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

Динисторы. Динистором называется двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три ^-«-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), 7э и Уз.

Схему замещения динистора мож­но представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой. 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 J\ и /э будут смещены в прямом направлении, а переход Ji — в обрат­ном, поэтому все напряжение источника Е будет приложено к переходу Ji. При­мем, что коэффициенты передачи по току эмиттера транзисторов П и 72 имеют значения oti и о; соответственно. Пользуясь схемой замещения, приведенной на рис. 6.2 б, найдем ток через переход Ji, равный сумме токов коллекторов обоих транзисторов и тока утечки /ко этого перехода:

Ij₂= a₁I_j1 + a₂I_a2 + I_ko (6.1)

Ток во внешней цепи равен I,^=Iл^=Jln⁼I, поэтому после подстановки / в (4.1) найдем

I(1- a₁- a₂) = I_ko, откуда получим значение внешнего тока

I= I_ko / I-(a₁ + a₂) 6.2

Пока выполняется условие (cti+ct2)<l ток в динисторе будет равен /ко- Если же сделать (oti+ota)^!, то динистор включается и начинает проводить ток. Таким образом, получено условие включения динистора.

Для увеличения коэффициентов передачи тока Cti или Од имеются два способа. По первому способу можно увеличивать напряжение на динисторе. С ростом на­пряжения t/=£/,„, один из транзисторов будет переходить в режим насыщения.

Коллекторные 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 перейдут.в режим насыщения.

После включения транзисторов динистор замкнется и ток / будет ограничи­ваться только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на открытом приборе меньше 2В, что примерно равно падению напряжения на обычном диоде.

Выключить динистор можно, понизив ток в нем до значения 7 выкл или поменяв полярность напряжения на аноде.

Тиристор. Второй способ включения четырехслойной структуры реализован в тиристоре. Для этого в нем имеется вывод от одной из баз эквивалентных транзи­сторов Г] или Г;. 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) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управле­нием. Она отличается от характеристики динистора тем, что напряжение включения ре­гулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управле­ния снижается напряжение включения. Таким образом, ти-ристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения.

После включения управляю­щий электрод теряет управляю­щие свойства и, следовательно, 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): ici=CidU/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/ogp;

• напряжение в открытом состоянии (/„р при заданном прямом токе;

• допустимый прямой ток /пр;

• времена включения <„ц, и выключения /выкл-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 <вд, которое зависит от амплитуды импульса тока управления /у,- При достаточно большом токе управления, время задержки достигает долей микросекунды (от 0,1 до 1...2мкс).

Затем происходит нарастание тока через прибор, которое обычно называют временем лавинного на­растания. Это время существенно зависит от начального прямого на­пряжения 1/„р„ на тиристоре и пря­мого тока /„р через включенный тиристор. Включение тиристора обычно осуществляется импульсом тока управления. Для надежного включения тиристора необходимо, чтобы параметры импульса тока управления: его амплитуда /у„ дли­тельность <„у, скорость нарастания dly/dt отвечали определенным тре-Рис. 6.7. Переходные процессы при включении бованиям, которые обеспечивают тиристора включение тиристора в заданных условиях. Длительность импульса тока управления должна быть такой, что­бы к моменту его окончания анодный ток тиристора был больше тока удержа­ния 7, уд.

Если тиристор выключается приложением обратного напряжения С/овр, то процесс выключения можно разделить на две стадии: время восстановления об­ратного сопротивления (оба и время выключения 1.^. После окончания времени восстановления <ов. ток в тиристоре достигает нулевого значения, однако он не выдерживает приложения прямого напряжения. Только спустя время t™, к тирис-тору можно повторно прикладывать прямое напряжение С/про-

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. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. 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.

Такой прибор потребляет по входу управления светодиодом ток около 1,5мА и коммутирует в выходной цепи переменный ток 0,3 А при напряжении до 600 В. 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.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) выполнены как сочетание входного униполярного (полевого) транзистора с изолированным за­твором (ПТИЗ) и выходного биполярного п-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, П — паразитный биполярный транзистор, и, — по­следовательное сопротивление канала полевого транзистора, R^ — сопротивле­ние, шунтирующее переход база-эмиттер биполярного транзистора П. Благодаря сопротивлению Ri биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT. Выходные вольт-амперные характе­ристики ПТИЗ, приведенные на рис. 6.12 б, характеризуются крутизной S и со­противлением канала Ri.

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

Образовавшаяся структура из двух транзисторов 71 и 72 имеет глубокую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзисто­ра 72 влияет на ток базы транзистора Т\, а ток коллектора транзистора 71 определяет ток базы транзистора 72. Принимая, что коэффициенты передачи тока эмиттера транзисторов 71 и 72 имеют значения cii и о; соответственно, найдем /к2=/э2"2> •^1=^э1"2 и I,=I^+I^+Ic. Из последнего уравнения можно опре­делить ток стока полевого транзистора

I_c= I_j(I- a₁- a₂) (6.3)

Поскольку ток стока /с ПТИЗ можно определить через крутизну 5 и напряже­ние U, на затворе Ic=SU, определим ток IGBT транзистора

I_k= I_j = SU_{j /} I-(a₁- a₂) = S_jU_j (6.4)

где 5э=57[1-(сс1+а2)] — эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изо­лированным затвором.

Очевидно, что при ai+oc^l эквивалентная крутизна значительно превышает крутизну ПТИЗ. Регулировать значения Oi и с^ можно изменением сопротивлений R^ и ri при изготовлении транзистора. На рис. 6.12 г 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.

Рис б 12 Схема замещения ПТИЗ с вертикальным каналом (а) и его вольт-амперные характеристики (б), схема замещения транзистора типа IGBT (в) и его вольт-амперные характеристики (г)

Другим достоинством IGBT транзисторов является значительное снижение последовательного сопротивления и, следовательно, снижение падения напряже­ния на замкнутом ключе. Последнее объясняется тем, что последовательное со­противление канала J?z шунтируется двумя насыщенными транзисторами 71 и 72, включенными последовательно.

Область безопасной работы БТИЗ подобна ПТИЗ, т. е. в ней отсутствует уча­сток вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. 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 /»-п-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 /»-п-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 <7ц, отрицательной полярности, приклады­ваемого между затвором и истоком. Существенной особенностью такого СИТ транзистора является возможность значительного снижения сопротивления ка­нала Rca в проводящем состоянии пропусканием тока затвора при его прямом смещении.

Таблица 6.1 Сравнительные характеристики СИТ и БСИТ транзисторов

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 не при задержке не более 50нс. Время выключения зависит от соотношения токов стока и затвора.

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 5мкс.

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.

Этого недостатка лишены БСИТ транзисторы, в которых на­пряжение отсечки технологически­ми приемами сведено к нулю. Бла­годаря этому БСИТ транзисторы при отсутствии напряжения на зат­воре заперты, так же как и бипо­лярные транзисторы, что и отра­жено в названии транзистора— биполярные СИТ транзисторы.

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.

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.