1.3.Силові транзистори
На даний час в силовій електроніці використовуються чотири типи силових транзисторів. До них відносять силовий біполярний транзистор, назва якого англійською мовою пишеться як Bipolar Power Transistor (BPT); польові транзистори з ізольованим затвором: Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor(MOSFET), гібридні транзистори, що поєднують властивості як біполярного, так і польового транзистори – Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) та статичні індукційні , що є різновидом польового транзистора з вертикальним каналом провідності : Static Induction Transistor (SIT)
Як і тиристори, силові транзистори є потужними електричними ключами, що вмикаються та вимикаються по колу керування. Головною відмінністю між ними є значно вищі граничні частоти перемикання,що забезпечує транзисторам пріоритетне застосування в перетворювачах з модуляційним способом регулювання вихідної напруги.
Силові біполярні транзистори застосовуються в якості високовольтних ключів в перетворювачах потужністю від одиниць ватт до кількох кіловатт з частотою перемикання до 100 кГц. Оптимальний діапазон робочих напруг лежить в межах від 200 до 2000 В за умови послідовного вмикання кількох транзисторів.
До створення потужних польових та гібридних транзисторів, найбільш розповсюдженим залишався біполярний транзистор.
Максимально досягнуті експлуатаційні параметри якого складають 800 А колекторного струму та 1200 В постійної напруги між емітером та колектором. На даний час цей прилад використовується в перетворювачах з напругою до 900 В, потужністю до 10 кВт з частотою перемикання - одиниці кілогерц.
Незважаючи на досить високі максимально досягнуті експлуатаційні параметри, подальший розвиток перетворювачів з силовими БТ стримується рядом недоліків цього приладу. Головними з них є нездатність до перевантажень колекторного струму, а також наявність наскрізного теплового струму пробою, який виникає при підключенні до транзистора напруги джерела живлення. Усе це вимагає застосування до транзистора спеціальних захисних кіл які обмежують швидкість наростання його колекторного струму та напруги. Наявність таких кіл звужує частотний діапазон транзистора.
Іншим недоліком є зниження коефіцієнту передачі транзистора за умови зростання струму навантаження. Це призводить до необхідності суттєво підвищувати його базовий струм, що веде до появи додаткових втрат в транзисторі. До цього слід додати погане узгодження транзисторів при паралельному вмиканні, а також значні втрати в увімкненому стані. Усе це призводить до зниження ефективності та надійності приладу і вимагає використання додаткових засобів для формування безпечної траєкторії його перемикання. Все перераховане негативно впливає на техніко-економічні показники перетворювачів із застосуванням БТ.
Що стосується польових транзисторів з ізольованим затвором (MOSFET) то вони використовуються в якості електронних ключів для комутації в низьковольтних високочастотних пристроях. Оптимальне значення комутованих напруг не перевищує 200 В при частоті комутації більше 100 кГц. Діапазон комутованих струмів складає від 2 до 100 А. Позитивними якостями цих приладів є їхня керованість напругою, а не струмом, низька залежність параметрів від температури, а також висока технологічність приладу. Силові польові транзистори типу MOSFET які розраховані на струм, що перевищує 20 А, виготовляються у вигляді окремих моноструктур, кожна з яких розрахована на струм до 20 Ампер , і які за допомогою інтегральних технологій з’єднуються в один, більш потужний, прилад.
В області низьких напруг цей силовий прилад на даний час не має конкурентів і повністю витіснив біполярні транзистори. В силовій електроніці потужні польові транзистори з ізольованим затвором широко використовуються в ключових джерелах живлення ауді- та відео техніки, побутових приладах, електронно-обчислювальних машинах та інших пристроях. Широке застосування потужні МОН-транзистори знайшли в імпульсних перетворювачах постійної напруги для живлення крокових двигунів , а також у регульованих електроприводах.
Рис.1.9
Іншим типом силового транзистора є SIT – польовий транзистор з керуючим p-n-переходом зі статичною індукцією. Цей транзистор є багатоканальним і має вертикальне розташування каналів провідності. Структура SIT та символ його позначення зображені на рис.1.9,а. Принцип дії SIT ідентичний роботі польового транзистора з керуючим p-n- переходом.
Особливості його роботи та вольт - амперні характеристики, які зображені на рис.1.9,б, можна пояснити з урахуванням геометрії та форми малого затвора та короткого каналу специфічної форми, а також розподілом напруженості поля в каналі провідності. Області напівпровідника р-типу мають форму циліндрів діаметр яких складає одиниці мікрометрів. Ця система циліндрів виконує роль затвора. Кожен з цих циліндрів під’єднаний до електроду затвора, як це зображено на рис.1.9,а. Структура транзистора зі статичною індукцією характеризується коротким каналом та малою відстанню від витоку до стоку (10 мкм). Підвищена потужність SIT забезпечується багатоканальною будовою структури та малими розмірами областей затвору. Саме тому транзистор має вихідні характеристики без горизонтальних ділянок. Тобто на них відсутні області насичення струмом, що забезпечує дуже низький вихідний опір транзистора.
SIT може працювати як при зворотному зміщенні затвора (режим польового транзистора), так і при прямому зміщені затвора (режим біполярного транзистора). В результаті змішаного управління відкритий транзистор керується струмом затвора, який в цьому випадку працює як база біполярного транзистора, а при вимкненні транзистора до затвору прикладається зворотна запірна напруга. На відмінну від біполярного, зворотня напруга на затворі статичного транзистора може досягати 30 В, що прискорює розсіювання неголовних носіїв , які з’являються в каналі у відкритому стані, і скорочує час вимкнення транзистора.
До основних переваг SIT можна віднести можливість роботи при дуже високих напругах стік- витік (до кількох кіловольт) та дуже малий спад напруги у відкритому стані (до 1,5 В). Малий час вимкнення дозволяє йому перемикатись з частотою до 100 кГц при дуже високих значеннях параметрів та .
Широке застосування статичного транзистора стримується тим, що у нормальному стані він проводить струм, і для утримання його в закритому стані до затвора слід прикладати від’ємну запірну напругу.
Цей недолік відсутній у біполярного статичного індукційного транзистора (BSIT) у якого напруга відсічки завдяки технологічним прийомам (введенням додаткового прошарку р-типу) зведена до нуля. Завдяки цьому BSIT, як і біполярний транзистор, вимкнутий, якщо на затворі відсутня напруга.
В силовій електроніці SIT використовуються в ультразвукових генераторах, для живлення печей з індукційним нагрівом, широкосмугових підсилювачах великої потужності.
Найбільш досконалим з усіх перерахованих транзисторів на даний час є гібридний транзистор IGBT. Він поєднує позитивні властивості як біполярного, так і польового транзистора з ізольованим затвором. Комерційне використання IGBT почалось з 80-х років минулого сторіччя і вже зазнало шість стадій свого розвитку .
Транзистори першого покоління були здатні комутувати напругу до 100 В і струм 200 А в модульному і 25 А в дискретному виконанні. Прямий спад напруги досягав 4 В, а частота перемикання не перевищувала 5 кГц.
Уже в четвертому поколінні, починаючи з 1998 року, комутована напруга досягла 4500 В, струми до 800 А в модульному виконанні і 70 А в дискретному виконанні. Пряме падіння напруги не перевищувало 2,5 В при максимальній густині струму колектора, а частота комутації досягала 50 кГц.
Таким чином, протягом останніх десятиліть зусилля розробників IGBT ключів було постійно спрямоване на зменшення залишкової напруги, підвищення швидкодії та стійкості перемикання при все зростаючих значеннях струмів і робочих напруг приладу, причому поставлені завдання з кожним роком вирішувались все більш якісно. Наприклад, фірма Toshiba Semiconductor розробила в 2004 році (шосте покоління) біполярний транзистор з ізольованим затвором і підвищеною інжекцією IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor). Він має прямий спад напруги і густину струму, що відповідають звичайним надпотужним тиристорам, і динамічні параметри перемикання, характерні для IGBT . На даний час виготовляються декілька типів таких транзисторів, в тому числі на струм 750 А і напругу 6,5 кВ в модульному виконанні.
Існує два типи IGBT, які відрізняються технологією виготовлення. Перша з них – однорідна (NPT–Non Punch-Through) – структура в якій кристал рівномірно легується, утворюючи область з n – типом провідності, а затвор розташований горизонтально і не втоплений в канал провідності. Така структура транзистора та його спрощена еквівалентна схема зображені на рис. 1.10, а,б. Там же зображено символ позначення приладу (рис. 1.10, в).
а) б) в)
Рис. 1.10
Як видно з рис. 1.10,б, колектор транзистора IGBT є емітером біполярного транзистора, а емітер останнього відіграє роль колектора гібридного транзистора.
Це спрощена схема заміщення, яка не враховує наявність додаткових елементів, що захищають транзистор від аварійних режимів і інтегруються в схему в процесі його виготовлення.
Більш досконалі прилади отримують внаслідок застосування технологій, запропонованих в кінці 90–х років минулого сторіччя компанією Mitsubishi Electric. Це технологія четвертого покоління для приладів PT – IGBT на основі вертикального затвору Trench Gate. Головним результатом запровадження Trench – технології стало істотне зменшення статичних втрат в IGBT і вихід на новий рівень залишкових напруг - 1,6 В для приладів розрахованих на 600 В і 1,8 В для приладів на 1200 В. Крім того, в ці прилади було додатково введено схему захисту транзистора від короткого замикання RTС (Real Time Control Circuit), призначену для миттєвого зменшення напруги на затворі із стандартних 15 до 11 В. Структура такого транзистора та еквівалентна схема наведені на рис. 1.11,а,б. Символ позначення для усіх типів транзисторів IGBT однаковий.
В 2004 році тією ж компанією Mitsubishi Electric було представлено п’яте покоління IGBT, що отримало назву GSTBT (Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor), тобто біполярні транзистори з ізольованим вертикальним Trench – затвором з накопиченими носіями. Транзистори мають додатковий n-прошарок, який перешкоджає проходженню дірок з базового епітаксіального прошарку в еміттер. Це дозволяє знизити рівень залишкової напруги до 1,8 – 2,0 В. В цих приладах не використовується гібридна RTC – схема для обмеження стуму короткого замикання, оскільки проблему струмового перевантаження було вирішено підключенням або відключенням певної кількості вертикальних каналів. Слід пам’ятати, що потужний транзистор з ізольованим затвором складається з великої кількості монокристалічних структур, що представляють собою завершені прилади які об’єднуються в одному корпусі в більш потужний прилад. При цьому система управління виготовляється одночасно з виготовленням самого транзистора і монтується безпосередньо в його напівпровідниковій структурі. Запуск і керування цією системою (драйвером) здійснюється логічним сигналом, який може формуватись або спеціальною однокристалічною мікрообчислювальною машиною, або контролером, або може надходити від іншого інформаційного комплексу.
а) б)
Рис. 1.11
Транзистори IGBT виготовляються як у дискретному вигляді (на струм не більше 70 А) так і у вигляді модулів, де вони сполучені у напівмостову або ключову схему. В силових перетворювачах використовуються саме потужні модулі IGBT. Вони знаходять широке застосування в некерованих та керованих випрямлячах, автономних інверторах для живлення двигунів змінного струму середньої та великої потужності, перетворювачах для індукційного нагріву, зварювальних апаратах, джерелах безперебійного живлення, побутовій та студійній техніці.
Особливу роль IGBT–модулі відіграють в розвитку залізничного транспорту. Застосування цих перспективних приладів в тяговому перетворювачі дозволило підвищити частоту перемикання, спростити систему управління, мінімізувати завантаження мережі вищими гармоніками і забезпечити гранично низькі втрати в обмотках трансформаторів та дроселів. Наприклад, складі модулі IGBT використовуються як перетворювачі власних потреб (ПСН) електровоза ЕП–200, тяговому перетворювачі електропоїздів “Сокіл” і ЕД6, російського виробництва.
Надзвичайно перспективне застосування IGBT–модулів в тягових перетворювачах міського електротранспорту . Їх запровадження вирішує проблему плавного пуску, розгону та гальмування з рекуперацією енергії, що при цьому вивільняється в контактну мережу.
На сьогоднішній день IGBT як клас приладів силової електроніки займає і займатиме домінуюче положення для діапазону потужностей від одиниць кіловат до одиниць мегават. Подальший розвиток IGBT пов'язаний з вимогами ринку і йтиме по шляху:
підвищення діапазону граничних комутованих струмів та напруг (одиниць кілоампер, 5 – 7 кВ);
підвищення швидкодії;
підвищення стійкості до перевантажень і аварійних режимів;
зниження прямого спаду напруги;
розробка нових структур зі щільністю струмів, що наближуються до тиристорних;
розвитку “інтелектуальних” IGBT (з вбудованими функціями діагностики та захисту);
підвищення частоти та зниження втрат в швидкодіючих зворотніх діодах.
Більшість з перерахованих вимог стосуються усіх типів силових напівпровідникових приладів, що використовуються як електронні ключі в перетворювачах різного типу. Слід також зазначити, що на сьогоднішній день зберігається неофіційне “правило п’яти років” за яким кількість розроблених типів напівпровідникових приладів за вказаний термін подвоюється. Тому в найближчий час слід чекати появи на ринку ще більш досконалих силових напівпровідникових приладів.
Розділ 2. Лабораторний практикум