IGBT транзисторы для силовых преобразователей

August 17, 2013 by admin Комментировать »

Ранее мы называли транзисторы MOSFET почти идеальными приборами для использования в изделиях силовой электроники. Сейчас настало время повторить одну существенную оговорку, также сделанную нами выше: справедливость слов об идеальности транзисторов MOSFET не ставится под сомнение, если рабочее напряжение силовых цепей преобразователей не превышает 250…300 (максимум — 400) В. При дальнейшем повышении рабочего напряжения приходится выбирать транзисторы с более высокой величиной напряжения «сток-исток», а это означает, что нам будет затруднительно найти в номенклатуре серийно выпускаемых приборов такой типономинал, который при высоких допустимых напряжениях «сток—исток» будет иметь низкое сопротивление канала в открытом состоянии, и, соответственно, высокий ток стока. Максимальная величина допустимого напряжения «сток—исток» большинства серийных транзисторов MOSFET сегодня составляет порядка 800 В, но сопротивление канала в открытом состоянии у них измеряется уже единицами Ом. Справедливости ради отметим, что иногда все-таки можно встретить приборы с допустимым напряжением «сток—исток» порядка 1000… 1200 В, но это — опять же «штучный товар», не находящий практического применения, а потому потихоньку исчезающий с рынка силовых полупроводников. Как же поступить разработчику в случае разработки высоковольтного мощного статического преобразователя? Опять возвращаться к биполярным транзисторам? Ни в коем случае!

Оказывается, на этапе изготовления транзистора возможно объединить такие преимущества биполярных приборов, как большая допускаемая величина напряжения «коллектор—эмиттер», и полевых транзисторов — как минимальные затраты энергии на управление. Объединение этих замечательных свойств происходит благодаря специально разработанным технологическим приемам, в результате чего получается биполярный транзистор с изолированным затвором. Ведущие мировые фирмы разработали множество технологических приемов получения таких транзисторов, с различными внутренними струк-

турами, однако на сегодняшний день наибольшее распространение получили комбинированные транзисторы эпитаксильной структуры PT (punchthrough) и однородной структуры NPT (nonpunch-through). Сегодня данные транзисторы объединены общим наименованием IGBT (insulated gate bipolar transistor), произносящимся на слух как «ай-джи-би-ти» (рис. 2.1.29). Именно в структуре типа IGBT наиболее удачным образом удалось соединить положительные свойства чистых полевых и биполярных приборов, работающих в ключевом режиме.

Давайте вспомним, что на этапе производства полевыхтранзисторов MOSFET в их структуре обязательно появляется паразитный биполярный транзистор, который не находит практического применения, а зачастую просто ухудшает положительные динамические свойства полевого транзистора. Проведенные исследования показали, что возможно ввести в структуру транзистора несколько новых элементов, благодаря которым он превратится в совершенно новый прибор с уникальными свойствами, а паразитный элемент как бы исчезнет во внутренней структуре и не будет влиять на динамические процессы, протекающие в силовой цепи. На рис. 2.1.30 условно показано внутреннее устройство IGBT транзистора, причем на рис. 2.1.30, а приведены все «технологические» элементы, появляющиеся на этапе изготовления. Здесь мы видим знакомый нам входной транзистор типа MOSFET VT1, цепь «сток-исток» которого зашунтирована паразитным биполярным р-п-р-транзистором VT3 с резистором Rb в его собственной цепи «база—эмиттер». Новые элементы — биполярный транзистор структуры n-p-n VT2 и полевой транзистор с управляющим р-п-переходом VT4. Последний транзистор выполняет роль динамического сопротивления, которое уменьшается во включенном состоянии и пропускает ток через базовую область транзистора VT2.

Первый шаг к упрощению эквивалентной схемы IGBT транзистора сделан на рис. 2.1.30, б, где транзистор VT4 заменен условным резистором с переменным сопротивлением Rmod. Теперь, взглянув на схему, можно увидеть, что образовавшаяся структура из биполярных транзисторов VT2 и VT3 может иметь положительную обратную связь, так как ток коллектора VT2 самым непосредственным образом влияет на ток базы VT3, и наоборот. Вообще данная структура сильно напоминает 4-х слойную тиристорную структуру, а значит, возможно появление неприятного эффекта защелкивания этой р-п-р-п-структуры, что часто наблюдалось в первых образцах IGBT приборов. К чему может привести защелкивание, долго объяснять не нужно — транзистор теряет управление в открытом состоянии, и силовая схема может просто выйти из строя.

Исследованию эффекта защелкивания 4-х слойных структур IGBT транзисторов было посвящено множество научных работ, и сегодня этот весьма неприятный эффект, благодаря развитию технологий производства, можно считать ушедшим в историю данных приборов. Производители научились с ним успешно бороться, управляя величиной Rb и Rmod, а также коэффициентами усиления VT2 и VT3 на стадии изготовления. Исследования также показали, что устойчивость 4-х слойных структур к защелкиванию снижается при увеличении скорости изменения напряжения «коллектор—эмиттер» в единицу времени, то есть защелкивание проявляется в моменты коммутации ключей в силовой схеме, а значит, можно принять меры по ограничению скорости нарастания токов. Добавим, что ведущие мировые фирмы-производители транзисторов IGBT («International Rectifier», «IXYS», «Motorola», «Intersil», «Semikron», «Mitsubishi», «Eupec», «Dynex» и др.) гарантируют отсутствие «защелкивания» биполярных структур, поэтому в их технической документации часто приводится упрощенная эквивалентная схема IGBT приборов, показанная на рис. 2.1.30, в.

На рис. 2.1.31 представлен разрез внутренней структуры типового IGBT прибора. Биполярный транзистор образуется здесь слоями р+ (эмиттер), n (база), p (коллектор), а полевой транзистор — слоями полупроводника n (исток), п+ (сток) и металлической пластиной (затвор). Полупроводниковые слои р+ и p имеют внешние выводы, с помощью которых транзистор подключается к электронной схеме.

Для разработки статических преобразователей электроэнергии на основе транзисторов IGBT нет необходимости подробно знакомиться с параметрами составных элементов полупроводникового прибора. Достаточно представить IGBT прибор в виде обычного трехэлектродного элемента, имеющего типовые параметры и характеристики, которые можно получить из технической документации конкретного типономинала. Именно поэтому мы более не будем останавливаться на рассмотрении различных внутренних структур IGBT приборов, а пе-

Рис. 2.1.31. Внутренняя структура IGBT транзистора

рейдем к вопросам практического использования этих транзисторов в устройствах преобразовательной техники.

В первую очередь разработчика устройств силовой электроники должен интересовать следующий вопрос: «Какое положение по быстродействию, то есть скорости включения и выключения, занимает транзистор IGBT по сравнению с транзисторами MOSFET и классическими биполярными транзисторами?» Однозначно можно сказать, что транзистор MOSFET переключается быстрее транзистора IGBT, но в случае сравнения с биполярным транзистором нельзя сделать утвердительный вывод в пользу того или иного прибора, и вот почему.

Ограничение скорости переключения биполярных транзисторов с изолированным затвором, как и простых биполярных транзисторов, определяется конечным временем жизни неосновных носителей в их базовых областях. Если включение транзисторов происходит достаточно быстро, то необходимость выделения некоторого времени на рассасывание неосновных носителей в базовой области замедляет процесс восстановления их непроводящего состояния (выключения). Для IGBT, процесс выключения которого в целом похож на аналогичный процесс для транзистора типа MOSFET, значительная задержка выключения связана с так называемым «токовым хвостом», когда остаточный ток коллектора продолжает совершать колебательные движения, приближаясь к нулевому значению. Причина «токового хвоста» кроется в накоплении заряда базовой областью и его постепенном рассасывании при окончательном переходе внутреннего MOSFET в режим отсечки. Чем опасен «токовый хвост»? Тем, что он ведет к увеличению тепловых потерь и требует увеличения так называемого «мертвого времени» (dead time) для полумостовых и мостовых силовых схем в промежутках между фазами проводимости ключевых элементов.

Фирмы-производители элементной базы сделали немало усилий для оптимизации процессов рассасывания неосновных носителей в базовой области IGBT приборов, однако эта задача оказалась настолько противоречивой по воздействующим факторам, что решать ее пришлось комплексно, то есть не только улучшать технологию производства, но и применять схемотехнические ухищрения. Конечно, производители элементной базы могли бы оставить разработчикам преобразовательной техники возможность управления процессами рассасывания неосновных носителей, если бы вывели наружу базу внутреннего биполярного транзистора VT2. Но этот путь снизил бы потребительские качества транзисторов: слишком сложно тогда бьшо бы применять их в конкретных схемах. К тому же, как оказалось, выигрыш от такого решения не столь значителен, поэтому этот базовый вывод традиционно делают недоступным извне. Кроме этого, удалось выработать особые технологические приемы, позволяющие ускорить процесс рекомбинации носителей базовой области, среди которых — снижение коэффициента усиления транзистора VT2.

К сожалению, в процессе оптимизации переключающих свойств IGBT приборов возникло еще одно существенное противоречие: снижение коэффициента усиления в значительной степени уменьшает «токовый хвост», но увеличивает напряжение насыщения открытого транзистора, а значит, и статические потери в открытом состоянии (потери проводимости). Увеличение коэффициента усиления, наоборот, снижает напряжение насыщения, но приводит к росту «токового хвоста», а значит, и к росту потерь переключения (динамических потерь). Чрезмерное же увеличение коэффициента может привести к резкому повышению вероятности возникновения защелкивания. До некоторой степени с опасным эффектом удается бороться, варьируя сопротивления Rb и Rmod. Но перечисленные проблемы интересуют только производителей, а разработчикам преобразовательной техники важны только результаты их решения.

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