IGBT транзистори для силових перетворювачів . Техніка і Програми

13.04.2017

IGBT транзистори для силових перетворювачів

Раніше ми називали MOSFET транзистори майже ідеальними приладами для використання у виробах силової електроніки. Зараз настав час повторити одне суттєве застереження, також зроблений нами вище: справедливість слів про ідеальності транзисторів MOSFET не ставиться під сумнів, якщо робоча напруга силових ланцюгів перетворювача не перевищує 250…300 (максимум — 400) Ст. При подальшому підвищенні робочої напруги доводиться вибирати транзистори з більш високою величиною напруги «стік-витік», а це означає, що нам буде важко знайти в номенклатурі серійно випускаються приладів такий типономинал, який при високих допустимих напруженнях «стік—витік» буде мати низький опір каналу у відкритому стані, і, відповідно, високий струм стоку. Максимальна величина допустимого напруги «стік—витік» більшості серійних транзисторів MOSFET сьогодні становить близько 800 В, але опір каналу у відкритому стані у них вимірюється вже одиницями Ом. Справедливості заради відзначимо, що іноді все-таки можна зустріти прилади з допустимою напругою «стік—витік» близько 1000… 1200 В, але це — знову ж «штучний товар», не знаходить практичного застосування, а тому потихеньку зникає з ринку силових напівпровідників. Як же вчинити розробнику у разі розробки високовольтного потужного статичного перетворювача? Знову повертатися до біполярним транзисторам? Ні в якому разі!

Виявляється, на етапі виготовлення транзистора можливо об’єднати такі переваги біполярних приладів, як велика допустима величина напруги «колектор—емітер», та польових транзисторів — як мінімальні витрати енергії на управління. Об’єднання цих чудових властивостей відбувається завдяки спеціально розробленим технологічним прийомам, в результаті чого виходить біполярний транзистор з ізольованим затвором. Провідні світові фірми розробили безліч технологічних прийомів отримання таких транзисторів, з різними внутрішніми струк-

турами, однак на сьогоднішній день найбільшого поширення набули комбіновані транзистори эпитаксильной структури PT (punchthrough) та однорідної структури NPT (nonpunch-through). Сьогодні дані транзистори об’єднані загальним найменуванням IGBT (insulated gate bipolar transistor), произносящимся на слух як «ай-джі-бі-ті» (рис. 2.1.29). Саме в структурі типу IGBT найбільш вдалим чином вдалося поєднати позитивні властивості чистих польових і біполярних приладів, що працюють у ключовому режимі.

IGBT транзистори для силових перетворювачів . Техніка і Програми

Давайте згадаємо, що на етапі виробництва полевыхтранзисторов MOSFET в їх структурі обов’язково з’являється паразитний біполярний транзистор, який не знаходить практичного застосування, а часто просто погіршує позитивні динамічні властивості польового транзистора. Проведені дослідження показали, що можливо ввести в структуру транзистора кілька нових елементів, завдяки яким він перетвориться на зовсім новий прилад з унікальними властивостями, а паразитний елемент як би зникне у внутрішній структурі і не буде впливати на динамічні процеси, що протікають у силовий ланцюга. На рис. 2.1.30 умовно показано внутрішнє пристрій IGBT транзистора, причому на рис. 2.1.30, а наведені всі «технологічні» елементи, що з’являються на етапі виготовлення. Тут ми бачимо знайомий нам вхідний транзистор типу MOSFET VT1, ланцюг «стік-витік» якого зашунтирована паразитних біполярним р-п-р-транзистором VT3 з резистором Rb в його власній ланцюга «база—емітер». Нові елементи — біполярний транзистор структури n-p-n VT2 і польовий транзистор з керуючим р-п-переходом VT4. Останній транзистор виконує роль динамічного опору, який зменшується у включеному стані і пропускає струм через базову область транзистора VT2.

IGBT транзистори для силових перетворювачів . Техніка і Програми

Перший крок до спрощення еквівалентної схеми IGBT транзистора зроблений на рис. 2.1.30, б, де транзистор VT4 замінено умовною зі змінним резистором опором Rmod. Тепер, поглянувши на схему, можна побачити, що новоутворена структура з біполярних транзисторів VT2 і VT3 може мати позитивну зворотний зв’язок, так як струм колектора VT2 самим безпосереднім чином впливає на струм бази VT3, і навпаки. Взагалі дана структура сильно нагадує 4-х шарову тиристорную структуру, а значить, можлива поява неприємного ефекту замикання цієї р-п-р-п-структури, що часто спостерігалося в перших зразках IGBT приладів. До чого може призвести замикання, довго пояснювати не треба — транзистор втрачає керування у відкритому стані, і силова схема може просто вийти з ладу.

Дослідженню ефекту замикання 4-х шарових структур IGBT транзисторів було присвячено безліч наукових робіт, і сьогодні цей досить неприємний ефект, завдяки розвитку технологій виробництва, можна вважати пішли в історію даних приладів. Виробники навчилися з нею успішно боротися, керуючи величиною Rb Rmod. а також коефіцієнтами підсилення VT2 і VT3 на стадії виготовлення. Дослідження також показали, що стійкість 4-х шарових структур до защелкиванию знижується при збільшенні швидкості зміни напруги «колектор—емітер» в одиницю часу, тобто замикання проявляється в моменти комутації ключів в силовій схемі, а значить, можна прийняти заходи по обмеженню швидкості наростання струмів. Додамо, що провідні світові фірми-виробники транзисторів IGBT («International Rectifier», «IXYS», «Motorola», «Intersil», «Semikron», «Mitsubishi», «Eupec», «Dynex» та ін) гарантують відсутність «замикання» біполярних структур, тому в їх технічної документації часто наводиться спрощена еквівалентна схема IGBT приладів, показана на рис. 2.1.30, ст.

На рис. 2.1.31 представлений розріз внутрішньої структури типового IGBT приладу. Біполярний транзистор утворюється тут шарами р + (емітер), n (база), p (колектор), а польовий транзистор — шарами напівпровідника n (витік), п + (сток) і металевою пластиною (затвор). Напівпровідникові шари р + і p мають зовнішні висновки, за допомогою яких транзистор підключається до електронної схеми.

Для розробки статичних перетворювачів електроенергії на основі транзисторів IGBT немає необхідності детально знайомитися з параметрами складових елементів напівпровідникового приладу. Досить уявити IGBT прилад у вигляді звичайного трьохелектродної елементу, що має типові параметри і характеристики, які можна отримати з технічної документації конкретного тіпономінала. Саме тому ми більше не будемо зупинятися на розгляді різних внутрішніх структур IGBT приладів, а пе-

IGBT транзистори для силових перетворювачів . Техніка і Програми

Рис. 2.1.31. Внутрішня структура IGBT транзистора

рейдем до питань практичного використання цих транзисторів пристроїв перетворювальної техніки.

В першу чергу розробника пристроїв силової електроніки повинен цікавити наступне питання: «Яке положення по швидкодії, тобто швидкості включення і виключення, займає транзистор IGBT в порівнянні з транзисторами MOSFET і класичними біполярними транзисторами?» Однозначно можна сказати, що транзистор MOSFET перемикається швидше транзистори IGBT, але в разі порівняння з біполярним транзистором можна зробити ствердну висновок на користь того чи іншого приладу, і ось чому.

Обмеження швидкості перемикання біполярних транзисторів з ізольованим затвором, як і простих біполярних транзисторів, визначається кінцевим часом життя неосновних носіїв в їх базових областях. Якщо включення транзисторів відбувається досить швидко, то необхідність виділення деякого часу на розсмоктування неосновних носіїв у базовій області уповільнює процес відновлення їх непровідного стану (виключення). Для IGBT, процес вимикання якого в цілому схожий на аналогічний процес для транзистора типу MOSFET, значна затримка вимкнення пов’язана з так званим «струмовим хвостом», коли залишковий струм колектора продовжує здійснювати коливальні руху, наближаючись до нульового значення. Причина «токового хвоста» полягає в накопиченні заряду базовою областю та його поступовому розсмоктуванні при остаточному переході внутрішнього MOSFET у режим відсічки. Чим небезпечний «струмовий хвіст»? Тим, що він веде до збільшення теплових втрат і вимагає збільшення так званого «мертвого часу» (dead time) для полумостовой і мостових силових схем в проміжках між фазами провідності ключових елементів.

Фірми-виробники елементної бази зробили чимало зусиль для оптимізації процесів розсмоктування неосновних носіїв у базовій області IGBT приладів, однак ця задача виявилася настільки суперечливою за впливає чинникам, що вирішувати її довелося комплексно, тобто не тільки покращувати технологію виробництва, але і застосовувати схемотехнічні хитрощі. Звичайно, виробники елементної бази могли б залишити розробникам перетворювальної техніки можливість управління процесами розсмоктування неосновних носіїв, якщо б вивели назовні базу внутрішнього біполярного транзистора VT2. Але цей шлях знизив би споживчі якості транзисторів: занадто складно тоді бьшо б застосовувати їх у конкретних схемах. До того ж, як виявилося, виграш від такого рішення не настільки значний, тому цей базовий висновок традиційно роблять недоступним ззовні. Крім цього, вдалося виробити особливі технологічні прийоми, що дозволяють прискорити процес рекомбінації носіїв базової області, серед яких — зниження коефіцієнта підсилення транзистора VT2.

На жаль, у процесі оптимізації перемикаючих властивостей IGBT приладів виникло ще одне суттєве протиріччя: зниження коефіцієнта посилення значною мірою зменшує «струмовий хвіст», але збільшує напругу насичення відкритого транзистора, а значить, і статичні втрати у відкритому стані (втрати провідності). Збільшення коефіцієнта посилення, навпаки, знижує напругу насичення, але призводить до зростання «токового хвоста», а значить, і до росту втрат перемикання (динамічних втрат). Надмірне ж збільшення коефіцієнта може привести до різкого підвищення ймовірності виникнення замикання. До деякої міри з небезпечним ефектом вдається боротися, варіюючи опору Rb Rmod. Але ці проблеми цікавлять лише виробників, а розробникам перетворювальної техніки важливі тільки результати їх вирішення.

Джерело: Семенов Б. Ю. Силова електроніка: професійні рішення. — М. СОЛОН-ПРЕС, 2011. — 416 c. іл.

Короткий опис статті: силові транзистори Раніше ми називали MOSFET транзистори майже ідеальними приладами для використання у виробах силової електроніки. Зараз настав час повторити одну

Джерело: IGBT транзистори для силових перетворювачів | Техніка і Програми

Також ви можете прочитати