Перспективы в области создания новых модификаций транзисторов IGBT

July 21, 2013 by admin Комментировать »

А теперь мы поговорим о том, какие направления на сегодняшний момент являются «передним краем» области создания новых модификаций транзисторов IGBT. Поскольку рассматриваемый нами тип транзистора находит применение в направлениях электронной техники, где необходимо управлять большими токами при высоком напряжении, актуальной остается задача повышения максимально-допустимого напряжения «коллекор—эмиттер». Если работы в этом направлении пойдут успешно, то в ближайшем будущем IGBT смогут полностью вытеснить мощные высоковольтные тиристоры, которые традиционно применяются в электроэнергетическом оборудовании, где, как известно, напряжения измеряются десятками киловольт, а токи — десятками тысяч ампер.

На сегодняшний день серийные транзисторы IGBT успешно «взяли планку» на уровне 6,5 кВ напряжения «коллекор—эмиттер». Такие напряжения могут очень легко приводить к поверхностным утечкам токов, пробою диэлектриков и появлению разных видов электрического разряда, поэтому корпуса для высоковольтных IGBT должны иметь особую конструкцию. На рис. 2.1.54 показан корпус типа IHM, разработанный фирмой «Еирес». Это — довольно большой «кирпич» с размерами 190 x 140 x 48 мм.

Рис. 2.1.54. Высоковольтный модуль IGBT в корпусе типа IHM

Значительный интерес для разработчика силовой преобразовательной техники может представлять продукция ЗАО «Электрум АВ» [22] (г. Орел). Эта отечественная фирма — пример динамично развивающегося предприятия малого бизнеса, сумевшего выйти на мировой уровень качества продукции и стремительно завоевывающего отечественный рынок силовой электроники. Конечно, номенклатура выпускаемых ею типовых модулей пока не сравнялась с номенклатурой ведущих зарубежных фирм, но вполне достаточна для обеспечения подавляющего большинства задач разработки преобразовательной техники. Фирмой выпускается несколько типономиналов транзисторов IGBT, размещенных в корпусах DOUBLE-INT-A-PAK и INT-A-PAK по схемам рис. 2.1.45 «б», «е», «ж», с маркировками M10, M11, M12, работающие при напряжении «коллектор—эмиттер» до 1200 В и токами коллектора до 200 А (номинальные значения токов выбираются из ряда 50 А, 75 А, 100 А, 150 А, 200 А). Здесь мы еще раз напомним читателю, что, как показала практика разработки преобразовательной техники, именно эти исполнения модулей наиболее хорошо востребованы. Интерес для разработчика также может представлять выпуск серии моду-

лей MKKH со встроенными драйверами управления (об этих модулях мы поговорим в разделе, посвященном драйверам). Вообще, если говорить о тенденциях развития продукции «Электрум АВ», то фирма расширяет номенклатуру интеллектуальных модулей, поскольку этот сегмент отечественного рынка пока никем не занят.

Кстати, если уж мы упомянули интеллектуальные модули, то уместным будет вспомнить фирму «Mitsubishi Electric» [23]. Конечно, в номенклатуре этой фирмы имеется большое количество типовых модулей, с типономиналами которых читатель сможет ознакомится, если

заглянет на сайт. А принципиальная схема интеллектуального модуля типа MG800J2YS50A показана на рис. 2.1.55, корпус — на рис. 2.1.56. Номинальные параметры модуля: напряжение «коллектор—эмиттер» до 600 В, ток коллектора — до 800 А. Из принципиальной схемы модуля видно, что входящие в состав транзисторы IGBT выполнены с токовым отводом (схемой считывания тока) и блокировкой затворов по сигналу превышения номинального тока силовой цепи. Таким образом, в модуле уже на этапе его изготовления появляется схема защиты от аварийных режимов, что, конечно, способствует повышению его надежности. Дополни-

тельный элемент защиты, встраиваемый в модуль на этапе изготовления, — это терморезистор.

Как читатель уже успел заметить, внешне все модули IGBT представляют собой достаточно прочные конструкции. Но, тем не менее, при установке их в преобразователь необходимо соблюдать ряд правил по монтажу, чтобы не нарушить внутреннюю структуру и не подвергнуть модуль механическому разрушению. При монтаже контактные поверхности модулей и охладителей должны быть ровными и чистыми, с шероховатостью не более 2,5 мкм. Теплопроводящая паста наносится на сопрягаемые поверхности с помощью валика, а никак не размазывается пальцами. Считается, что теплопроводящий компаунд нанесен в достаточном количестве, если вокруг смонтированного модуля равномерно выдавлено его небольшое количество. Крепление модулей к охладителю обязательно нужно осуществлять стальными винтами с использованием плоских пружинных шайб, нормировать усилие затяжки с помощью специального ключа (как правило, производитель указывает усилие, допускаемое для безопасной затяжки)… Впрочем, конструктивное оформление статических преобразователей мы рассмотрим далее, в соответствующей главе. А здесь, в завершение этого раздела, расскажем о перспективных разработках силовой элементной базы, ведущихся как у нас в стране, так и за рубежом.

Согласно исследованиям отечественных специалистов в области создания новой элементной базы силовой электроники, отчет о которых приведен в [24] и [25], выпускаемые сегодня транзисторы IGBT, при их неоспоримых преимуществах, обладают также и рядом существенных недостатков. Исследователи подвергли анализу режим насыщения транзисторов IGBT и сравнили его с режимом насыщения обычных биполярных транзисторов. Оказалось, что в режиме насыщения классические биполярные транзисторы проявляют себя гораздо лучше транзисторов IGBT по величине напряжения насыщения: у первого класса приборов напряжение насыщения составляет доли вольта, в то время как у IGBT транзисторов оно достигает нескольких вольт. Также в число существенных недостатков были внесены опасность защелкивания четырехслойных структур и невысокая стойкость к ионизирующему излучению (что существенно для специальных применений). Кроме всего прочего, исследователи отмечают, что на пути дальнейшего совершенствования технологии производства отечественных IGBT приборов встал так называемый «российский фактор» — существенная отсталость производственных мощностей, не позволяющая производить экономически выгодные современные приборы, как это могут позволить себе ведущие мировые фирмы, обладающие достаточными финансовыми средствами. Следовательно, необходим поиск альтернативных технических решений, которые позволят создавать отечественные управляемые ключи на существующей технологической базе.

Но вернемся к анализу недостатков IGBT транзисторов. Почему эти приборы имеют столь высокое значение напряжения насыщения? Вновь обратимся к рис. 2.1.30 а), на котором показана внутренняя структура IGBT прибора. Даже несложный теоретический расчет показывает, что транзистор VT2 в данной схеме «работает» в активной зоне, реально не достигая состояния глубокого насыщения, характерного для биполярных транзисторов в ключевом режиме. Базовая область этого транзистора принципиально не может получить напряжение, отрицательное по отношению к коллектору, а это — признак именно активного состояния. Различными технологическими приемами можно лишь приближаться к насыщенному состоянию, но никак не гарантируется его надежное обеспечение.

В связи с поиском путей преодоления названных недостатков внимание отечественных исследователей было обращено на порядком забытую схему комбинированного полупроводникового устройства, основанную на каскодном соединении низковольтного мощного MOSFET транзистора с высоковольтным транзистором биполярного типа. За основу была взята предложенная в 80-х гг. XX века схема СИ-тиристора с управлением от мощного MOSFET, которая не была реализована в промышленном производстве из-за непреодолимых технологических трудностей, существовавших на тот момент. Отечественные авторы решили разделить кристаллы СИ-тиристора и MOSFET транзистора, создав гибридный прибор с двумя кристаллами, пригодный для самого заурядного отечественного производства. На рис. 2.1.57 показана эквивалентная схема нового прибора, которая отличается от схемы, приведенной на рис. 2.1.30, а, наличием диодаУБ1, который создает на затворе транзистора VT4 положительный потенциал, образуя «подпорный» источник напряжения для транзистора VT2 и тем самым вводя его в режим глубокого насыщения. Кроме этого, в данном случае исчезает паразитная тиристорная структура, образованная транзисторами VT2 и VT3.

В целях проверки характеристик разработанного силового прибора, названного исследователями KCMT (комбинированный составной СИТ-МОП транзистор), или H-IGBT, были изготовлены опытные образцы и проведены их исследования. Оказалось, что частотный диапазон KCMT не хуже, чем у обычных IGBT транзисторов. При одианковых временах включения и выключения KCMT действительно имеет меньшее напряжения насыщения в открытом состоянии. Более того, не существует никаких физических препятствий созданию KCMT модулей на напряжения до 6,5 кВ (и даже выше), и на номинальные токи 1 кА и более. С увеличением допустимого напряжения «коллектор—эмиттер» преимущества KCMT по сравнению с типовыми структурами IGBT проявляются все более существенно. А вот в области малых токов и напряжений KCMT не имеют никакого выигрыша.

Исследователи приводят таблицу характеристик опытного образца KCMT типа M2TKC-50-12, изготовленный ЗАО «Контур» и имеющий следующие основные технические параметры: номинальный ток — 50 А, максимальное значение напряжения «коллектор—эмиттер» — 1200 В. Для сравнения приведены аналогичныеданные по серийному IGBT модулю типа CM50DY-24H, выпускаемого фирмой «Mitsubishi Electric» [23]. Данные сведены в табл. 2.1.10.

Таблица 2.1.10. Сравнительные характеристики KCMT типа M2TKC-50-12 и IGBT типа CM50DY-24H

Внешний вид KCMT приведен на рис. 2.1.58. Слева расположен опытный образец модуля M2TKC-50-12, а справа — модуль CM50DY24H, размещенный в аналогичном корпусе.

Исследователи не без основания утверждают, что создан новый силовой модуль, пригодный для производства на отечественном оборудо-

Рис. 2.1.58. Внешний вид KCMT M2TKC-50-12 в сравнении с IGBT

CM50DY-24H

вании, параметры которого во многом лучше параметров обычных IGBT транзисторов, производимых ведущими зарубежными фирмами. Таким образом, новый прибор уже в ближайшем будущем может составить конкуренцию классическим IGBT приборам при условии освоения его промышленного производства.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты