Силовые полупроводниковые приборы

состоянияЛекция 6. Силовые полупроводниковые приборы

К силовым полупроводниковым приборам относятся управляемые приборы, используемые в различных силовых устройствах: электроприводе, источниках пи­тания, мощных преобразовательных установках и др. Для снижения потерь эти приборы в основном работают в ключевом режиме. Основные требования, предъявляемые к силовым приборам, сводятся к следующим-

• малые потери при коммутации,

• большая скорость переключения из одного состояния в другое,

• малое потребление по цепи управления,

• большой коммутируемый ток и высокое рабочее напряжение.

Силовая электроника непрерывно развивается и силовые приборы непрерыв­но совершенствуются Разработаны и выпускаются приборы на токи до 1000 А и рабочее напряжение свыше 6кВ. Быстродействие силовых приборов таково, что они могут работать на частотах до 1 МГц. Значительно снижена мощность управ­ления силовыми ключами.

Разработаны и выпускаются мощные биполярные и униполярные транзисторы. Специально для целей силовой электроники разработаны и выпускаются мощные четырехслойные приборы — тиристоры и симисторы. К последним достижениям силовой электроники относится разработка новых типов транзисторов: со статичес­кой индукцией (СИТ и БСИТ) и биполярных транзисторов с изолированным затво­ром (БТИЗ). Новые типы транзисторов могут коммутировать токи свыше 500 А при напряжении до 2000В. В отличие от тиристоров эти приборы имеют полное управление, высокое быстродействие и малое потребление по цепи управления.

Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триод-

Рекомендуемые материалы

ные (тиристоры). Для коммутации це­пей переменного тока разработаны спе­циальные симметричные тиристоры — симисторы.

Динисторы. Динистором называется двухэлектродный   прибор  диодного типа, имеющий три ^-и-перехода. Край­няя область Р называется анодом, а другая крайняя область N — като­дом Структура динистора приведена на рис 6.1 а. Три ^-и-перехода динисто­ра обозначены как J, J^ и 7з. Схемати­ческое изображение динистора приведе­но на рис 6.1 б

транзисторы и схема замещения приведены на рис. 6.2. При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а кол­лекторный ток второго транзистора является током базы первого. Благодаря этому внутреннему соединению внутри прибора есть положительная обратная связь

Если на анод подано положительное напряжение по отношению к катоду, то переходы у] и /з будут смещены в прямом направлении, а переход Уг — в обрат­ном, поэтому все напряжение источника Е будет приложено к переходу /г При­мем, что коэффициенты передачи по току эмиттера транзисторов 71 и 72 имеют значения tti и ос^ соответственно Пользуясь схемой замещения, приведенной на рис 626, найдем ток через переход J^, равный сумме токов коллекторов обоих транзисторов и тока утечки /ко этого перехода

Ток во внешней цепи равен /эl⁼^э2⁼/^2⁼^> поэтому после подстановки /в (4.1) найдем

шсуда получим значение внешнего тока

Пока выполняется условие (а, + ос;) < 1 ток в динисторе будет равен /,о Если же сделать (cci +aa)> 1, то динистор включается и начинает проводить ток Таким образом, получено условие включения динистора

Для увеличения коэффициентов передачи тока О] или (Хг имеются два способа По первому способу можно увеличивать напряжение на динисторе С ростом на­пряжения U= U,u, один из транзисторов будет переходить в режим насыщения

Рис. 6 3. Вольт-амперная характеристика динистора (а) и схема его включения (6)

Коллекторный ток этого транзистора, протекая в цепи базы второго транзистора, откроет его, а последний, в свою очередь, увеличит ток базы первого. В результате коллекторные токи транзисторов будут лавинообразно нарастать, пока оба тран­зистора не переидут в режим насыщения.

После включения транзисторов динистор замкнется и ток / будет ограничи­ваться только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на открытом приборе меньше 2 В, что примерно равно падению напряжения на обычном диоде. Вольт-амперная характеристика динистора приведена на рис. 6.3 а, а схема им­пульсного включения изображена на рис. 6.3 б.

Выключить динистор можно, понизив ток в нем до значения /„.ил или поменяв полярность напряжения на аноде. Различные способы выключения динистора приведены на рис. 6.4. В первой схеме прерывается ток в цепи динистора. Во второй схеме напряжение на динисторе делается равным нулю. В третьей схеме ток динистора понижается до /,ыхд включением добавочного резистора Ry

Рис 6 5 Структура тиристора с катодным управлением (а) и его условное схематическое обозначение (б), структура тиристора с анодным управлением (в) и его условное схематическое обозначение (г)

В четвертой схеме при замыкании ключа К на анод динистора подается напряже­ние противоположной полярности при помощи конденсатора С.

Тиристор Второй способ включения четырехслойной структуры реализован в тиристоре Для этого в нем имеется вывод от одной из баз эквивалентных транзи­сторов Г| или Тч. Если подать в одну из этих баз ток управления, то коэффициент передачи соответствующего транзистора увеличится и произойдет включение тиристора.

В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тирис-юры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управле­нием Расположение этих управляющих электродов и схематические обозначения

тиристоров   приведены   к рис. 6 5 Вольт-амперная xapal теристика тиристора приведен на рис. 6.6 Она отличается с характеристики динистора теп что напряжение включения pi гулируется изменением тока цепи управляющего электрод, При увеличении тока ynpaani ния снижается   напряжет включения. Таким образом, ti ристор эквивалентен динистор с управляемым напряжение включения.

с его помощью выключить тиристор нельзя. Основные схемы выключения тирис-тора такие же, как и для динистора.

Как динисторы, так и тиристоры подвержены самопроизвольному включе­нию при быстром изменении напряжения на аноде. Это явление получило назва­ние «эффекта dU/dt ». Оно связано с зарядом емкости перехода Сд при быстром изменении напряжения на аноде тиристора (или динистора). i^C^dU/dt Даже при небольшом напряжении на аноде тиристор может включиться при большой скорости его изменения.

Условное обозначение динисторов и тиристоров содержит информацию о материале полупроводника (буква К), обозначении типа прибора (динистор — буква Н, тиристор — буква У), классе по мощности (1 — ток анода <0,ЗА, 2 — ток анода >0,ЗА) и порядковом номере разработки. Например, динистор КН102— кремниевый, малой мощности, тиристор КУ202 — кремниевый, боль­шой мощности.

К основным параметрам динисторов и тиристоров относятся

• допустимое обратное напряжение t/обр,

• напряжение в открытом состоянии L^,p при заданном прямом токе,

• допустимый прямой ток /„р;

• времена включения t^ и выключения ^щсл-

При включении тиристора током управления после подачи импульса тока /у, в управляющий электрод проходит некоторое время, необходимое для включения тиристора. Кривые мгновенных значений токов и напряжений в тиристоре при его включении на резистивную нагрузку приведены на рис 6 7 Процесс нараста­ния тока в тиристоре начинается спустя некоторое время задержки ;зд, которое зависит от амплитуды импульса тока управления /у, При достаточно большом

токе управления время задержки достигает долей микросекунды (от 0,1 до 1 2мкс)

с его помощью выключить тиристор нельзя. Основные схемы выключения тирис-тора такие же, как и для динистора.

Как динисторы, так и тиристоры подвержены самопроизвольному включе­нию при быстром изменении напряжения на аноде. Это явление получило назва­ние «эффекта dU/dt ». Оно связано с зарядом емкости перехода Сд при быстром изменении напряжения на аноде тиристора (или динистора). i^C^dU/dt Даже при небольшом напряжении на аноде тиристор может включиться при большой скорости его изменения.

Условное обозначение динисторов и тиристоров содержит информацию о материале полупроводника (буква К), обозначении типа прибора (динистор — буква Н, тиристор — буква У), классе по мощности (1 — ток анода <0,ЗА, 2 — ток анода >0,ЗА) и порядковом номере разработки. Например, динистор КН102— кремниевый, малой мощности, тиристор КУ202 — кремниевый, боль­шой мощности.

К основным параметрам динисторов и тиристоров относятся

• допустимое обратное напряжение t/обр,

• напряжение в открытом состоянии L^,p при заданном прямом токе,

• допустимый прямой ток /„р;

• времена включения t^ и выключения ^щсл-

При включении тиристора током управления после подачи импульса тока /у, в управляющий электрод проходит некоторое время, необходимое для включения тиристора. Кривые мгновенных значений токов и напряжений в тиристоре при его включении на резистивную нагрузку приведены на рис 6 7 Процесс нараста­ния тока в тиристоре начинается спустя некоторое время задержки ;зд, которое зависит от амплитуды импульса тока управления /у, При достаточно большом

токе управления время задержки достигает долей микросекунды (от 0,1 до 1 2мкс)

условиях. Длительность импульса тока управления должна быть такой, что­бы к моменту его окончания анодный ток тиристора был больше тока удержа­ния/аул-

Если тиристор выключается приложением обратного напряжения ?7„бр, то процесс выключения можно разделить на две стадии: время восстановления об­ратного сопротивления ?„б.в и время выключения г,ь„. После окончания времени восстановления /об.» ток в тиристоре достигает нулевого значения, однако он не выдерживает приложения прямого напряжения. Только спустя время г,ь,к к тирис-тору можно повторно прикладывать прямое напряжение ?7,ipo.

Потери в тиристоре состоят из потерь при протекании прямого тока, потерь при протекании обратного тока, коммутационных потерь и потерь в цепи управ­ления. Потери при протекании прямого и обратного токов рассчитываются так же, как в диодах. Коммутационные потери и потери в цепи управления зависят от способа включения и выключения тиристора.

Симистор — это симметричный тиристор, который предназначен для комму­тации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания реверсив­ных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Структура симметричного тиристора приведена на рис. 6.8 а, а его схематическое обозначение на рис. 6.8 б. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. Вольт-амперная характеристика симистора приведена на рис. 6.9.

Как следует из вольт-амперной характеристики симистора, прибор включает­ся в любом направлении при подаче на управляющий электрод УЭ положительно­го импульса управления. Требования к импульсу управления такие же, как и для тиристора. Основные характеристики симистора и система его обозначений такие же, как и для тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно параллельно включенными тиристорами с общим электродом управления. Так, например,

условиях. Длительность импульса тока управления должна быть такой, что­бы к моменту его окончания анодный ток тиристора был больше тока удержа­ния/аул-

Если тиристор выключается приложением обратного напряжения ?7„бр, то процесс выключения можно разделить на две стадии: время восстановления об­ратного сопротивления ?„б.в и время выключения г,ь„. После окончания времени восстановления /об.» ток в тиристоре достигает нулевого значения, однако он не выдерживает приложения прямого напряжения. Только спустя время г,ь,к к тирис-тору можно повторно прикладывать прямое напряжение ?7,ipo.

Потери в тиристоре состоят из потерь при протекании прямого тока, потерь при протекании обратного тока, коммутационных потерь и потерь в цепи управ­ления. Потери при протекании прямого и обратного токов рассчитываются так же, как в диодах. Коммутационные потери и потери в цепи управления зависят от способа включения и выключения тиристора.

Симистор — это симметричный тиристор, который предназначен для комму­тации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания реверсив­ных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Структура симметричного тиристора приведена на рис. 6.8 а, а его схематическое обозначение на рис. 6.8 б. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. Вольт-амперная характеристика симистора приведена на рис. 6.9.

Как следует из вольт-амперной характеристики симистора, прибор включает­ся в любом направлении при подаче на управляющий электрод УЭ положительно­го импульса управления. Требования к импульсу управления такие же, как и для тиристора. Основные характеристики симистора и система его обозначений такие же, как и для тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно параллельно включенными тиристорами с общим электродом управления. Так, например,

симистор КУ208Г может коммутировать переменный ток до 10 А при напряжении до 400В. Отпирающий ток в цепи управления не превышает 0,2 А, а время вклю­чения — не более Юмкс.

Фототиристоры и фотосимисторы — это тиристоры и симисторы с фотоэлектрон­ным управлением, в которых управляющий электрод заменен инфракрасным свето-диодом и фотоприемником со схемой управления. Основным достоинством таких приборов является гальваническая развязка цепи управления от силовой цепи. В ка­честве примера рассмотрим устройство фотосимистора, выпускаемого фирмой «Сименс» под названием СИТАК. Структурная схема прибора СИТАК приведена на рис. 6.10 а, а его условное схематическое изображение — на рис. 6.10 б.

Такой прибор потребляет по входу управления светодиодом ток около 1,5мА и коммутирует в выходной цепи переменный ток 0,3 А при напряжении до 600В. Такие приборы находят широкое применение в качестве ключей переменного тока с изолированным управлением. Они также могут использоваться при управлении более мощными тиристорами или симисторами, обеспечивая при этом гальвани­ческую развязку цепей управления. Малое потребление цепи управления позволя­ет включать СИТАК к выходу микропроцессоров и микро-ЭВМ. В качестве при­мера на рис. 6.11 приведено подключение прибора СИТАК к микропроцессору для регулирования тока в нагрузке, подключенной к сети переменного напряже­ния 220В при максимальной мощности до 66Вт.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) выполнены как сочетание входного униполярного (полевого) транзистора с изолированным за­твором (ПТИЗ) и выходного биполярного «-р-и-транзистора (БТ). Имеется много различных способов создания таких приборов, однако наибольшее распростране­ние получили приборы IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), в которых удачно

сочетаются особенности полевых транзисторов с вертикальным каналом и допол­нительного биполярного транзистора.

При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором, имею­щих вертикальный канал, образуется паразитный биполярный транзистор, кото­рый не находил практического применения. Схематическое изображение такого транзистора приведено на рис. 6 12 а На этой схеме VT — полевой транзистор с изолированным затвором, Т — паразитный биполярный транзистор, R — по­следовательное сопротивление канала полевого транзистора, R^ — сопротивле­ние, шунтирующее переход база-эмиттер биполярного транзистора Т. Благодаря сопротивлению R^ биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT. Выходные вольт-амперные характе­ристики ПТИЗ, приведенные на рис. 6.126, характеризуются крутизной S и со­противлением канала t?|

Структура транзистора IGBT аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена еще одним/?-и-переходом, благодаря которому в схеме замещения (рис. 6.12 в) появля­ется еще один р-п-р-транзистор 72.

Образовавшаяся структура из двух транзисторов Т и Т2 имеет глубокую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзисто­ра 72 влияет на ток базы транзистора Т, а ток коллектора транзистора Т определяет ток базы транзистора 72. Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов Л и 72 имеют значения (Xi и (Хз соответственно, найдем /кз^Лз^, ^к1=^э1«2 и 7э=/к1+7й+/с- Из последнего уравнения можно опре­делить ток стока полевого транзистора

Поскольку ток стока 1с ПТИЗ можно определить через крутизну S и напряже­ние U, на затворе Ic^SU, определим ток IGBT транзистора

где 5'3=6V[l-(ai+a2)j — эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изо­лированным затвором.

Очевидно, что при ai+ocz^l эквивалентная крутизна значительно превышает крутизну ПТИЗ. Регулировать значения ff, и а-г можно изменением сопротивлений /?i и R-i при изготовлении транзистора На рис 6.12г приведены вольт-амперные характеристики IGBT транзистора, которые показывают значительное увеличение крутизны по сравнению с ПТИЗ Так, например, для транзистора BUP 402 полу­чено значение крутизны 15 А/В

Другим достоинством IGBT транзисторов является значительное снижение последовательного сопротивления и, следовательно, снижение падения ндпряже ния на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что последовательное со­противление канала R^ шунтируется двумя насыщенными транзисторами Л и 77 включенными последовательно.

Условное схематическое изображение БТИЗ приведено на рис. 6.13. Это обо­значение подчеркивает его гибридность тем, что изолированный затвор изобра­жается как в ПТИЗ, а электроды коллектора и эмиттера изображаются как у биполярного транзистора.

Область безопасной работы БТИЗ подобна ПТИЗ, т. е. в ней отсутствует уча­сток вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. На рис. 6.13.6 приведена область надежной (безотказной) работы (ОБР) транзистора типа IGBT с максимальным рабочим напряжением 1200В при длительности им­пульса Юмкс. Поскольку в основу транзисторов типа IGBT положены ПТИЗ с индуцированным каналом, то напряжение, подаваемое на затвор, должно быть больше порогового напряжения, которое имеет значение 5...6В.

Быстродействие БТИЗ несколько ниже быстродействия полевых транзисто­ров, но значительно выше быстродействия биполярных транзисторов Исследова­ния показали, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения не превышают 0,5 . 1,0мкс.

Статический индукционный транзистор (СИТ) представляет собой полевой транзистор с управляющим ^-«-переходом, который может работать как при обратном смещении затвора (режим полевого транзистора), так и при прямом смещении затвора (режим биполярного транзистора). В результате смешанного управления открытый транзистор управляется током затвора, который в этом случае работает как база биполярного транзистора, а при запирании транзистора на затвор подается обратное запирающее напряжение. В отличие от биполярного транзистора обратное напряжение, подаваемое на затвор транзистора, может достигать 30 В, что значительно ускоряет процесс рассасывания неосновных носи­телей, которые появляются в канале при прямом смещении затвора.

В настоящее время имеются две разновидности СИТ транзисторов. Первая разновидность транзисторов, называемых просто СИТ, представляет собой нормально открытый прибор с управляющим ^-«-переходом. В таком приборе при нулевом напряжении на затворе цепь сток-исток находится в проводящем состоянии. Перевод транзистора в непроводящее состояние осуществляется при

помощи запирающего напряжения С/зи отрицательной полярности, приклады­ваемого между затвором и истоком Существенной особенностью такого СИТ транзистора является возможность значительного снижения сопротивления ка­нала Rev в проводящем состоянии пропусканием тока затвора при его прямом смещении.

СИТ транзистор, как и ПТИЗ, имеет большую емкость затвора, перезаряд которой требует значительных токов управления. Достоинством СИТ по сравне­нию с биполярными транзисторами является повышенное быстродействие. Время включения практически не зависит от режима работы и составляет 20... 25 нс при задержке не более 50нс. Время выключения зависит от соотношения токов стока и затвора.

Лекция "15 Опека и попечительство" также может быть Вам полезна.

Для снижения потерь в открытом состоянии СИТ вводят в насыщенное со­стояние подачей тока затвора. Поэтому на этапе выключения, так же как и в би­полярном транзисторе, происходит процесс рассасывания неосновных носителей заряда, накопленных в открытом состоянии. Это приводит к задержке выключе­ния и может лежать в пределах от 20нс до 5 мкс.

Специфической особенностью СИТ транзистора, затрудняющей его примене­ние в качестве ключа, является его нормально открытое состояние при отсутствии

управляющего сигнала Для его запирания необходимо подать на затвор отрицательное напряжение смещения, которое должно быть больше напряжения отсечки.

Поскольку СИТ и БСИТ транзисторы относятся к разряду полевых транзис­торов с управляющим ^-и-переходом, их схематическое изображение и условные обозначения такие же. Таким образом, определить СИТ транзисторы можно толь­ко по номеру разработки, что весьма затруднительно, если нет справочника. Сравнительные характеристики некоторых типов СИТ и БСИТ транзисторов приведены в табл. 6.1.

Несмотря на высокие характеристики СИТ и БСИТ транзисторов, они уступа­ют ПТИЗ по быстродействию и мощности управления. Типовые вольт-амперные характеристики СИТ транзистора приведены на рис. 6.14. К достоинствам СИТ транзисторов следует отнести малое сопротивление канала в открытом состоянии, которое составляет 0,1... 0,025 Ом.