Силовая полупроводниковая элементная база. Учебное пособие

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

= U бэ ,

nт +1

где Uбэ > Uкэ нннас, Uкэ нас — напряжение коллектор-эмиттер транзистора в режиме насыщения, а для схемы, приведенной на рисун-

= U бэ .

nт

Реальные схемы ключей с различными вариантами управляющих цепей могут иметь большие значения напряжений Uw, так как в схемах, приведенных на рисунке 2.9, не учтены полупроводниковые приборы и другие элементы, включенные в участки базовых и коллекторных различных практических схем ключей. Варианты этих схем и их классификация приведены в [3].

Таким образом, схемы пропорционально-токового управления биполярными транзисторами являются аналогами тиристора, который управляется короткими входными импульсами тока. Очевидно, что применение трансформатора тока дает энергетический выигрыш, который будет проявляться в наиболее значительной степени при использовании в силовых ключах мощных транзисторов с малыми величинами коэффициента H21э.

2.4. Конструкции силовых транзисторов

41

радикально изменила конструкцию таких транзисторов. Она показана на рисунке 2.12.

Другие варианты конструкций мощных силовых транзисторов и транзисторных сборок показаны на рисунке 2.13.

Таким образом, существует большое количество конструкций корпусов силовых транзисторов. Все они имеют стандартизованную форму; для вновь разрабатываемого транзистора новый корпус не проектируется.

42

3.МОП-ТРАНЗИСТОРЫ

Основной причиной появления МОП-транзисторов, относящихся к классу полевых транзисторов, является устранение недостатков, которыми обладают биполярные транзисторы. К наиболее важным из этих недостатков можно отнести следующие.

1.Токовое управление биполярным транзистором, что влечет за собой снижение энергетической эффективности транзисторных ключей. В наибольшей степени это относится к силовым транзисторным ключам, применяемым в импульсных преобразователях электрической энергии.

2.Наличие времени рассасыванияtрасс избыточных носителей зарядов из полупроводниковой структуры биполярного транзистора. Это препятствует повышению частоты преобразования электрической энергии в импульсных преобразователях, что обусловливает ухудшение технико-экономических показателей силовых устройств и систем.

3.Относительно невысокая эксплуатационная надежность работы биполярных транзисторов в импульсном режиме работы при переключении больших токов (десятки ампер) и напряжений (сотни вольт).

4.Существенная зависимость коэффициента передачи базово-

го тока H21э биполярных транзисторов от площади кристалла полупроводника, что в случае использования мощных транзисторов вызывает существенное усложнение схем управления транзисторными ключами.

43

3. МОП-ТРАНЗИСТОРЫ

3.1.Структура и основные параметры МОП-транзисторов

Структура МОП-транзистора, которая поясняет принцип его действия, приведена на рисунке 3.1, а. Стокозатворная характеристика, определяющая усилительные свойства МОП-транзистора, — на рисунке 3.1, б.

Рисунок 3.1 — Структура МОП-транзистора (а) и его стокозатворная характеристика (б)

При подаче напряжения между электродами затвор-истокUзи между металлическим затвором и полупроводником создается электрическое поле. Его напряженность Е зависит от величины напряжения Uзи и толщины диэлектрика, в качестве которого выступает окись кремния SiO2. При достижении достаточно большой величины напряжения затвор-исток, обусловливающей соответствующее увеличение напряженности поляЕ, в полупроводнике создается проводящий канал (стрелка на рисунке 3.1, а). Дальнейшее увеличение напряжения Uзи приводит к расширению проводящего канала и уменьшению его сопротивления. Если к электродам стокисток подключено напряжение, то это обусловливает соответствующее увеличение тока стока Iс.

Аббревиатура «МОП» показывает структуру транзистора: ме- талл-окисел-полупроводник. В литературе встречается также аб-

44

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

бревиатура «МДП». Обозначения «МОП» и «МДП» идентичны, так как термин «окисел» заменяется на «диэлектрик», а окисел SiО 2 является диэлектриком.

Стокозатворная характеристика (рисунок 3.1, б) определяет усилительные свойства МОП-транзистора. Точка порогового напряжения Uзи пор определяет начало появления тока стока Iс. Дальнейшее увеличение тока Iс определяется основным показателем этого типа транзистора — крутизной его характеристики, равной отношению выходного параметра к входному:

По существу, величина S является коэффициентом усиления МОП-транзистора.

Здесь, в отличие от аналогичного по сущности параметраH21э биполярного транзистора, появляется размерность выражения.

Крутизна характеристики S является основным параметром МОП-транзистора, определяющим его усилительные свойства. Ее практические значения в зависимости от типа и условной мощности транзистора лежат в пределахS = 20–300 мА/В. Причем в отличие от биполярных транзисторов увеличение площади кристалла, то есть увеличение максимально допустимого тока стока МОПтранзистора, обусловливает увеличение S. Это положительное свойство данного типа транзисторов, что является наиболее важным фактором для импульсных устройств и систем преобразования электрической энергии.

Как видно из схемы, приведенной на рисунке 3.1,а, благодаря наличию диэлектрика входное сопротивление МОП-транзистора достигает величин 109–1012 Ом и более. Практически это означает, что мощность для управления МОП-транзисторомPупр ® 0. Это служит наиболее важным преимуществом подобного типа полупроводникового прибора перед биполярными транзисторами, которые обладают принципом токового управления.

Другое преимущество МОП-транзистора — отсутствие у них времени рассасывания избыточных зарядов: tрасс = 0. Это должно способствовать повышению быстродействия силовых ключей на МОПтранзисторах.

Если у биполярных полупроводниковых приборов существуют два вида транзисторов — n-p-n и p-n-p, то у МОП-транзисторов

45

3. МОП-ТРАНЗИСТОРЫ

имеются четыре вида, два из которых принципиально отличны от биполярных. Их условное обозначения и соответствующие им стокозатворные характеристики показаны на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 — Типы МОП-транзисторов

иих стокозатворные характеристики

Взависимости типа полупроводника они подразделяются на две группы: с p-каналом и с n-каналом. Это определяет полярности на-

пряжения Uси, прикладываемые к электродам сток-исток транзистора. Функционально они являются аналогамиn-p-n и p-n-p биполярных транзисторов.

Имеются МОП-транзисторы с индуцированным и со встроенным каналом. Транзистор с индуцированным каналом и его стокозатворная характеристика аналогичны описанному выше типу (рисунок 3.1) транзистора. Транзисторы со встроенным каналом отли-

чаются тем, что в полупроводнике при отсутствии напряжения Uзи существует проводящее состояние и он проводит начальный ток

Iси нач. При этом для запирания транзистора необходимо подать на его затвор напряжение отсечки Uзи отс.

Таким образом, у МОП-транзистора имеется принципиально новый и отличный от биполярных тип — нормально открытый (включенный) полупроводниковый прибор.

46

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

3.2.Работа МОП-транзистора в импульсном режиме

Принципиально иной принцип действия МОП-транзистора, основанный на управлении от величины напряженности электрического поля Е, возникающего между затвором и полупроводником, обусловливает необходимость уменьшения толщины диэлектрика (SiO2). Это, в свою очередь, определяет значительную величину емкостей между затвором и полупроводником. Эквивалентная схема одного из наиболее распространенных типов МОП-транзисторов представлена на рисунке 3.3. Здесь также показан эквивалентный вход транзистора с управляющим напряжениемUупр, где резистор Rупр включает в себя внутреннее сопротивление источника управляющего сигнала и сопротивление соединительной линии (проводники, печатные дорожки и др.). Так как площадь кристалла у мощных силовых МОП-транзисторов значительна, то очевидно, что описанные паразитные емкости у них будет также значительны. Практически, например, емкость Сзи у них составляет до нескольких тысяч пикофарад.

+Eп

Rс

Uси

Cсз Iс

Рисунок 3.3 — Эквивалентная схема МОП транзистора с учетом межэлектродных емкостей

Наличие паразитных межэлектродных емкостей вносит определенную негативную специфику работы силового ключа на МОПтранзисторе. Это обусловлено появлением инерционных процессов их заряда и разряда. В частности, наибольшую степень влияния на быстродействие МОП-транзистора оказывает емкостьСзи,

47

3. МОП-ТРАНЗИСТОРЫ

постоянная времени заряда которой равна: tзар = RупрCзи, а процессы ее разряда могут быть более продолжительными и зависят от практической реализации источника управляющего сигнала Uупр. Кроме того, на замедление процессов включения и выключения МОПтранзистора существенно влияет напряжение Uзи пор.

С учетом изложенного, временные диаграммы работы МОПтранзистора в импульсном режиме представляются в виде, изображенном на рисунке 3.4 [5].

48

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

С началом появления импульса входного сигнала Uупр начинается заряд конденсатора Сзи, и напряжение на входе МОП-транзистора увеличивается. Длительность его заряда до напряжения Uзи пор определяется выражением:

которое показывает, что при наличии постоянной времениtвх =

= Rупр(Cзи + Cзс) происходит задержка во времениtзд вкл появления выходного сигналаUси относительно входного Uупр. Причем

большим значениям напряжения Uзи пор соответствуют бо льшие ве-

личины tзд вкл.

На следующей стадии происходит включение транзистора и он переходит в линейный режим работы. Для нее характерно сильное влияние обратной связи, обусловленной влиянием емкости Сзс (эффект Миллера) и вызывающей увеличение длительности:

На этой стадии происходит полное включение транзистора и для уменьшения времени tвкл требуется уменьшение сопротивления Rупр, что будет способствовать более быстрому заряду емкости Сзс.

Далее происходит установление импульса напряжения на затворе МОП-транзистора, длительность которого:

Наэтойстадииизмененийвыходногосигналатранзисторанепро-

исходит: uси = Uси вкл.

На следующих стадиях происходят процессы выключения транзистора. Когда входной напряжениеUупр падает скачком до нуля, происходит разряд емкости Сзи + Сзс от начального напряжения Uупр до порогового напряжения уровня входа в линейный режим работы:

49

3. МОП-ТРАНЗИСТОРЫ

Длительность этой стадии:

Далее транзистор переходит в линейный режим работы и вновь возникает обратная связь через емкость Сзс. Время выключения:

Последней стадией работы транзистора является этап уменьшения напряжения на затворе до нуля. Обратная связь при этом не действует, поскольку транзистор заперт и напряжение сток-исток установилось. Длительность его:

В течение этапов включения и выключения напряжения на емкостях Сзи Сзс изменяются на величину Uупр и Uупр + Еп соответственно. При этом мощность потерь в управляющей цепи:

где f — частота повторения входных импульсов транзистора. Коммутационные потери мощности МОП-транзистора при ра-

Отсюда следует, что при прочих равных условиях коммутационные потери мощности прямо пропорциональны квадрату напряжения Еп и первой степени емкости Сзс.

Влияние емкости Сзи затягивает процесс переключения транзистора, а при параллельном их включении может привести к задержке отпирания при больших значениях напряжения Uзи пор и, как след-

50