Твердотельная електроника / TTE_Lect1

Рисунок 12.4 – Еквівалентна схема польового транзистора

У даній схемі враховано, що підкладка в ПТУП з’єднується з

затвором, а в МДН – транзисторах – з витоком. Елементи rc та rв - це опори ділянки НП, які знаходяться між омічними контактами стоку,

витоку й затвора. Елемент rКсер - середній розподільний опір каналу,

через який заряджається і розряджається ємність між затвором і витоком Cзв . Елементи Rcз і Rзв - це опори ввімкнених у зворотному

напрямі керувальних p-n – переходів у ПТУП, або опори між стоком і зватвором, затвором і витоком у МДН - транзисторах. Джерело струму

та rв у ПТУП становлять десятки Ом, у МДН - транзисторів – частки Ом. Опори Rcз та Rзв великі й для ПТУП становлять сотні кілоомів, а

Частотні властивості ПТУП визначають здебільшого ділянкою затвор – витік фрагмент схеми (рисунок 12.4) з елементами Cзв , rКсер ,

Rзв ). Вхідна змінна напруги Uзв розподіляється між ємністю Cзв і

середнім опором каналу rКсер . Безпосередньою керувальною напругою,

під дією якої змінюються товщина p-n – переходу і ширина каналу, є 161

реактивний опір ємності Cзв зменшується, що приводить до

перерозподілу напруги Uзв на елементах Cзв та rКсер і до зменшення

керувальної] напруги UC зв . Отже, при збільшенні частоти вхідної

напруги підсилювальний ефект транзистора зменшується. Частоту, на якій

1

Cзв rKсер

називають граничною частотою ПТУП з (частотою затвора).

Тобто

З формули (12.12) випливає, що гранична частота ПТУП

залежить від напруги зміщення Uзв0 , оскільки від цієї напруги залежить товщина p-n – переходу, тобто Cзв і rКсер .

Крім швидкості перезаряду ємності Cзв (тобто сталої часу кола

затвора з =Cзв rКсер =1/ з ), на частотні властивості ПТУП впливає

час прольоту носіїв заряду через канал. Якщо час прольоту виявиться сумірним з періодом вхідного сигналу, то зміна струму стоку не встигає слідкувати за зміною керувальної напруги на затворі, й динамічна крутизна ПТ зменшується. Але в реальних ПТУП довжина каналу дорівнює 5-10 мкм. Тому час прольоту виявляється значно меншим

сталої часу затвора з і його можна не враховувати.

Граничну частоту МДН - транзисторів визначають за формулою

12.3 Потужні польові транзистори

Потужні польові транзистори в ключовому і підсилювальному режимах повинні забезпечувати високий ККД. У ключовому режимі треба намагатися, щоб опір транзистора у відкритому стані був

будуть мінімальними. В підсилювальному режимі великий опір каналу ПТ приводить до зменшення крутизни за рахунок перегріву, а також із причини виникнення негативного зворотного зв’язку через опір витоку

rв .

Тому головною вимогою до потужних ПТ є зниження опору каналу. З цією метою у приладі використовують велику кількість паралельно з’єднаних каналів або створюють короткий канал завдяки переходу від традиційних горизонтальних (планарних) структур до вертикальних, у яких напрям струму перпендикулярний до поверхні струму.

Необхідно пропускати великі струми і розсіювати значні потужності, що робить необхідним збільшення площі структури потужних ПТ, а це викликає збільшення паразитних ємностей і, як наслідок, зменшення швидкодії ПТ. Тому створення потужного і разом з тим швидкодіючого (високочастотного) ПТ – це важлива проблема напівпровідникової електроніки.

12.3.1 Потужні МДН - транзистори

Такі транзистори мають короткий канал, який забезпечує низький опір відкритого транзистора у ключовому режимі й високу крутизну в підсилювальному режимі (рисунок 12.5).

163

Рисунок 12.5 – Фрагмент структури багатоканального потужного МДН – транзистора

У цих приладах багатоканальність поєднується з вертикальністю структури. V - подібні затвори таких ПТ сприяють збільшенню багатоканальності приладу, оскільки кожний “обслуговує” два витоки і два канали. Основні особливості приладу рисунка 12.5 – це зменшення довжини каналу і використання високоомної стокової n- області, через яку відбувається дрейф носіїв заряду струму стоку. Просте укорочення каналу призвело б до зниження пробивної напруги між стоком затвором. Уведення додаткової дрейфової області дозволяє зберегти значення пробивної напруги транзистора.

Польові МОП ПТ і БТІЗ силові транзистори мають безперечні переваги порівняно з біполярними. Сьогодні в нових розробках біполярні транзистори практично не зустрічаються.

Як і всі потужні напівпровідникові прилади, МОП ПТ мають технічні особливості, які необхідно враховувати для одержання реальних працюючих пристроїв.

Потужні МОП ПТ мають ряд істотних переваг перед біполярними транзисторами як у лінійному режимі так й імпульсному. Переваги полягають у швидкості перемикання, відсутності вторинного пробою, широкої області безпечної роботи й високому коефіцієнті підсилення. Перераховані переваги є вирішальними для їхнього застосування в таких пристроях, як високочастотні імпульсні джерела електроживлення, перетворювачі й інвертори для керування швидкістю

164

електродвигунів постійного і змінного струмів, ультразвукові генератори, звукові підсилювачі, високочастотні генератори для індукційного нагрівання й т.д.

Більшість МОП ПТ мають внутрішній інтегральний діод зворотного ходу, ввімкнений у зворотному напрямку між стоком і джерелом. Максимальний струм зворотного діода такий самий, як у транзистора.

На відміну від біполярних транзисторів при роботі з МОП ПТ необхідно виконувати деякі запобіжні заходи. Потужні МОП ПТ, будучи МОП - приладами, можуть бути ушкоджені статичним зарядом.

Швидке перемикання МОП ПТ вимагає швидкого заряду затвора за короткий проміжок часу, але паразитні індуктивності проводів і висновків обмежують струми затвора й швидкість перемикання.

Єдиним способом зниження індуктивних складових у ланцюзі затвора є зменшення відстані між схемою керування і МОП ПТ, однак це складно здійснити на практиці внаслідок реальних розмірів компонентів і обмежень, що виникають при розробці конструкції. Паразитні індуктивні складові в ланцюзі затвора можуть призвести до появи генерації.

Останні розробки МОП ПТ із малим зарядом затвора дозволяють одержувати малі часи перемикання й форми напруг, близькі до теоретичного при порівняно простих схемах керування.

У даний час багато виробників випускають МОП ПТ на визначення граничних потужностей від десятків до сотень ватів, напруги від десятків до тисячі вольтів і на граничні струми від одиниць до сотень амперів. Загальні параметри деяких транзисторів меншої потужності наведені в табл.12.1, а більшої - у табл.12.2, де взяті такі позначення:

-Uси - постійна напруга стоку-джерела;

-Rси - опір у відкритому стані;

-Iс - безперервний струм стоку;

-Iсм - імпульсний струм стоку;

-Rt - максимальний тепловий опір;

-Р - макс. розсіююча потужність.

165

Таблиця 12.1

Випускаються також модулі МОП ПТ, які можуть розсіювати більші потужності й пропускати більші струми. Більших струмів і потужності можна домогтися паралельним увімкненням кількох транзисторів, вартість яких здебільшого в 1,3 -1,5 раза менша, однак перевагу надають модулям через спрощення конструкції й відсутність додаткових елементів. Параметри деяких модулів наведені в табл.12.3.

Водночас розробляють силові перетворювачі на МОП ПТ із напругою живлення 500 - 600 В, вихідною потужністю до 2 кВт, на робочих частотах до 500 - 800 кГц. Тривалість фронтів перемикання транзисторів 20 - 40 нс.

Таблиця 12.3

Розробки й подальший серійний випуск МОП ПТ показали, що одержати потужності перетворювачів більше 2,5 кВт при живленні від промислової силової мережі 220 В 50 Гц так і не вдалося. Крім того, існує проблема одержання високовольтних транзисторів. Але на більші потужності з використанням високовольтних біполярних транзисторів

166

особливо гостро постає питання зниження втрат потужності на керування.

12.3.2 Біполярний транзистор з ізольованим затвором У другій половині 80-х років з'явилася ідея створення

комбінованого силового біполярного транзистора з МОП - керуванням на вході, названого в закордонних публікаціях IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, тобто БТІЗ - біполярний транзистор з ізольованим затвором). Структурне ввімкнення транзисторів у такому складанні показане на рис.12.6.

Рисунок 12.6 – Структурна схема БТІЗ

У 1990-1992 рр. закордонні фірми серійно випустили транзистори

БТІЗ.

БТІЗ - транзистор являє собою р-n-р структуру, керовану від низьковольтного МОП з індукованим каналом через високовольтний польовий транзистор. На сьогоднішній день поки ще немає відомостей про транзистори БТІЗ n-р-n типу провідності.

Оскільки струм стоку низьковольтного МОП транзистора становить лише невелику частину струму навантаження (у вихідного біполярного транзистора Iн=Iз=Iб+Iк), то розміри його порівняно невеликі, і він має набагато менші відповідні ємності затвора, чим МОП ПТ. Пробивна вхідна напруга БТІЗ теоретично становить близько 80 В, але для забезпечення надійності роботи в довідкових даних практично всіх фірм виробників БТІЗ зазначене значення, що дорівнює 20 В. При роботі із транзисторами необхідно стежити, щоб напруга затвор-емітера не перевищувала ±20 В.

167

Напруга на затворі БТІЗ, при якому вхідний МОП - транзистор і вихідний біполярний починають відмикатися, становить від 3,5 до 6,0 В, і гарантована напруга, при якій транзистор повністю відкритий, тобто може пропускати максимально припустимий струм через колекторемітерний перехід, становить від 8 В до граничного значення 20 В.

Максимальний струм, який можуть комутувати сучасні БТІЗ, 7-100 А, а припустимий імпульсний струм, як правило, в 2,5-3 раза перевищує максимальний. Для більших потужностей випускають модулі, які складаються з декількох транзисторів. Граничні струми таких модулів до 1000 А. Пробивна напруга БТІЗ – 400-2500 В. Основні параметри деяких БТІЗ подані в табл.12.4, модулів - у табл.12.5, у яких взяті такі позначення:

Uкэ - напруга колектор-емітера;

Uкэн - напруга колектор-емітерного відкритого транзистора; Iк - постійний струм колектора;

Р - макс. розсіювальна потужність.

Таблиця 12.4

Напруга колектор-емітерного переходу відкритого транзистора 1,5- 4 В, залежно від типу, струму й граничної напруги БТІЗ, в однакових режимах. Для різних типів приладів напруга на переході відкритого транзистора тим вища, чим вищі пробивна напруга й швидкість перемикання.

Таблиця 12.5

Унаслідок низького коефіцієнта підсилення вихідного біполярного транзистора БТІЗ захищений від вторинного пробою, і що особливо важливо для імпульсного режиму, він має прямокутну область безпечної роботи.

168

Зі зростанням температури напруга на колектор-емітерному переході транзистора збільшується, це дає можливість умикати прилади паралельно до загального навантаження й збільшувати сумарний вихідний струм.

Так само, як МОП ПТ, БТІЗ мають ємності затвор-колектора, затвор-емітера, колектор-емітера. Величини цих ємностей, як правило, в 2-5 разів нижчі, ніж у МОП ПТ із аналогічними граничними параметрами, Це пов'язане з тим, що в БТІЗ на вході розміщений малопотужний МОП, що потребує для керування в динамічних режимах меншу потужність.

Істотною перевагою БТІЗ є те, що біполярний транзистор у структурі не насичується й, отже, не має часу розсмоктування, однак при зменшенні напруги на затворі струм через силові електроди ще проходить протягом від 80 - 200 нс до одиниць мікросекунд залежно від типу приладу. Зменшити ці тимчасові параметри неможливо, тому що база р-n-р - транзистора недоступна.

БТІЗ порівняно з МОП ПТ мають такі переваги:

-економічність керування, пов'язана з меншою ємністю затвора й відповідно динамічними втратами на керування;

-висока щільність струму в переході емітер-колектора така сама, як

іу біполярному транзисторі;

-менші втрати в режимах імпульсних струмів;

-практично прямокутна область безпечної роботи;

-можливість паралельного сполучення транзисторів з загальним навантаженням;

-динамічні характеристики останніх транзисторів наближаються до МОП ПТ.

Наприклад, залежність струму колектора БТІЗ від частоти для транзистора IRGPC5OUD2 показана на рис.12.7.

Рисунок 12.7 – Залежність струму колектора від частоти

169

. Як бачимо з рисунка, при частотах роботи транзисторів більше 10 кГц доводиться зменшувати струм колектора більш ніж удвічі.

Основним недоліком БТІЗ є великий час вимикання, що обмежує частоти перемикання до 40-100 кГц навіть у самих швидкодіючих транзисторів, крім того, зі зростанням частоти необхідно зменшувати струм колектора.

Керування МОП ПТ І БТІЗ транзисторами

МОП ПТ і БТІЗ транзистори - прилади, які керуються напругою. Фірми-виробники силових напівпровідників випускають драйвери керування, які узгоджують малопотужну схему керування з вихідними транзисторами верхнього й нижнього плечей силового інвертора. Вихідні каскади цих драйверів виконують, як правило, у вигляді двотактних підсилювачів потужності на польових транзисторах, що забезпечують імпульсний вихідний струм до 2 А. Живлення верхнього плеча інвертора виконується за схемою зарядного "насоса", показаного

на рис.12.8.

Рисунок 12.8 – Схема живлення інвертора

Схема формування, гальванічної розв'язки й підсилювач нижнього плеча драйверів живиться від низьковольтного допоміжного джерела живлення UH. При ввімкненні транзистора нижнього плеча VT2 (у першому півперіоді роботи) діод V01 відкривається й заряджає накопичувальний конденсатор C1, надалі – живильний підсилювач верхнього плеча. У кожному півперіоді при відкритому транзисторі VT2

170