1.2.4. Полевые тиристоры

Способности индукционного тиристора находиться в выключенном состоянии характеризуется коэффициентом запирания по напряжению m (аналог коэффициента блокирования для транзисторов). Он определяется как отношение блокируемого анодного напряжения к модулю отрицательного управляющего напряжения в цепи затвора, при котором тиристор заперт. Монолитная полупроводниковая структура SITh с интегрированным управляющим МДП-транзистором получила название MOS Composite SITh, т.е. комбинированная транзисторно-тиристорная структура [2,3,5]. Ее базовая ячейка представлена на рис. 1.33. Рассматриваемая конструкция представляет собой управляемый по изолированному затвору ключ, по мощности соответствующий тиристору. Сохраняются все преимущества, свойственные индукционным тиристорам. Отсутствие непосредственной связи между выходом ключа (анодом) и входом (затвор МДП-транзистора). Такое совпадение не является случайным. Оно очередной раз доказывает единство целей, к которым стремятся различные технологии, объединившие в себе полезные свойства полевых и биполярных структур. МСТ представляют новый класс силовых ключей, по мощности и плотности тока соответствующий Тиристорным аналогам и управляемый по изолированному поликремниевому затвору (рис. 1.34). Существуют приборы: р- и n-канальные, с симметричной и асимметричной блокирующей способностью, одно- или двусторонним затвором-управления, с различными способами включения, например с помощью света. Все они имеют общее свойство: выключение полупроводниковой структуры обеспечивается интегрированным МДП-транзистором, который при включении закорачивает один или оба эмиттерных перехода. МСТ — это двухоперационный ключ: его выключение также осуществляется с помощью изолированного затвора. Термины (нижняя и верхняя база, нижний и верхний эмиттер) относятся к двум биполярным транзисторным структурам n-р-n- и р-n-р-проводимости. Соединение данных транзисторов соответствует четырехслойной р-n-р-n-структуре тиристора. При подаче отрицательного напряжения во входную цепь управляющих транзисторов происходит включение р-канального транзистора. Высокий уровень инжекции обеспечивает переключение тока повышенной плотности (около 10000 А/см2). Открытое состояние структуры МСТ будет сохраняться до тех пор, пока либо не изменится направление анодного тока, либо не произойдет включение запирающего n-канального МДП-транзистора.

Рис. 1.33

Его включение обеспечивается положительным смещением во входной управляющей цепи. Чем выше это напряжение, тем большую амплитуду анодного тока может выключить управляющий транзистор, осуществляя закорачивание эмиттерного перехода верхнего р-n-р-транзистора. МСТ способен выдерживать dv/dt >10 кВ/мкс при 250 °С прерывания анодного тока амплитудой, температурный диапазон составляет 235...275°С.

Транзисторы с инжектирующим эффектом IEGT могут быть отнесены к классу полевых тиристоров.

Рис. 1.34

1.2.5. Модули силовых электронных ключей.

Для улучшения технико-экономических показателей силовых электронных устройств — преобразователей, регуляторов и других устройств — широко используется интеграция силовых ключей, соединенных, как правило, по типовым, наиболее распространенным схемам. Интегрированные отдельные приборы в одном, обычно пластмассовом, корпусе с теплоотводящим основанием называются маулем. Металлическое основание для отвода теплоты отделяется от токопроводящих элементов специальным электроизоляционным слоем. Этот слой, с одной стороны, обеспечивает необходимую электрическую изоляцию интегрированных элементов, а с другой — хорошую теплопроводность между токопроводящими элементами и металлическим основанием для отвода теплоты из модуля.

Типовые схемы соединения элементов в модулях обычно соответствуют типовым схемам преобразования параметров электрической энергии (например, однофазные и трехфазные мостовые схемы выпрямителей и инверторов, схемы двухтактных ключевых регуляторов и др.).

На рис. 1.35 изображены типовые принципиальные схемы диодных (рис. 1.35, а), тиристорных (рис. 1.35, б) и диодно-тиристорных (рис. 1.35, в) модулей. Аналогичные схемы используют и в транзисторных модулях.

а б в

Рис. 1.35

«Разумные» интегральные схемы. Силовые интегральные схемы (Smart Power Integrated Circuits) или «интеллектуальные» силовые интегральные схемы (ИСИС). По существу, ИСИС являются электронными модулями, объединяющими в одном кристалле (или корпусе) как силовые электронные компоненты, например силовые транзисторы, так и схемы их управления, защиты, диагностики состояния модуля, а также различные интерфейсы рис. 1.36. Для оценки основных характеристик современных приборов использована диаграмма, рис. 1.37, где

Рис. 1.37

1 - тиристоры;

2 - тиристоры GTO;

З - транзисторы IGBT;

4 - МСТ;

5 - биполярные транзисторы;

6 – тиристоры MOSFET.

Из диаграммы видно, что наиболее мощными полностью управляемыми ключами в настоящее время являются запираемые тиристоры GTO и GCT, которым несколько уступают по мощности, но существенно опережают по быстродействию тиристоры типа МСТ и высоковольтные IGBT.

Рис. 1.36