1.Свойства и сравнительная характеристика силовых полупроводниковых ключей

Прогресс в области полупроводниковых технологий, а также нарастающая потребность в электронном преобразовании электрических мощностей определили бурное развитие компонентов силовой электроники. Сегодня здесь, наряду с традиционно применяемыми элементами, такими как диоды, триодные тиристоры - Silicon Controlled Rectifier (SCR), биполярными и полевыми транзисторами, успешно применяются относительно новые, но уже хорошо известные биполярные транзисторы с изолированным затвором -Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), запираемые тиристоры - Gate Torn-Off (GTO) и другие. Причем эксплуатационные параметры как уже известных, так и новых приборов постоянно совершенствуются. Кроме того, на их основе создаются новые полупроводниковые приборы. Во многих случаях разные типы приборов конкурируют между собой по областям применения. Специалисту, использующему эти приборы в силовых электронных преобразователях, важно быть хорошо знакомым с их достоинствами и недостатками для их эффективного использования.

Основными характеристиками электронных преобразователей электроэнергии являются его входные номинальные напряжение, частота и мощность, показатели качества выходного напряжения, коэффициент мощности, потери и коэффициент полезного действия, размеры, масса, надежность, стоимость, а также мощности необходимые для управления ими. Эти характеристики системы зависят не только от схемного или алгоритмического решения, но и в первую очередь от используемой элементной базы. В абсолютном большинстве случаев силовые полупроводниковые приборы работают в ключевом режиме. Исходя из этого, в качестве критериев для сравнительной оценки компонентов силовой электроники применяются следующие параметры:

- максимально-допустимое значение коммутируемого напряжения U_max;

- максимально-допустимое значение силы коммутируемого тока I_max ;

- падение напряжения во включенном состоянии ΔU_max;

-быстродействие (в форме максимальной частоты коммутации f_max , времени включения\выключения и др.)

В настоящее время мировыми и отечественными производителями выпускаются полупроводниковые приборы для силовой коммутации в диапазоне коммутируемых токов до тысяч ампер и напряжений до десятков киловольт. Преобладающими на современном рынке электронных компонентов для силовой электроники являются следующие типы полупроводниковых приборов:

- силовые биполярные транзисторы;

- МОП транзисторы (MOSFET);

- тиристоры разных видов;

- биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) -IGBT.

Каждый из упомянутых типов приборов отличаются по своим предельным и экономическим характеристикам. Таким образом, каждый из них имеет свою предпочтительную область применения. Области применения перечисленных приборов, как правило, перекрываются. В связи с этим для оптимального применения элементов важны знания свойств и характеристик каждого из них.

1.1. Силовые полупроводниковые диоды.

Основу силового диода, как и диодов других типов, составляет двухслойная полупроводниковая конструкция образующая p-n переход. Но, в отличие от прочих, силовой диод имеет вертикальную структуру и другие технологические особенности. Реальная структура силового диода представлена на рис.1.

Области повышенной концентрации носителей n⁺ и p⁺ катодной и анодной зон служат для уменьшения прямого сопротивления диода и обеспечения хорошего контакта с соответствующими выводами.

Увеличение площади протекания тока в вертикальной структуре диода позволяет достичь высоких токовых нагрузок, а также понизить падение напряжения во включенном состоянии.

С другой стороны для обеспечения высокого допустимого обратного напряжения базовая n-область должна быть низкоомной и обладать большим сопротивлением. Отсюда, толщина базы должна быть, возможно, больше, что входит в противоречие с требованием минимизации падения напряжения во включенном состоянии.

Большая активная площадь p-n перехода создает предпосылки для неравномерного распределения поля и лавинному пробою перехода. Лавинный пробой возникает при превышении напряженности электрического поля некоторой критической величины. Для силового диода лавинный пробой заканчивается тепловым пробоем и выходу из строя прибора.

Вероятность лавинного пробоя является вторым фактором ограничивающим максимальное допустимое обратное напряжение.

Следующим фактором, ограничивающим это напряжение, является эффект поверхностного пробоя. Такой пробой, если не принять мер, происходит гораздо раньше упомянутого выше объемного пробоя. Причиной этому являются нарушения структуры материалов или загрязнения. Они создают условия повышенной напряженности поля в отдельных точках. Одной из мер по снижению действия этого эффекта служит скошенная форма профиля боковой поверхности прибора.

Основной для силовых диодов является вольт-амперная характеристика представляющая зависимость анодного тока от приложенного напряжения анод-катод i_A=f(u_AK). Типовая статическая вольт-амперная характеристика силового диода с обозначением определяющих его выбор предельных параметров приведена на рис.2.

1.1.5. Параметры силовых диодов.

К основным параметрам силовых диодов, определяющих их выбор относятся:

- Максимально-допустимое среднее значение прямого тока I_Hом(I_F) ;

- Максимальное значение токовой перегрузки I_макс. и пикового (ударного) тока I_У с указанием максимальной продолжительности перегрузки и ударного импульса;

- Действующее значение прямого тока I(I_RMS);

- Максимальный обратный ток I_{обр.макс} (I_Rmax) ;

- Максимально допустимая величина обратного напряжения U_{обр.макс.}(U_Rmax);

- Предельная температура перехода T_jmax ;

- Максимальное падение напряжения во включенном состоянии (при максимальном прямом токе) ΔU_макс.= U_{пр.макс.}=U_Fmax.;

- Критическая скорость нарастания прямого тока di/dt и напряжения du/dt;

-Характеристики быстродействия: время включения и выключения (время восстановления перехода, как составляющая этих параметров), предельная рабочая частота.

1.1.6. Защита силовых диодов.

Основными причинами отказа силового диода являются:

- недопустимые токовые перегрузки;

- пробой перенапряжением в обратном включении;

- закритическая скорость нарастании прямого тока при включении.

Для защиты силовых диодов от перегрузок по току используются быстродействующие плавкие предохранители.

Для ограничения перенапряжений при отключении используется последовательная RC-цепочка подключенная параллельно диоду.

Опасность высоких скоростей нарастания тока состоит в том что при этом возрастает неравномерность распределения тока в структуре диода. Следствием этого возникает перегрев отдельных точек с последующим лавинным пробоем в них. Для ограничения di/dt последовательно с диодом устанавливается небольшая индуктивность.

Силовые диоды по назначению, эксплуатационным параметрам и, соответственно, по конструктивно-технологическим особенностям, разделяются на следующие типы:

- диоды общего назначения;

- лавинные диоды;

- диоды Шоттки;

- быстровосстанавливающиеся диоды.

1.1.1. Диоды общего назначения.

Эта группа диодов отличается наибольшими значениями предельного тока (до 5кА) и обратного напряжения (до 5 кВ). Массивная полупроводниковая структура этих диодов обеспечивает такие характеристики, но ухудшает их быстродействие (время обратного восстановления находится в диапазоне 25-100 мкс). Это ограничивает их использование на частотах выше 1 кГц . Диоды этого типа предназначены для работы в электроустановках промышленной частоты 50 Гц.

Прямое падение напряжения на диодах этой группы составляет 2,5-3 В.

1.1.2. Лавинные диоды.

Для работы в условиях кратковременных обратных перенапряжений используются так называемые лавинные диоды. Такой диод при перенапряжении может некоторое время работать в зоне лавинного пробоя при возросших обратных токах без теплового пробоя (рис.2).

1.1.3. Диоды Шоттки.

Диоды Шоттки отличает сравнительно низкое прямое падение напряжения и высокая скорость переключения. Достигается это за счет особенностей структуры таких диодов, где p-n переход формируется в структуре металл-полупроводник. Типовая структура диода Шоттки показана на рис.3.

Принцип действия диодов Шоттки основан на свойствах области перехода между металлом и полупроводниковым материалом. Для силовых диодов в качестве полупроводника используется обедненный слой кремния n-типа. При этом в области перехода со стороны металла имеет место отрицательный заряд, а со стороны полупроводника – положительный.

Барьер Шоттки формируется на планарной поверхности базового слоя n- типа. Величина пробивного обратного напряжения определяется толщиной этого слоя.

Защитное кольцо p-типа на периферии активной зоны диодной структуры (рис.3.) служит для уменьшения концентрации поля на границе перехода Шоттки и позволяет уменьшить эффект краевого поверхностного пробоя.

Особенностью диодов Шоттки является то, что прямой ток обусловлен движением только основных носителей – электронов. Отсутствие накопления неосновных носителей существенно уменьшает инерционность диодов Шоттки. Время восстановления составляет обычно не более 0,3 мкс,

Прямое падение напряжения примерно 0,3 В.

Значения обратных токов в этих диодах на 2-3 порядка выше, чем в диодах с p-n-переходом.

Предельное обратное напряжений обычно не более 100 В.

Диода этого типа используются в высокочастотных и импульсных цепях низкого напряжения.

1.1.4. Быстровостанавливающиеся диоды.

Конструктивно быстровосстанывливающиеся диоды аналогичны диодам общего назначения. Для достижения максимального быстродействия в них используются технологии. Например, применяется легирование кремния золотом или платиной.

Время обратного восстановления таких диодов имеет величину порядка 3-5 мкс. и меньше. Однако при этом снижаются допустимые значения прямого тока до максимума 1 кА и обратного напряжения до 3 кВ.

Такие диоды используются в импульсных и высокочастотных цепях с частотами 10 кГц и выше.