2.4.2 Силовые ( мощные ) полупроводниковые приборы

Осознать значение силовых полупроводниковых приборов и вообще силовой электроники будет легче, если учесть, что в настоящее время именно силовую электронику некоторые эксперты считают наиболее интенсивно развивющейся и перспективной областью техники.

Выше рассмотрены тиристоры – силовые приборы, которые в свое время практически не имели конкурентов. Тиристоры широко используются и в настоящее время. Но теперь на первый план выли другие силовые приборы, которые и изучаются ниже.

2.4.2.1 Силовые (мощные ) биполярные транзисторы

Силовые транзисторы предназначены для управления большими токами ( в единицы, десятки ампер и более ) и большими напряжениями (в десятки, сотни вольт и боль­ше). Силовые транзисторы были разработаны вскоре пос­ле изобретения в 1948 г. биполярных транзисторов. Совре­менные силовые биполярные транзисторы обычно являются кремниевыми.

По принципу действия, характеристикам и параметрам мощные транзисторы, естественно, подобны маломощ­ным, однако имеют определенные особенности. Эти осо­бенности необходимо учитывать при проектировании как самих силовых устройств, так и их систем управления.

Силовые модули. В схемах силовой электроники часто используют типовые узлы (фрагменты), состоящие из не­которого количества (обычно измеряемого единицами) соединенных определенным образом мощных приборов. К примеру, часто используют узел, состоящий из транзи­стора и диода. Оказалось удобным размещать такие узлы в одном корпусе. Соответствующее устройство принято называть силовым модулем. Использование силовых моду­лей часто упрощает конструирование и улучшает многие параметры различных устройств силовой электроники.

Основная схема включения силового транзистора — схе­ма с общим эмиттером. Для этой схемы, как следует из изложенного выше, и входной (управляющий) ток (ток базы), и входное (управляющее) напряжение (напряжение между базой и эмиттером) достаточно малы. Поэтому сравнительно легко формировать необходимый управля­ющий сигнал.

Составной транзистор (схема Дарлингтона). Часто на одной полупроводниковой пластине формируют структу­ры двух транзисторов, включенных по схеме Дарлингто­на (рис. 1.146).

Эти два транзистора в совокупности называют состав­ным транзистором. В общих чертах составной транзистор подобен обычному, но, естественно, имеет и свои отличия.

Легко заметить, что дифференциальный коэффициент передачи базового тока (3 для составного транзистора оп­ределяется равенством

β≈β₁*β₂

где β₁, β₂ ~ дифференциальные коэффициенты передачи базового тока соответственно транзисторов Т₁ и Т₂.

Даже для сравнительно небольших значений коэффи­циентов β₁ и β₂ значение коэффициента β составляет ты­сячи. Таким образом, для составного транзистора управ­ляющий ток (ток базы) может быть в тысячи раз меньше тока нагрузки (тока коллектора). Это значительно упро­щает управление составным транзистором.

По существу в составном транзисторе силовым являет­ся только транзистор Т₂, так как ток его коллектора во много раз больше тока коллектора транзистора Т₁ (отно­шение этих токов определяется коэффициентом β₂).

Входное напряжение составного транзистора, обеспе­чивающее его включенное состояние (режим насыщения), больше соответствующего напряжения обычного транзи­стора, так как равно сумме входных напряжений двух транзисторов. Тем не менее оно остается достаточно ма­лым (не более нескольких вольт).

Напряжение между коллектором и эмиттером в режи­ме насыщения составного транзистора также превышает соответствующее напряжение обычного транзистора. Причина в том, что по существу в режиме насыщения ра­ботает только транзистор Т₁ а транзистор Т₂ остается в активном режиме. Напряжение между коллектором и базой транзистора Т₂ (т. е. напряжение между коллектором и эмиттером транзистора Г,) остается положительным и в режиме насыщения транзистора Ту. Однако и для со­ставного транзистора напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения невелико (обычно не бо­лее 2 В).

Силовые интегральные схемы. Рассматривая составной транзистор, легко усвоить важное понятие современной силовой электроники - понятие силовой интегральной схемы.

В ряде случаев на одной полупроводниковой пластине, кроме двух транзисторов, формируют дополнительные элементы (рис. 1.147).

Резисторы R₁ и R₂ увеличивают максимально допусти­мое напряжение между коллектором и эмиттером, умень­шают время выключения.

Диод D обеспечивает протекание тока по направлению от эмиттера к коллектору составного транзистора при за­пертых транзисторах Т₁ и Т₂. Он необходим во многих схемах силовой электроники.

Подобные устройства силовой электроники, содержа­щие в одном корпусе и силовые, и слаботочные элемен­ты, называют силовыми интегральными схемами.

Интеллектуальные силовые интегральные схемы. Сла­боточные элементы могут образовывать электронные систе­мы, не уступающие по сложности интегральным микросхе­мам. Эти системы выполняют многие функции по управлению, защите и диагностике силовых интегральных схем. Такие устройства по существу являются устройствами информативной (информационной) электроники, которые предназначены не для управления большими токами и на­пряжениями, а для преобразования и передачи электричес­ких сигналов, содержащих некоторую информацию.

Силовые интегральные схемы, оснащенные электрон­ными системами информативной электроники, называют интеллектуальными (Smart Power Integrated Circuit).

Интеллектуальные приборы. Если в одном корпусе на­ходится только один силовой прибор (транзистор), допол­ненный системой информативной электроники, то гово­рят об интеллектуальном приборе.

Интеллектуальный прибор обладает кардинальными преимуществами по сравнению с обычным. К примеру, если интеллектуальный прибор обнаруживает, что он на­чинает перегреваться, он может «принять решение» вык­лючиться и тем самым избежать выхода из строя.

Интеллектуальные силовые модули. Системы информа­тивной электроники, естественно, могут размещаться и в силовых модулях. Такие модули называют интеллектуаль­ными (Intelligent Power Modulus).

Особенности режимов работы силовых транзисторов. Си­ловые транзисторы обычно приходится использовать в тя­желых режимах, достаточно близких к предельным. В про­тивном случае стоимость силовых устройств, их вес и габаритные размеры оказываются чрезмерно большими.

Температура кремниевого кристалла, составляющего основу транзистора, может достигнуть 200°С и более. Основная доля мощности выделяется в области коллектор­ного перехода и его температура наибольшая. Максималь­но допустимая температура коллекторного перехода час­то указывается в справочниках и используется в тепловых расчетах. Часто, говоря о температуре коллекторного пе­рехода, прилагательное «коллекторный» опускают (и по­этому в справочниках фигурирует температура перехода).

В некоторых устройствах силовой электроники транзи­стор работает в активном режиме (например, в рассмат­риваемых ниже усилителях мощности). Однако в этом режиме и ток коллектора, и напряжение между коллекто­ром и эмиттером велики, и поэтому велика мощность р_к, выделяющаяся в коллекторном переходе. Это, во-первых, снижает коэффициент полезного действия устройства, и, во-вторых, создает проблемы с охлаждением транзистора!

Наиболее эффективным способом снижения мощнос­ти р_к является переход на ключевой режим работы тран­зистора (режим переключения). При этом транзистор по­давляющую долю времени или закрыт (работает в режиме отсечки, причем ток коллектора практически равен нулю), или полностью открыт (работает в режиме насыщения или в близком к нему режиме, причем напряжение между кол­лектором и эмиттером близко к нулю). В обоих случаях мощность, выделяющаяся в коллекторном переходе, мала. Только в короткие отрезки времени, соответствующие переключению, указанные ток и напряжение одновремен­но велики и мощность значительна. Но среднее значение мощности остается малым и оно тем меньше, чем более быстродействующим является транзистор и чем меньше частота его переключения.

Мощность в режиме отсечки обычно значительно меньше мощности в режиме насыщения. Поэтому при расчетах мощность в режиме отсечки часто не учитывают.

Ниже (в главе 3) ключевой режим работы рассмотрен подробнее.

Конечно, разработчик силовых устройств, ориентиру­ясь на ключевой режим работы, сталкивается со многими специфическими проблемами. Однако указанное преиму­щество режима настолько велико, что только он исполь­зуется в достаточно мощных устройствах.

Силовые транзисторы, как правило, предназначаются для работы именно в ключевом режиме. Поэтому для них важными являются следующие параметры:

• и _кэнас - напряжение между коллектором и эмитте­ром в режиме насыщения при заданном токе кол­лектора и заданном токе базы;

• параметры, определяющие быстродействие, в том числе время включения и время выключения (под­робнее рассмотрены в главе 3).

Пробой транзистора. Говоря о пробое транзистора и не делая уточнений, обычно имеют в виду пробой коллектор­ного р-п-перехода. Будем следовать этой традиции. Есте­ственно, принципиально возможен пробой и эмиттерно­го р-п-перехода. Однако для большинства случаев практического применения биполярных транзисторов проблема предотвращения пробоя эмиттерного перехода является существенно менее сложной (и поэтому ниже не рассматривается). Так как коллекторный и эмиттерный переходы сильно взаимодействуют, на процесс развития пробоя коллекторного перехода сильно влияет режим ра­боты эмиттерного (т. е. режим работы цепи база-эмиттер). Ниже этот вопрос рассмотрен подробнее. Но уже здесь необходимо уяснить, что в общем случае пробой транзи­стора — это пробой одного перехода (коллекторного), сильно взаимодействующего с другим (эмиттерным).

В настоящем пункте рассматривается «обычный» про­бой, подобный уже изученному пробою р-п-перехода ди­ода. Такой пробой называют также первичным. В бипо­лярных транзисторах может иметь место и так называемый вторичный пробой, который описывается ниже.

Явление пробоя будем рассматривать, главным обра­зом, применительно к схеме с общим эмиттером — основ­ной схеме включения силового транзистора.

При чрезмерном увеличении напряжения и_кэ между коллектором и эмиттером (подавляющая доля которого приложена к коллекторному переходу, смещенному в об­ратном направлении) транзистор входит в режим пробоя. В этом режиме ток коллектора резко возрастает, что мо­жет привести к выходу транзистора из строя.

Существуют различные механизмы пробоя. Наиболее распространенными являются лавинный и тепловой (тер­мический). Эти механизмы пробоя рассмотрены выше при изучении р-п-перехода.

Обычно вначале возникает лавинный пробой, который может перейти в тепловой.

Рассмотрим явление возникновения пробоя транзисто­ра, работающего в режиме отсечки (с малыми токами кол­лектора) при достаточно низкой температуре коллектор­ного перехода. В этих условиях обычно имеет место лавинный пробой.

Предварительно обратимся к схеме (рис. 1.148), по су­ществу являющейся схемой с общей базой (хотя в ней от­сутствует источник напряжения в цепи база—эмиттер).

В этой схеме режим отсечки обеспечивается тем, что эмиттер отключен от внешних цепей и ток эмиттера ра­вен нулю. Эмиттер транзистора такой схемы называют оборванным.

В схеме с оборванным эмиттером используется только коллекторный переход. Эмиттерный переход не влияет на его режим работы и анализ режима пробоя упрощается. Поэтому такой анализ удобно начинать именно с этой схемы.

Пробой коллекторного перехода в схеме с оборванным эмиттером совершенно аналогичен пробою р-п -перехода диода.

В соответствии с изложенным выше, в рассматривае­мой схеме, без учета эффекта Эрли, i_K = 1_К0.

Как следует из первого закона Кирхгофа, при этом i₆ = —i_K = —I_ко ,т. е. ток базы для используемого условно положительного направления является отрицательным.

Изобразим выходную характеристику для схемы с об­щей базой, соответствующую оборванному эмиттеру, в крупном масштабе (рис. 1.149).

Эта характеристика подобна обратной ветви вольт-ам­перной характеристики диода (но в соответствии с ис­пользуемыми условно положительными направлениями тока i_K и напряжения и_кб расположена не в третьем, а в первом квадранте).

Через и_{кбопрд6} обозначено напряжение пробоя. В обо­значении буква «о» указывает на оборванный эмиттер.

Вследствие того, что эмиттерный переход не влияет на режим работы коллекторного, в схеме с оборванным эмит­тером транзистор выдерживает наибольшее напряжение Е_к источника питания. В этом отношении схему можно рассматривать как недостижимый идеал для схемы с об­щим эмиттером, в которой пробой транзистора наступа­ет при меньших напряжениях Е_к.

Теперь обратимся к схеме с общим эмиттером (рис. 1.150), в которой режим отсечки обеспечивается отключе­нием базы от внешних цепей (т. е. используется оборван­ная база).

В схеме с оборванной базой взаимодействие коллектор­ного перехода с эмиттерным проявляется в полной мере. Как следует из изложенного выше, в рассматриваемой схе­ме, без учета эффекта Эрли, i_K = I_ко, причем

I_ко= ( β_ст +1 ) * I_ко >> I_ко

Полезно вспомнить, что этот результат был получен формально на основе выражения i_K = а_ст • i₃ + 1_К0, отра­жающего взаимодействие переходов и связывающего токи транзистора в схеме с общей базой. Дополнительные рассуждения о физике явления при этом не понадобились. Основным исходным был тот факт, что коэффициент а_ст близок к единице (так как почти все электроны, инжек­тированные эмиттером, достигают коллектора). Вслед­ствие этого коэффициент β_ст значительно больше едини­цы β_т= а_сг / (1 - а_ст)).

Естественно, коллекторный и эмиттерный переходы взаимодействуют и при развитии пробоя, что имеет след­ствием значительный рост тока коллектора при напряже­ниях, меньших напряжения U_K6onpo6.

Изобразим выходную характеристику транзистора для схемы с общим эмиттером с оборванной базой (i₆ = 0) (рис. 1.151). На этой же координатной плоскости условно и в соответствии со сложившейся традицией изобразим вы­ходную характеристику для схемы с оборванным эмитте­ром (i_э=0).

Кроме указанных характеристик на этом же рисунке изображены выходные характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером при других режимах работы цепи база—эмиттер. Там же указаны соответствующие на­пряжения пробоя.

Характеристика X соответствует случаю, когда режим отсечки создается с помощью напряжения Е_х, запираю­щего эмиттерный переход (рис. 1.152).

Характеристика К соответствует короткому замыканию входной цепи (база и эмиттер соединяются закороткой).

Характеристика R относится к схеме, в которой база и эмиттер соединены резистором с сопротивлением R.

Из рис. 1.151 следует, что в схеме с общим эмиттером транзистор выдерживает наибольшее напряжение при использовании запирающего напряжения во входной цепи. Соответствующее напряжение пробоя U_K3x__npo6 может быть достаточно близким к напряжению U_{кбо про6}.

Как напряжение U_K3Xnpo6, так и другие напряжения про­боя для схемы с общим эмиттером могут зависеть от вре­мени действия напряжения U_кз (для более коротких им­пульсов допустимым является большее напряжение).

Напряжение U_K30npo6, соответствующее оборванной базе, является наименьшим. Поэтому схему с оборванной базой не рекомендуется использовать на практике.

Вторичный пробой. Уже в начале практического исполь­зования транзисторов наблюдались катастрофические от­казы, которые не находили объяснения. Ситуация обо­стрилась с появлением мощных транзисторов. В 1958 г. впервые был описан эффект, ответственный за многие такие отказы, и введен термин «вторичный пробой».

Для вторичного пробоя характерно резкое уменьшение напряжения между коллектором и эмиттером при росте тока коллектора.

Часто вторичный пробой возникает при запирании транзистора в процессе перехода из режима насыщения в режим отсечки.

Интересно, что ограничение коллекторного тока с по­мощью внешних цепей при вторичном пробое часто не предотвращает выход транзистора из строя.

Явление вторичного пробоя достаточно сложное. Час­то в качестве причины пробоя указывают неравномерное распределение электрического тока под эмиттером, вызы­вающее локальное повышение напряженности электри­ческого поля. Из-за этого начинается лавинный пробой, который затем переходит в тепловой. В результате может произойти даже расплавление полупроводника.

Для вторичного пробоя характерен локальный разогрев полупроводника, т. е. разогрев малой его области. При этом образуется так называемый шнур — канал с повышен­ной температурой и проводимостью, по которому проте­кает все большая доля всего коллекторного тока.

Рассмотрим явление образования шнура (которое на­зывают также шнурованием тока) подробнее. Если по ка­ким-либо причинам плотность тока в некоторой области коллекторного перехода оказалась повышенной, то это приведет к повышению температуры этой области. В свою очередь, рост температуры увеличит проводимость и плот­ность тока и т. д. Произойдет локальный саморазогрев полупроводника.

Диаметр шнура очень мал (он может составлять едини­цы микрометров), поэтому шнур может возникнуть уже при малом токе и малой мощности, выделяющейся в кол­лекторном переходе, которой было бы явно недостаточ­но для разогрева всей полупроводниковой пластины. Инерционность теплового пробоя при шнуровании тока также может быть очень незначительной. Пробой может развиться в течение времени, меньшего микросекунды. Лавинный пробой развивается еще быстрее (в течение наносекунд).

Область безопасной работы. Выше область безопасной работы была определена без учета явления вторичного пробоя. Для силовых транзисторов такой учет необходим.

Область безопасной работы для силового транзистора принято изображать, используя логарифмический масш­таб как для оси напряжения и_кэ между коллектором и эмиттером, так и для оси тока i_K коллектора.

Легко показать, что в логарифмическом масштабе ли­ния, ограничивающая область безопасной работы по мак­симально допустимой мощности Р_кмакс, является прямой (в линейном масштабе эта линия — гипербола).

Линию, ограничивающую область безопасной работы по вторичному пробою, в логарифмическом масштабе обычно изображают также в виде прямой.

Максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером, использующееся при определении области безопасной работы, соответствует оборванной базе как наиболее опасному случаю. Обозна­чим это напряжение через U_K30MaKC.

Изобразим типичную область безопасной работы (рис. 1.153) для статического режима.

В импульсном режиме область безопасной работы рас­ширяется. При сокращении длительности импульсов тока коллектора отрезок АВ смещается вверх, а отрезки ВС и CD — вверх и вправо. Для достаточно коротких импуль­сов область безопасной работы может стать прямоуголь­ной и ограничиваться только максимально допустимым импульсным током коллектора и напряжением U_K30MaKC.

Иногда область безопасной работы дополняют подоб­ластью, определяющей допустимые токи и напряжения для такого режима входной цепи, который обеспечивает режим отсечки более надежно, чем оборванная база. К примеру, такая подобласть может соответствовать наличию резис­тора, соединяющего базу и эмиттер и имеющего сопротив­ление, не превышающее заданное значение. Изобразим область безопасной работы с такой подобластью (рис. 1.154).

Выход точки, характеризующей состояние транзистора (с абсциссой и_кэ и ординатой i_K), за область безопасной ра­боты вообще нежелателен, но особенно опасен при боль­ших напряжениях и, соответственно, малых токах (в част­ности, в области ограничения по вторичному пробою).

Часто к силовому транзистору подключают дополни­тельные цепи (снабберы — от английского Snubber), которые препятствуют выходу траектории точки за область безопасной работы при его переключениях.

Параллельное включение транзисторов. Такое включение приходится использовать при больших токах нагрузки. Для предотвращения перегрузки током одних транзисто­ров (при недостаточной загрузке других) рекомендуется в цепях эмиттеров использовать резисторы (рис. 1.155).