Лекция 4 - Конспекты (1095372), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В этих транзисторах затвор отделён от канала тонкойдиэлектрической плёнкой – и поэтому во входной цепи транзистора тока нетдаже теоретически. Кроме того, отделение затвора от канала позволяет25Электропитание РЭАГлава 4выполнять канал в двух вариантах: в виде встроенного (конструктивного) или ввиде индуцированного (наведённого при протекании тока) канала р- или nтипа. Условные обозначения таких транзисторов и выходные характеристикидля канала n-типа приведены в строке 3 таблицы 4.2.
За рубежом этитранзисторы называют MOSFET транзисторами (Metall-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor), что соответствует нашему обозначению МОП (МДП)транзистор (металл-окисел-полупроводник), где металл означает электродзатвора,окиселозначаетдиэлектрик,отделяющийзатворотполупроводникового канала между истоком и стоком.Принцип работы MOSFET заключается в следующем. В закрытомсостоянии под затвором образуется зона объёмного заряда, что препятствуетпротеканию тока стока. Обратный ток стока незначителен и составляетнесколько наноампер.При положительном напряжении между затвором и истоком происходитинжекция носителей заряда, канал переходит от запертого состояния впроводящее – и транзистор открывается.Основные достоинства полевых транзисторов – отсутствие затратмощности на управление и высокое быстродействие в результате переноса токав них носителями одного знака (основными носителями), в отличие отбиполярных транзисторов, где ток в средней части прибора (базе) в основномпереносится медленными неосновными носителями.
Но по предельнымзначениям выходного напряжения и тока полевые транзисторы заметноуступаютбиполярным,чтоопределяетнишуихиспользованиявнизковольтных устройствах силовой электроники с высокими частотамипроцессов преобразования электрической энергии.Современные высоковольтные MOSFET имеют следующие параметры:напряжение сток-исток до 1200 В при токе до 32 А и сопротивление открытогоканала сток-исток до 0,31 Ом (в зависимости от максимального напряжения итемпературы).
Например, это транзистор IXFN32N120P ("IXYS") Отметим ещётранзисторы на ме́ньшее напряжение, например, 85 В и большие токи. В26Электропитание РЭАГлава 4частности, IXFN280N085 ("IXYS") при токе 280 А имеет сопротивлениеоткрытого канала сток-исток до 0,0044 Oм при температуре 25°C.Сопротивление в открытом состоянии низковольтных MOSFET (до200 В) было уменьшено за последние годы более чем в 10 раз (каждые два годауменьшение на 50%). Это было достигнуто путём оптимизации геометрииячейки и использованиятехнологии утопленного канала(trenchgatetechnology). Плотность упаковки современных низковольтных MOSFETдостигает в настоящее время 100 млн.
элементарных ячеек на квадратныйдюйм. Для низковольтного диапазона напряжений можно предсказатьнепрерывное развитие MOSFET для снижения статических потерь иповышения стойкости.Для высоковольтных MOSFET реальной революцией была технологиясоздания суперперехода, реализованная компанией "Infineon" в семействевысоковольтных MOSFET CoolMOS. Поэтому высоковольтные MOSFET будутиметь всё бо́ льшее и бо́ льшее значение в диапазоне напряжений от 500 до1200 В.В ближайшее время на рынке могут появиться полевые транзисторы,управляемые p-n-переходом (VJFET) на базе карбида кремния (SiC). Такжеимеется потенциал для использования в качестве быстрых и стойкихвысоковольтныхключейкаскодныхсоединенийSiCMOSFETснизковольтными кремниевыми MOSFET.Что касается отечественных высоковольтных полевых транзисторов, томожно отметить следующее.
Если отставание в разработках высоковольтныхбиполярных транзисторов во времена СССР составляло 3-5 лет, то полевыетранзисторы для ИЭП фактически появились в середине 1980-х гг. Однако кконцу 1980-х гг. экономическое положение СССР резко ухудшилось. Зато кэтому времени производители зарубежной электронной техники успелизначительно обновить своё оборудование, по существу, совершив очереднуютехническую революцию. Они сделали упор на высокотехнологичные27Электропитание РЭАГлава 4автоматические линии и миниатюризацию компонентной базы, которая быланаправлена на снижение затрат в условиях массового производства.Многие мировые компании по производству электронных компонентов иизделий построили современные заводы в странах третьего мира – от Китая иИндии до Мексики и Бразилии, так как в этих странах преобладала дешёваярабочая сила.
Именно в это время очередного технического резкого подъёмамикроэлектроники и силовой электроники случился обвал политическойсистемы СССР – и на произвол судьбы был брошен реальный секторэкономики, в том числе и вся электронная промышленность.К настоящему времени достигнуты относительные успехи в ПАО "НПО"Энергомодуль" (г. Москва), где производятся мощные MOSFET модули снапряжением сток-исток до 1200 В и на токи до 540 А (например, SiC MOSFETМ2ТКПК-540-12).
Отметим также, что в АО "ВЗПП-С" (г. Воронеж) освоеносерийное производство изделий для специальной силовой электроники. Речьидёт о ряде полевых транзисторов в металлокерамических корпусах.Области применения MOSFET – высокочастотные преобразователи (доединиц мегагерц) и низковольтные преобразователи напряжения для приводоввентильныхдвигателей,компактныхустройствбесперебойногоэлектропитания.В последние годы появился комбинированный прибор, объединяющийконструктивно полевой транзистор с изолированным затвором (на входе) ибиполярный транзистор (на выходе), названный биполярным транзистором сизолированным затвором (БТИЗ) или транзистором IGBT (Isolated GateBipolar Transistor).
Он имеет высокое входное сопротивление и не требуетмощности на управление, как биполярный транзистор. Параметры выходногонапряжения и тока у него такие же, как у биполярного транзистора, т. е.значительно выше, чем у полевого.Всоответствиисчетырьмятипамиполевыхтранзисторовсизолированным затвором возможны четыре типа IGBT транзисторов, условные28Электропитание РЭАГлава 4обозначения которых и выходные ВАХ для транзистора с индуцированнымканалом n-типа приведены в строке 4 таблицы 4.2.В настоящее время за рубежом выпускают IGBT транзисторы четвёртогопоколения с выходными токами до 1200 А и напряжением до 4000 В.Следует отметить, что более половины всех современных силовыхполупроводниковых приборов, в том числе IGBT транзисторы, выпускают ибудут выпускать в модульном исполнении.
В простейшем случае модульпредставляет собой один или совокупность силовых ключевых элементов, а вболее сложном – преобразователь параметров электрической энергии. Так,одно-, двух-, четырёх- и шестиключевые модули позволяют создаватькомпактные и надёжные преобразовательные устройства. Выпускают такжефункционально законченные модули, например, преобразователь частоты спромежуточным звеном постоянного тока.
На рисунке 4.16 приведены схемымодулей IGBT, выпускаемых фирмой "Mitsubishi".а)б)в)г)Рисунок 4.16 – Схемы модулей IGBT: одноключевого (а); двухключевого (б);трехфазного мостового (в); преобразователя частоты по схеме выпрямительинвертор (г)29Электропитание РЭАГлава 4Применение модулей позволяет значительно снизить массу, габариты истоимостьпреобразовательныхустройств.Ихприменениеоказываетсущественное влияние не только на технико-экономические показателисиловой аппаратуры, но и изменяет технологию проектирования устройствсиловой электроники, сводя её к выбору элементов высокой заводскойготовности на требуемые входные и выходные параметры.ПобыстродействиюIGBTуступаютMOSFET,нозначительнопревосходят биполярные.
Ток управления IGBT мал, поэтому цепь управленияконструктивно компактна. В модулях IGBT драйверы непосредственновключены в их структуру.Конструктивно модули IGBT можно условно разбить на два типа:паянной с изолированным основанием (предельные параметры 2,4 кА и 3,3 кВ)и прижимной (таблеточной) конструкции (предельные параметры 1,2 кА и3,3 кВ).
Последние, помимо высокой надёжности, термоциклоустойчивости,лучшего охлаждения, имеют ещё по сравнению с модулями с изолированнымоснованиемме́ ньшуюпаразитнуюиндуктивностьвыводов(единицынаногенри). При этом снижаются перенапряжения на выводах модулей иповышается их надёжность.Разработки силовых модулей паянной и прижимной конструкции, а такжес повышенными требованиями к механическим и климатическим воздействиямведутся и в России.
Промышленное производство IGBT модулей освоено вАО "Электровыпрямитель" (г. Саранск), АО "Электрум АВ" (г. Орёл).Области применения IGBT транзисторов – преобразователи напряжениямощностью до единиц мегаватт для электроприводов переменного тока,устройствбесперебойногоэлектропитания,статическихкомпенсаторовреактивной мощности и активных фильтров, импульсных ИЭП.На рисунке 4.17 приведены границы применения рассмотренных вышеуправляемых вентилей.30Электропитание РЭАГлава 4Рисунок 4.17 – Границы применения управляемых вентилейДальнейшим развитием полупроводниковой элементной базы устройствсиловой электроники явилось создание в одном полупроводниковом кристаллеили в одной гибридной конструкции, т.
е. модуле, целых фрагментов устройствсиловойэлектроники.Этоилисовокупностьнесколькихсиловыхполупроводниковых приборов, объединённых в схему типового устройства,или силовой элемент с устройством управления и защиты – силоваяинтегральная схема (Smart Intelligent – интеллектуальная схема).В настоящее время широкое применение нашли силовые интегральныесхемы (СИС): монолитные (однокристальные) и гибридные, представляющиесобой конструктивно законченные изделия электронной техники, содержащиесовокупность гальванически связанных между собой элементов электрическойсхемы (рисунок 4.18). Электрические характеристики СИС определяютсяприборами, составляющими их основу (диодами, тиристорами, транзисторами).К сожалению, российский рынок современных приборов силовойэлектроники более чем на 95% занят ведущими мировыми производителями:"Infineon", "Semikron", "International Rectifier", "Mitsubishi Electric", "Toshiba31Электропитание РЭАГлава 4Semiconductors" и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
