Силовая полупроводниковая элементная база. Учебное пособие

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

ствие, к коммутационным перегрузкам транзисторов с меньшими

величинами Uзи пор.

Анализ процессов переключения МОП-транзистора определяет следующие закономерности.

Крутизна фронта и спада напряжения Uси не зависит от напряжения Еп, интервалы времени tвкл и tвыкл пропорциональны величине напряжения (Еп – Uси вкл). Принципиально имеются интервалы времени задержки tзд вкл и tзд выкл, которые пропорциональны постоянной времени Rупр(Сзи + Сзс). Доминирующее влияние на времена tвкл и tвыкл оказывает емкость Сзс, существенно меньшее влияние — емкости Сзи и Сси. При этом tвкл и tвыкл пропорциональны постоян-

ной времени RупрСзс.

Особенностью МОП-транзисторов по отношению к биполярным является возможность их параллельного включения при работе на мощную нагрузку. Это обусловливается следующим. Величина и знак температурного коэффициента тока определяются двумя конкурирующими факторами: положительным температурным коэффициентом сопротивления сток-исток открытого транзистора и отрицательным коэффициентом порогового напряжения Uзи пор. Анализ показывает, что распределение токов в параллельно включенных транзисторах определяется в основном разбросом крутизны характеристики S. Так как для получения минимального значения Uси вкл на открытом транзисторе стремятся выбрать большие уровни управляющего сигнала Uупр, то разброс пороговых напряжений не оказывает заметного влияния на распределение токов [4]. При высоких частотах переключения параллельное включение МОП-транзисторов имеет определенную специфику, которая заключается в необходимости временного выравнивания управляющих импульсов.

Внастоящее время существующая номенклатура МОП-тран- зисторов имеет широкий диапазон: десятки и сотни ампер тока стока и сотни вольт напряжения сток-исток при достаточно малых падениях напряжения во включенном состоянии транзистора.

Вобобщенном виде функциональная схема управления транзисторным ключом с МОП-транзистором приведена рисунке 3.5.

Как показано выше, основными параметрами, определяющими быстродействие ключа на МОП-транзисторе, являются его паразит-

ные межэлектродные емкости Сзи и Сзс. Поэтому при выборе схемы ключа необходимо применять меры по ускорению процессов их заряда и разряда. На показанной схеме это реализуется ключамиS1

51

3. МОП-ТРАНЗИСТОРЫ

и S2. Очевидно, что для ускорения процессов переключения необ-

ходимо выполнение условий Rвкл ® min и Rвыкл ® min. Эта функциональная схема служит основой для реализации самых разно-

образных ключей на МОП-транзисторах. При этом необходимо учитывать, что у существующих МОП-транзисторов диапазон величин порогового напряжения составляет Uзи пор = 7–15 В.

+Eп

Rс

Uупр

Rвыкл Iразр

S2

Рисунок 3.5 — Функциональная схема управления МОП-транзистором

Чрезвычайно большое входное сопротивление МОП-транзистора позволяет реализовать принципиально иные ключи и схемы их управления (в отличие от биполярных транзисторов). Некоторые из них, позволяющие определить новые возможности схем управления, приведены на рисунке 3.6, а, б, в.

В первой схеме (рисунок 3.6, а) показано, что в качестве управляющего драйвера может использоваться стандартный логический инвертор DD. Для обеспечения работоспособности схемы необходи-

мо выполнение условияU вых1 >U зи пор, где U вых1 — напряжение единичного уровня выходного напряжения инвертора. Очевидно, что

если напряжение нулевого уровня выходного напряжения инвертора U вых0 будет достаточно малым, то соответственно будет быстрым и разряд межэлектродной емкости транзистора Сзи.

Иллюстрация использования операционного усилителя DA в качестве драйвера приведена на рисунке 3.6, б. Здесь, как и в предыдущей схеме, необходимо согласование выходного напряжения DA с пороговым напряжением затвор-исток транзистора VT.

52

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

а) б) в)

Рисунок 3.6 — Виды ключей на МОП-транзисторах

ОптоэлектронноеуправлениеМОП-транзисторомпоказанонари- сунке 3.6, в. Такую функциональную возможность требуется иметь в силовых устройствах с гальванической развязкой управляющих цепей от силовых. Обычно для этого используются индуктивные трансформаторы. Однако массогабаритные характеристики и стоимость подобных устройств управления неудовлетворительны по отношению к описанной микроэлектронной схемы управления. Суммарная величина фото-ЭДС всех N последовательно включенных фотодиодов должна превышать напряжение Uзи пор МОП-транзистора. Выключающий транзистор VTвыкл включается в интервалах времени отсутствия фото-ЭДС фотодиодов, шунтируя вход МОП транзистора ускоряя тем самым разряд емкости Сзи.

Существует значительное количество практических схем управления МОП-транзисторами, возможностей применения которых довольно для использования в самых разнообразных импульсных преобразователях электрической энергии. Их классификация и различные виды схем приведены в [3].

3.3.Применение МОП-транзисторов в выпрямителях

Малая величина падения напряжения на открытом МОПтранзисторе и меньшее энергопотребление по управляющему входу послужили причиной их использования в выпрямителях. Подобные выпрямители получили название синхронных, так как управление включением и выключением МОП-транзистора осуществляется синхронно с полупериодами выпрямляемого напряжения.

53

3. МОП-ТРАНЗИСТОРЫ

Одна их схем синхронного выпрямителя, предназначенного, например, для выпрямления переменного напряжения, приведена на рисунке 3.7.

VT1

VT1

Рисунок 3.7 — Схемы синхронных выпрямителей переменного напряжения

Синхронные выпрямители применяются не только в стандартных схемах выпрямителей, но и в схемах импульсных преобразователей и импульсных стабилизаторов постоянного напряжения. На рисунке 3.8 приведена схема однотактного импульсного преобразователя постоянного напряжения с обратным включением диода, где МОП-транзистор функционирует в синхронном режиме работы.

Рисунок 3.8 — Однотактный преобразователь

собратным включением диода

сприменением синхронного выпрямителя

Здесь после выключения транзистораVT1 включается транзистор VT2, управление которым осуществляется от дополнительной обмотки силового трансформатора. При этом индуктивность намагничивания трансформаторы разряжается на выходной фильтрующий конденсатор С и на нагрузку Uн.

54

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

Другой вид импульсного преобразователя — однотактный преобразователь с прямым включением диода — показан на рисунке 3.9.

VT1

Рисунок 3.9 — Однотактный преобразователь

спрямым включением диода

сприменением синхронного выпрямителя

Вэтой схеме при открытом состоянии транзистора VT1 включается транзистор VT2, чем обеспечивается подзаряд выходного филь-

трующего конденсатора С и питание нагрузки Uн. После запирания транзистора VT1 транзистор VT2 выключается, а индуктивность L

разряжается через включенный транзистора VT3 в нагрузку Uн. Определим преимущества замены традиционных силовых дио-

дов на МОП-транзисторы в схемах выпрямителей.

На рисунке 3.10 приведены типичные графики величины паде-

ния напряжения сток-исток Uси во включенном состоянии для некоторых типов МОП-транзисторов в зависимости от значения тока сток-исток Iс.

Рисунок 3.10 — Зависимость падения напряжения Uси на включенном МОП-транзисторе

при изменении тока стока Iс

55

3. МОП-ТРАНЗИСТОРЫ

Они показывают, что напряжение Uси линейно зависит от тока Iс. Это является радикальным отличием МОП-транзистора в отличие от традиционного диода, у которого ВАХ существенно нелинейна и лежит в пределах 0,6–1,9 В. То есть функционально МОПтранзистор является регулируемым активным резистором, падение напряжения на котором изменяется линейно.

Как показывает график (рисунок 3.19), напряжениеUси в рассматриваемом диапазоне токов Iс имеет значение существенно меньшее, чем прямое падение напряжения на традиционном диоде. Современные МОП-транзисторы на максимальные токи стока 10–20 А имеют достаточно малое сопротивление сток-исток, лежащее в пределах 0,05–0,2 Ом. Очевидно, что такой показатель МОПтранзистора значительно превосходит характеристики не только диода с p-n переходом, но и диода Шоттки

Управление МОП-транзистором осуществляется достаточно просто — подачей напряжения на электроды затвор-исток, а мощность управления может быть сделана пренебрежимо малой.

Эти очевидные факторы послужили причиной применения МОП-транзисторов в качестве синхронных выпрямителей. Определенным недостатком подобного применения МОП-транзисторов является усложнение схемы выпрямителя, что видно из приведенных выше схем.

Следует отметить, что в качестве синхронных выпрямителей могут быть использованы и биполярные транзисторы. Однако подобные синхронные выпрямители практически не применяются. Это обусловлено в основном двумя обстоятельствами. Первое из них заключается в том, что мощные биполярные транзисторы обладают, как показано в разделе 2, малыми величинами коэффициента H21Э. Это приводит к снижению энергетической эффективности подобного выпрямителя за счет необходимости использования значительных токов базы, соизмеримых с токами коллектора. Кроме того, современные биполярные транзисторы обладают небольшими значениями максимально допустимого обратного напряжения перехода база-эмиттер. Это обусловливает необходимость использования защитных диодов, включаемых параллельно переходу база-эмиттер полярностью обратной проводимости, введение которых в еще большей степени снижает энергетическую эффективность выпрямителя на биполярных транзисторах.

Поэтому подобные синхронные выпрямители нашли небольшое применение для малых токов коллектора при использовании

56

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

сплавных биполярных транзисторов, которые в настоящее время практически не выпускаются как отечественной, так и зарубежной промышленностью. Основным отличием сплавных транзисторов от современных дрейфовых являются существенно большие значения максимально допустимого обратного напряжения перехода база-эмиттер.

Конструкции корпусов МОП-транзисторов аналогичны корпусам биполярных транзисторов, так как методика их эксплуатации, в частности, обеспечение надлежащих тепловых режимов идентичны. Например, один и тот же стандартный типоразмер корпуса используется для обоих видов транзисторов. Поэтому конструктивные данные, приведенные в разделе 2, полностью распространяются и на МОП-транзисторы.

57

4.СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ТРАНЗИСТОРОВ

За последние десятилетия в силовой полупроводниковой технике появилось большое число новых транзисторов. Это обусловлено необходимостью улучшения технико-экономических показателей силовых преобразователей электрической энергии и расширением областей их применения в промышленности, транспорте и связи. Наиболее значительную роль в этом процессе сыграло появление и существенное усложнение принципиально новых ITустройств и систем.

4.1.IGBT

IGBT (Isolated-Gate Bipolar Transistor) по структуре являются болеесложнымиполупроводниковымиприборамиивключаютвсебя как биполярный, так и МОП-транзистор. Поэтому они называются биполярными транзисторами с изолированным затвором (БТИЗ), и их входное сопротивление, как и у МОП-транзистора, велико.

Условное обозначения IGBT и его внутренняя структура приведены на рисунке 4.1, а, б.

Рисунок 4.1 — Условное обозначение (а) и внутренняя структура (б) IGBT

58

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

По аналогии с биполярными транзисторами существуют IGBT с полупроводниковыми приборами другого типа проводимости. Для них в условных обозначениях меняются полярности напряжений коллектор-эмиттер Uкэ и затвор-эмиттерUзэ, а также направления тока коллектора Iк. В соответствии с этим, IGBT (рисунок 4.1), по существу, является аналогом биполярного транзистора с проводимостью типа n-p-n, а IGBT с обратной полярностью напряжения

итока — p-n-p [5].

Внастоящее время отечественной и зарубежной промышленностью выпускаются IGBT и силовые модули (в том числе интеллектуальные) на токи коллектора в сотни ампер и напряжения в несколько киловольт, что позволяет реализовать силовые преобразователи на выходные мощности в десятки-сотни киловатт и более. Существует обобщенная характеристика областей применения различных силовых полупроводниковых приборов для современных мощных устройствах и системах преобразования электрической энергии (рисунок 4.2).

Полная эквивалентная схема IGBT с указанием паразитных параметров приведена на рисунке 4.3 [6]. Кроме внутреннего сопротивления, эта схема, в отличие от упрощенной (рисунок 4.1, б) содержит паразитный n-p-n транзистор VT3 и паразитные межэлек-

тродные емкости Скз, Скэ и Сзэ.

Запирание паразитного транзистора VT3 происходит в момент проводящего состояния IGBT, когда достигается критическая

59

4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ТРАНЗИСТОРОВ

плотность тока, которая уменьшается с ростом температуры кристалла, а также в выключенном состоянии при динамическом запирании транзистора из-за увеличения дырочного тока по сравнению с открытым состоянием.

Основное сопротивление база-эмиттер p-n-p транзистораVT2 уменьшается посредством использования соответствующих технологических процессов при изготовлении полупроводниковых слоев кристалла IGBT.

з

Сзэ Rб

э

Рисунок 4.3 — Эквивалентная схема IGBT

Существуют два основных типа подобных транзисторов: PTIGBT и NPT-IGBT, которые отличаются временными и статическими параметрами. В частности, NPT-IGBT обладают высокой эффективностью, что послужило их большей применимости в силовых устройствах.

В настоящее время существуют силовые IGBT-модули на напряжения коллектор-эмиттер 6,5 кВ, 4,5 кВ и 2,2 кВ, например, интеллектуальные модули 3,3 кВ/2,4 кА. Некоторые из подобных устройств нашли широкое применение на железнодорожном транспорте.

60