacit, bez zpoždění, ...) a ideální trafa (bez rozptylu, mezizávitové kapacity, ...) a proto ochranné prvky vynechávají. Doporučuji též článek o typech impulzních zdrojů, kde se dozvíte o základní trojici používaných topologií.

   Popíšu zde základní problémy, na které je potřeba si při návrhu impulzního zdroje (měniče, SSTC, ...) dávat pozor. Většina pravidel platí i pro bipolární tranzistory.

    Napětí drejnu (D-S)
Maximální napětí nesmí být NIKDY (ani špičkově) překročeno, údaj v katalogu je bez rezervy. MOSFETy provozujte do 80% max. napětí D-S. MOSFET pracující do cívky nebo trafa je ohrožen napěťovými špičkami, které je nutno omezit.

    Napětí gejtu (G-S)
Maximální povolené napětí gejtu bývá 20V. U MOSFETů, které nemají zabudované zenerky, je nutné připojit zenerku 15 až 18V mezi G a S.

    Budič gejtu
Přechod G-S se chová jako kondenzátor. Ve statickém stavu neteče proud, ale pro zavření nebo otevření MOSFETu je potřeba dostatečný proud do gejtu, tedy dostatečně tvrdý budič. Zvlástě při zavírání MOSFETu je potřeba velký proud gejtem (tekoucí ven), protože se nevybíjí jen kapacita G-S ale také tzv. Millerova kapacita G-D. Ta je v případě obvodů napájených ze sítě nabita na 300 - 500V a při vzrůstu napětí na drejnu má tendenci zvyšovat napětí i na gejtu. To může způsobit částečné otevření tranzistoru ve chvíli, kdy už má být zavřený, což vede k jeho zničení !!!

    dU/dt (strmost nárůstu napětí na drejnu při zavírání MOSFETu)
dU/dt je často podceňováno, ale je značně kritické. Jedná se o rychlost nárůstu napětí na drejnu v průběhu zavírání tranzistoru. Žádný tranzistor se nezavře okamžitě, ale přechází z vodivého do nevodivého stavu postupně. Problém dU/dt je spojen hlavně s Millerovou kapacitou a špičkovou ztrátou. Příliš velké dU/dt způsobuje kvůlu Millerově kapacitě vysoký proud do gejtu (tendence pootevřít MOSFET) a také vysokou špičkovou ztrátu. Představte si MOSFET spínající 10A 320V, což je běžné u zdroje o výkonu stovek W. Pokud není dU/dt omezeno, tak ještě v okamžiku kdy, na přechodu je 320V, teče drejnem téměř plný proud 10A a špičková ztráta je 3200W (!!!). To vede k jisté destrukci. Proto je nutno paralelně k indukčnosti nebo k přechodu D-S připojovat omezovací článek RC nebo RDC. Ten zajistí, že nárůst napětí D-S od nuly do maxima je mnohem pomalejší, než přechod MOSFETu z vodivého do nevodivého stavu. Díky tomu je MOSFET zcela uzavřen už ve chvíli, kdy napětí D-S stihlo vzrůst jen na zlomek maxima.

    Proud drejnem
Proud drejnem nesmí překročit max. špičkovou hodnotu a střední hodnota proudu nesmí být příliš vysoká, aby se MOSFET nepřehřál. (celkem logické :))

    Výkonová ztráta
Výkonové ztrátě musí odpovídat chladič. Max. ztráta uváděná v katalogu je teoretická hodnota s ideálním chladičem. Skutečná ztráta při které lze MOSFET provozovat je cca 2x - 5x nižší. Chladič musí být dostatečně velký a přípdně být doplněn o větrák (nucené chlazení). Tranzistor musí být ke chladiči vhodně připevněn. Vhodné je používat teplovodivou pastu. Situace, kdy se tranzistor přehřeje, až se roztaví cín, a při tom chladič zůstane studený, je dosti častá :).

    Tvrdé spínání
Tvrdé spínání je stav, kdy tranzistor spíná přímo do kapacity (bez sériového odporu nebo indukčnosti). Energie v kondenzátoru (případně energie nutná k jeho nabití) se velmi prudce přemění na teplo v tranzistoru. Pokud kapacita není zanedbatelná, dojde k jeho destrukci. Pojmem "tvrdé spínání" se někdy označuje též stav, ve kterém se tranzistor otvírá v okamžiku, kdy je mezi D a S značné napětí. To zvyšuje jejich ztrátu.

    Rezonanční mód
Tento pojem se používá nejčastěji ve spojení s polomůstkem, ale i u zesilovače třídy E. Nejedná se však provoz na rezonanční frekvenci nějakého LC obvodu. Tímto pojmem se označuje stav, ve kterém se tranzistor otvírá v okamžiku, kdy mezi D a S není žádné napětí. To snižuje jejich namáhání a výkonovou ztrátu. Rezonančním módem se většinou myslí opak tvrdého spínání. Všechny velké polomlůstkové a můstkové měniče pracují v tomto módu. Pro polomůstek je velmi důležité, aby byl nastaven dostatečný DEADTIME (čas, po který jsou oba tranzistiry zavřené). Tento čas umožňuje, aby výstupní napětí mělo po zavření jednoho tranzistoru čas komutovat (změnit polaritu) dříve, než se sepne druhý tranzistor. Ten se potom sepne bez přítomnosti napětí a tím i beze ztrát.

Návrhové vzory pro výkonové zdroje s 1 a 2 MOSFETy:


OBR.1 - Jednočinný blokující budič


OBR.2 - Dvojčinný budič - polomůstek (hodnoty součástek jen pro ilustraci)


OBR.3 - Buzení gejtu výkonného MOSFETu pomocí výstupu integrovaného obvodu (UC3842, IR2153, ...)


OBR.4 - Jednoduchá Rekuperace (systém, který odvádí nevyužitou energii z jádra zpět do filtrační kapacity). Chrání transformátor před přesycením a tím nepřímo i MOSFET před přepětím i nadproudem. Rekuperaci je nutno použít tam, kde není zajištěna trvalá zátež v blokujícím směru (flybacku). Typická je pro jednočinné propustné měniče. Rekuperace se používá spolu s prvky na OBR.1 !!!


Základní trojice typů ochranných článků: RCD pro omezení špiček, RDC pro omezení dU/dt v jednočinném zdroji, RC pro omezení dU/dt ve dvojčinném zdroji.


A na závěr vysvětlení hodnot td, tr, ts a tf, které najdete v datasheetu.
td (= turn on delay = delay time) znamená čas od připojení proudu do báze do vzniku proudu kolektorem (přesněji 10%).
tr (= rise time) je čas, po který stoupá proud kolektoru (od 10% do 90%).
ts (= turn off delay = storage time) znamená čas od odpojení proudu do báze do okamžiku, kdy proud kolektorem začne padat (přesněji na 90%).
tf (= fall time) je čas, po který klesá proud kolektoru (od 90% do 10%).




zpět na úvodní stránku