Глава 6 Силовые полупроводниковые приборы

К силовым полупроводниковым приборам относятся управляемые приборы, используемые в различных силовых устройствах: электроприводе, источниках питания, мощных преобразовательных установках и др. Для снижения потерь эти приборы в основном работают в ключевом режиме. Основные требования, предъявляемые к силовым приборам, сводятся к следующим:

• малые потери при коммутации;

• большая скорость переключения из одного состояния в другое;

• малое потребление по цепи управления;

• большой коммутируемый ток и высокое рабочее напряжение.

Силовая электроника непрерывно развивается и силовые приборы непрерывно совершенствуются. Разработаны и выпускаются приборы на токи до 1000 А и рабочее напряжение свыше 6кВ. Быстродействие силовых приборов таково, что они могут работать на частотах до 1 МГц. Значительно снижена мощность управления силовыми ключами.

Разработаны и выпускаются мощные биполярные и униполярные транзисторы. Специально для целей силовой электроники разработаны и выпускаются мощные четырехслойные приборы — тиристоры и симисторы. К последним достижениям силовой электроники относится разработка новых типов транзисторов: со статической индукцией (СИТ и БСИТ) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ). Новые типы транзисторов могут коммутировать токи свыше 500 А при напряжении до 2000В. В отличие от тиристоров эти приборы имеют полное управление, высокое быстродействие и малое потребление по цепи управления.

Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триодные (тиристоры). Для коммутации цепей переменного тока разработаны специальные симметричные тиристоры — симисторы

6.1. Тиристоры

Тиристоры это полупроводниковые приборы с тремя и более р-п-переходами. Они предназначены, для использования в качестве электронных ключей в схемах коммутации больших по величине токов при сравнительно невысоком быстродействие.

В зависимости от вида ВАХ и способа управления тиристоры делят на диодные и триодные.

Диодные тиристоры имеют два выводы – анод и катод. В зависимости от способа управления включения или выключения тока, они бывают: запираемые в обратном направлении (1), проводящие в обратном направлении (2) и симметричные (3). Последние представляют собой встречно- последовательное соединение тиристоров запираемых в обратном направлении. Они способны пропускать ток как в прямом, а также в обратном направлении. Они имеют два вывода, которые называются: анод 1, и анод 2.

Т риодные тиристоры называют просто – тиристорами. Они имеют три вывода. Появляется третий управляющий электрод (УЭ). Напряжение, подаваемое на него, позволяет управлять включением (выключением) тиристора. Триодные тиристоры подразделяют на: запираемые в обратном направлении с управлением по аноду (4) и по катоду (5); проводящие в обратном направлении с управлением по аноду (6) и по катоду (7); симметричные (двунаправленные).

Структура диристора, вах и принцип работы

Простейший диодный тиристор имеет четырехслойную р-п-р-п-структуру (рис.А б), изготовленную из кремния.

Область р1, на которую подают положительное напряжение от источника напряжения Еа называется – анодом, область п2 – катодом, а области п1 и р2 – базами. Между р и п областями возникают р-п-переходы П1, П2, П3. Переходы П1 и П3 называются эмиттерными, переход П2 – коллекторным т.к. он смещен в обратном направлении. Аналогом тиристора может служить схема (рис. А а) из двух биполярных транзисторов VT1 – р-п-р-типа и VT2 - п-р-п-типа.

Вольт-амперная характеристика динистора приведен на рис. Ав. На ней можно выделить четыре участка.

Участок – 1. На аноде положительное напряжение. Переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, а переход П2 – в обратном.

Все внешнее напряжение будет приложено к КП. Ток коллекторного перехода I_кп – это малый по величине ток неосновных носителей заряда. Он является суммой токов, вызванных инжекцией через эмиттерные переходы П1 и П3, и небольшого собственной обратного тока перехода П2:

I_кп=₁I_э1+ ₂I_э2 +I_ко,

где ₁ и ₂ – коэффициенты инжекции тока эмиттерных переходов П1 и П3. Очевидно, что I_кп=I_э1=I_э2= I_а т.к. это элементы одной злектрической ветви, а потому

I_а=I/ко (1-(₁+ ₂))

Пока напряжение между анодом и катодом относительно мало ₁ + ₂1, I_кп= I_к0, сопротивление прибора велико (до сотен килоом). Так как коэффициенты передачи тока эмиттерных переходов П1 и П3 (₁ и ₂) с увеличением Uак растут. Следовательно, растет и ток I_а .

Участок 2. При определенном значении напряжения Uак, называемом напряжением включения Uвкл, ₁ + ₂ =1. Ток в соответствии с (6.4) должен •стремиться к бесконечности. Начинается лавинообразное увеличение токов. Транзисторы переходят в режим полного насыщения. Сопротивление прибора при этом падает до единиц ом. Но наличие в цепи анода резистора с сопротивлением Rа- ограничивает ток на уровни Е_а/R_а..

Участок 3, соответствует ВАХ диода в отрытом состоянии. Это проводящее состояние динистора. I_аЕа /R.

Участок 4. Переходы П1 и П3 смещены в обратном направлении. Ток динистора мал. Это запертое т.е. непроводящее ток, состояние динистора. При достаточно больших обратных напряжениях, обратный ток динистора резко возрастает – это тепловой пробой. В основном за процесс включения динистора отвечает переход П3 и процессы в области р₂. Обычно выполняется условие ₂₁. Это достигается конструкцией – W_n1W_p2, где W_n1W_p2 – толщина базы n1 и p2.

Итак, условие включения динистора: Uак  Uвкл, а условие выключения динистора: I_а I_уд.

Выключить динистор можно, понизив ток в нем до значения I_выкл или поменяв полярность напряжения на аноде. Различные способы выключения динистора приведены на рис. 6.4. В первой схеме прерывается ток в цепи динистора. Во второй схеме напряжение на динисторе делается равным нулю. В третьей схеме ток динистора понижается до I_выкл включением добавочного резистора. В четвертой схеме при замыкании ключа К на анод д инистора подается напряжение противоположной полярности при помощи конденсатора С.

Тиристор. Тиристор имеет дополнительный – управляющий электрод. Если, с помощью внешнего источника напряжения или тока в цепи эмиттерного перехода П3 обеспечить протекание тока, то это вызовет увеличение ₂ и сумма ₁ + ₂ приблизится к единице при меньшем напряжении Uак, чем при отсутствии тока в цепи управляющего электрода. Следовательно, изменяя ток управляющего электрода, I_уэ можно изменять U_вкл. После открывания тиристора ток I_уэ может быть уменьшен до нуля, но прибор останется во включенном состоянии.

Итак, условие включения тиристора: Uак Uвкл, или I_уэ I_уэ.вкл.

Чтобы выключить прибор, надо прервать или значительно уменьшить на определенное время проходящий через, него ток – условие выключения тиристора I_а I_уд.

В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управлением. Расположение этих управляющих электродов и схематические обозначения тиристоров приведены на рис. 6.5. Вольт-амперная характеристика тиристора приведена на рис. 6.6. Она отличается от характеристики динистора тем, что напряжение включения регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управления снижается напряжение включения. Таким образом, тиристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения.

После включения управляющий электрод теряет управляющие свойства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Основные схемы выключения тиристора такие же, как и для динистора.

Как динисторы, так и тиристоры подвержены самопроизвольному включению при быстром изменении напряжения на аноде. Это явление получило название «эффекта dU/dt>>. Оно связано с зарядом емкости перехода С_J2 при быстром изменении напряжения на аноде тиристора (или динистора): i_с2 = С₂dU/dt. Даже при небольшом напряжении на аноде тиристор может включиться при большой скорости его изменения.

С имистор — это симметричный тиристор, который предназначен для коммутации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Структура симметричного тиристора приведена на рис. 6.8 а, а его схематическое обозначение на рис. 6.8 б. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом прово-иостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. Вольт-амперная характеристика симистора приведена на рис. 6.9.

К ак следует из вольт-амперной характеристики симистора, прибор включается в любом направлении при подаче на управляющий электрод УЭ положительного импульса управления. Требования к импульсу управления такие же, как и для тиристора. Основные характеристики симистора и система его обозначений такие же, как и для тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно параллельно включенными тиристорами с общим электродом управления. Так, например, симистор КУ208Г может коммутировать переменный ток до 10 А при напряжении до 400В. Отпирающий ток в цепи управления не превышает 0,2 А, а время включения — не более 10 мкс

Параметры тиристоров. К основным параметрам динисторов и тиристоров относятся:

• ток включения в цепи управляющего электрода I_уэ.вкл.;

• допустимый прямой ток I_пр;

• напряжение в открытом состоянии Uпр при заданном прямом токе;

• ток удержания тиристора в проводящем состоянии I_уд;

• допустимое обратное напряжение Uобр;

• допустимый прямой ток I_пр;

• времена включения tвкл и выключения tвыкл.

При включении тиристора током управления после подачи импульса тока 1_УЭ в управляющий электрод проходит некоторое время, необходимое для включения тиристора. Кривые мгновенных значений токов и| напряжений в тиристоре при его включении на резистивную нагрузку приведены на рис. 6.7.

П роцесс нарастания тока в тиристоре начинается спустя некоторое время задержки t_зад, которое зависит от амплитуды импульса тока управления 1_У. При достаточно большом токе управления время задержки снижается до долей микросекунды (от 0,1 до 1 ...2мкс).

Затем происходит нарастание тока через прибор, которое обычно называют време­нем лавинного нарастания. Это время существенно зависит от начального прямого напряжения U_про на тиристоре и прямого тока Iпр через включенный тиристор. Включение тиристора обычно осуществляется импульсом тока управления. Для надежного включения тиристора необходимо, чтобы параметры импульса тока управления: его амплитуда 1_У„ длительность t_иу, скорость нарастания dI_у/dt отвечали определенным требованиям, которые обеспечивают включение тиристора в заданных условиях. Длительность импульса тока управления должна быть такой, чтобы к моменту его окончания анодный ток тиристора был больше тока удержания I_{а уд}.

Если тиристор выключается приложением обратного напряжения Uобр, то процесс выключения можно разделить на две стадии: время восстановления обратного сопротивления t_{обр в}, и время выключения t_выкл. После окончания времени восстановления t_{обр в} ток в тиристоре достигает нулевого значения, однако он не выдерживает приложения прямого напряжения. Только спустя время t_выкл к тиристору можно повторно прикладывать прямое напряжение U_{про 0}.

Маркировка тиристоров. С начала разработок и производства тиристоров сложились две системы условных обозначений тиристоров диодных (динисторов) и тиристоров триодных.

Согласно ГОСТ 10862-72 условные обозначения импульсных тиристоров, средний ток которых не превышает 20А, содержит 4 элемента. Первый — буква или цифра, соответствующая материалу, из которого изготовлен прибор (например, Г или 1 — германий или его соединения; К или 2 — кремний или его соединения; А или 3 — соединения галлия). Второй — буква, указывающая на вид прибора (Н — тиристор диодный; У — тиристор триодный). Третий — число, указывающее назначение и качественные свойства приборов (малой мощности — от 101 до 199, средней мощности — от 201 до 299). Четвертый — буквы, указывающие на определенные сочетания основ­ных параметров (например: КУ201А — кремниевый триодный тиристор средней мощ­ности (0,ЗА<=I_ср<=10А) с сочетанием параметров А).

На силовые тиристоры на средний ток 10А и более, согласно ГОСТ 20859-79, условные обозначения содержат следующие четыре элемента: первый — тип тиристора (Т— незапираемый, ТЛ — лавинный и т. д.); второй — буква, определяющая подвид прибора (4 — высокочастотный; Б — быстродействующий; И — импульсный); третий — определяет конструкцию прибора (бескорпусная, таблеточная и т. д.); четвертый — цифры, указывающие максимально допустимый средний ток в открытом состоянии.

Тиристоры каждого типа всех видов и подвидов подразделяются на классы по значениям повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии и повторяющегося импульсного обратного напряжения в открытом состоянии. Кроме того, тиристоры подразделяются на группы по du/dt. Например: ТЛ-320-10-6 — тиристор лавинный, первой модификации, размер шестигранника «под ключ» 41 мм, конструктивное исполнение— штыревое с гибким выводом, средний ток в открытом состоянии 320А, повторяющееся напряжение 1000В (10 класс), критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии 500В/мкс.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) выполнены как сочетание входного униполярного (полевого) транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) и выходного биполярного n-р-n-транзистора (БТ). Имеется много различных способов создания таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы IGBT (Insulattd Gate Bipolar1 Transistor), в которых удачно сочетаются особенности полевых транзисторов с вертикальным каналом и дополнительного биполярного транзистора.При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором, имеющих вертикальный канал, образуется паразитный биполярный транзистор, который не находил практического применения. Схематическое изображение такого транзистора приведено на рис. 6.12 а. На этой схеме VТ — полевой транзистор с изолированным затвором, T1 — паразитный биполярный транзистор, R1 — последовательное сопротивление канала полевого транзистора, R₂ — сопротивление, шунтирующее переход база-эмиттер биполярного транзистора T1. Благодаря сопротивлению R₂ биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора УТ. Выходные вольт-амперные характеристики ПТИЗ, приведенные на рис. 6.126, характеризуются крутизной S и сопротивлением канала R1.

С труктура транзистора IGBT аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена еще одним р-n-переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис. 6.12 в) появляется еще один p-n-pтранзистор T2.

Образовавшаяся структура из двух транзисторов T1 и T2 имеет глубокую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзистора T2 влияет на ток базы транзистора Т1, а ток коллектора транзистора T1 определяет ток базы транзистора T2. Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов T1 и T имеют значения α₁ и α₂ соответственно, найдем I_к2=I_э2α₂, I_к1=I_э1α₁, и I_э= I_к1+I_к2+I_с. Из последнего уравнения можно определить ток стока полевого транзистора

Ic=Iэ[1-( α₁+α₂)]

Поскольку ток стока I_с ПТИЗ можно определить через крутизну S и напряжение U₃ на затворе I_С=SUз, определим ток IGBT транзистора

Iк=Iэ=SUз/[1-( α₁+α₂)] =S_эU_з, (6.4)

где S_э=S/[1-( α₁+α₂)] — эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изолированным затвором.

Очевидно, что при α₁+α₂~1 эквивалентная крутизна значительно превышает крутизну ПТИЗ. Регулировать значения α₁ и α₂ можно изменением сопротивлений R₁ и R₂ при изготовлении транзистора. На рис. 6.12 г приведены вольт-амперные характеристики IGBT транзистора, которые показывают значительное увеличение крутизны по сравнению с ПТИЗ. Так, например, для транзистора ВUР 402 получено значение крутизны 15 А/В.

Д ругим достоинством IGBT транзисторов является значительное снижение последовательного сопротивления и, следовательно, снижение падения напряжения на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что последовательное сопротивление канала R₂ шунтируется двумя насыщенными транзисторами T1 и T2, включенными последовательно.

Рис. 6.13. Условное схематичное изображение транзистора БТИЗ (а) и его область безопасной работы (б)

Условное схематическое изображение БТИЗ приведено на рис. 6.13. Это обозначение подчеркивает его гибридность тем, что изолированный затвор изображается как в ПТИЗ, а электроды коллектора и эмиттера изображаются как у биполярного транзистора.

Область безопасной работы БТИЗ подобна ПТИЗ, т. е. в ней отсутствует участок вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. На рис. 6.13 б приведена область надежной (безотказной) работы (ОБР) транзистора типа IGBT с максимальным рабочим напряжением 1200В при длительности импульса 10 мкс. Поскольку в основу транзисторов типа IGBT положены ПТИЗ с индуцированным каналом, то напряжение, подаваемое на затвор, должно быть больше порогового напряжения, которое имеет значение 5... 6 В.

Быстродействие БТИЗ несколько ниже быстродействия полевых транзисторов, но значительно выше быстродействия биполярных транзисторов. Исследования показали, что для большинства транзисторов типа ЮВТ времена включения и выключения не превышают 0,5... 1,0мкс.

Статический индукционный транзистор (СИТ) представляет собой полевой транзистор с управляющим управляющим р-n-переходом, который может работать как при обратном смещении затвора (режим полевого транзистора), так и при прямом смещении затвора (режим биполярного транзистора). В результате смешанного управления открытый транзистор управляется током затвора, который в этом случае работает как база биполярного транзистора, а при запирании транзистора на затвор подается обратное запирающее напряжение. В отличие от биполярного транзистора обратное напряжение, подаваемое на затвор транзистора, может достигать 30 В, что значительно ускоряет процесс рассасывания неосновных носителей, которые появляются в канале при прямом смещении затвора.

В настоящее время имеются две разновидности СИТ транзисторов. Первая разновидность транзисторов, называемых просто СИТ, представляет собой нормально открытый прибор с управляющим р-n-переходом. В таком приборе при нулевом напряжении на затворе цепь сток-исток находится в проводящем состоянии. Перевод транзистора в непроводящее состояние осуществляется при

Сравнительные характеристики СИТ и БСИТ транзисторов

Тип транзистора	Устройство	Напряжение, В	Ток стока, А	Напряжение отсечки, В	Время рассасывания, мкс
КП926	сит	400	16	-15	<5
КП955	БСИТ	450	25	0	<1,5
КП810	БСИТ	1300	7	0	<3

помощи запирающего напряжения Uзи отрицательной полярности, прикладываемого между затвором и истоком. Существенной особенностью такого СИТ транзистора является возможность значительного снижения сопротивления канала R_си в проводящем состоянии пропусканием тока затвора при его прямом смещении.

С ИТ транзистор, как и ПТИЗ, имеет большую емкость затвора, перезаряд которой требует значительных токов управления. Достоинством СИТ по сравнению с биполярными транзисторами является повышенное быстродействие. Время включения практически не зависит от режима работы и составляет 20... 25 нс при задержке не более 50нс. Время выключения зависит от соотношения токов стока и затвора.

Для снижения потерь в открытом состоянии СИТ вводят в насыщенное состояние подачей тока затвора. Поэтому на этапе выключения, так же как и в биполярном транзисторе, происходит процесс рассасывания неосновных носителей заряда, накопленных в открытом состоянии. Это приводит к задержке выключения и может лежать в пределах от 20нс до 5мкс.

Специфической особенностью СИТ транзистора, затрудняющей его применение в качестве ключа, является его нормально открытое состояние при отсутствии управляющего сигнала. Для его запирания необходимо подать на затвор отрицательное напряжение смещения, которое должно быть больше напряжения отсечки.

Этого недостатка лишены БСИТ транзисторы, в которых напряжение отсечки технологическими приемами сведено к нулю. Благодаря этому БСИТ транзисторы при отсутствии напряжения на затворе заперты, так же как и биполярные транзисторы, что и отражено в названии транзистора-биполярные СИТ транзисторы.

Поскольку СИТ и БСИТ транзисторы относятся к разряду полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом, их схематическое изображение и условные обозначения такие же. Таким образом, определить СИТ транзисторы можно только по номеру разработки, что весьма затруднительно, если нет справочника. Сравнительные характеристики некоторых типов СИТ и БСИТ транзисторов ведены в табл. 6.1.

Несмотря на высокие характеристики СИТ и БСИТ транзисторов, они уступают|ПТИЗ по быстродействию и мощности управления. Типовые вольт-амперные характеристики СИТ транзистора приведены на рис. 6.14. К достоинствам СИТ транзисторов следует отнести малое сопротивление канала в открытом состоянии, которое составляет 0,1 ...0,025Ом.