Раздел: Документация
0 1 2 3 4 5 ... 49 1.1.2. СИЛОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Биполярные транзисторы. Этот тип приборов длительный период времени был практически единственным полностью управляемым силовым полупроводниковым ключевым элементом. Основой биполярного транзистора является трехслойная полупроводниковая структура, в которой чередуются слои с электропроводностью р- и л-типа. Наличие в структуре двух типов полярностей и обусловило термин «биполярный». Средний слой структуры биполярного транзистора может быть изготовлен как с электропроводностью р-, так и «-типа (тогда соответственно транзисторы называются р -п -р или п -р -п типа). На рис. 1.4 а, б представлены структура, символические обозначения и внешние цепи транзисторов р-п-р и п-р-п типов. Для работы транзисторов в усилительном или ключевом режиме к р-п переходам прикладываются внешние напряжения. В транзисторе типа р -п -р левая область -является источником потока дырок и называется эмиттером (Е), а правая, которая собирает инжектированные дырки,— коллектором (С). Средняя область называется базой (В). В транзисторе п-р-п, наоборот, правая область является эмиттером, а левая коллектором. Для того чтобы в цепях коллектора и эмиттера начал протекать ток, необходимо на эмиттерный р-п переход подать прямое напряжение, а на коллекторный — обратное. При этом значение коллекторного тока зависит от значения, тока базы. Следовательно, транзистор является полностью управляемым прибором. Вольт-амперные характеристики тока коллектора /с в функции напряжения между коллектором и эмиттером иСв при разных значениях тока базы приведены на рис. 1.5. В преобразовательных устройствах силовые транзисторы обычно используются в качестве ключевых элементов, т. е. работают в режиме переключения из области насыщения (соответствует включенному состоянию — кривая А) в область отсечки (вы- р \ п \ р I -о с с о-
т £ + о- г -о- с + о- £ -о — 2 а)В 5) Рис. 1.4. Структуры и внешние цепи биполярных транзисторов  Рис. 1.5. Вольт-амперные харак- Рис. 1.6. Диаграммы изменения тока, на-теристики биполярного транзи- пряжения и мощности транзистора при сторапереключении: а—диаграммы тока коллектора 1С и напряжения коллектор-эмиттер UCe\ б—диаграмма мгновенного значения мощности Рт ключенное состояние—кривая Б). Рабочая точка при этом находится либо на кривой А, либо на кривой Б; соответственно ее положение определяет в первом случае падение напряжения на полностью открытом транзисторе, а во втором — ток утечки закрытого транзистора. Основными параметрами, используемыми при выборе типа силового биполярного транзистора, являются следующие: максимально допустимый импульсный ток коллектора; максимально допустимое импульсное напряжение коллектор — эмиттер; статический коэффициент передачи тока; максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коялектора; времена включения и выключения, определяющие быстродействие транзистора в ключевых режимах. Силовые биполярные транзисторы обычно изготавливаются на основе кремния и обозначаются по действующим стандартам буквами ТК и далее набором цифр, характеризующих конструктивное исполнение, допустимые значения токов и напряжений, значение напряжения насыщения и т. д. [2 ]. Например, транзистор ТК 152-80-3-1 имеет штыревое исполнение с жестким выводом, допустимый импульсный ток коллектора 80 А, класс напряжения 3 (300 В) и группу по напряжению насыщения 1 (0,6 В). При использовании силовых транзисторов в качестве ключевых элементов следует учитывать, что на интервалах переключения из открытого состояния в закрытое и наоборот в структуре транзистора выделяется повышенная мощность. Это обусловлено конечными значениями времен спадания и нарастания тока и напряжения на транзисторе (рис. 1.6 а, б). Зависимости, характеризующие изменения токов и напряжений  + о Рис. 1.7. Включение дополнительных цепей, формирующих траекторию переключения транзистора на интервалах коммутации, называются траекториями переключения. Для исключения выхода из строя транзистора из-за превышения выделяемой при переключениях мощности принимают специальные схемотехнические меры, изменяющие траектории переключения таким образом, "что выделяемая при переключениях мощность уменьшается. Кроме того, при использовании транзистора в импульсном режиме, особенно при повышенных частотах, значения коммутируемых токов и напряжений должны быть значительно меньше предельно допустимых. Обычно они соответствуют 50—60% от предельно допустимых значений. В целом указанные меры принимаются для обеспечения работы транзисторов в так называемой области безопасной работы. Эта область обычно определяется экспериментально для определенного типа транзистора с учетом конкретных условий его использования. В качестве примера на рис. 1.7 представлена схема транзистора vs с цепью, формирующей траекторию переключения. Конденсатор с этой цепи затягивает нарастание напряжения на транзисторе, а реактор l ограничивает скорость нарастания тока при включении. Резисторы rt и r2 поглощают энергию, накопленную в этих элементах при коммутации. Диод vd отделяет цепь сброса энергии реактора l от ЛС-цепи. Увеличение длительности фронтов нарастания напряжения и тока при выключении и включении транзистора приводит к уменьшению мгновенных значений мощности, выделяемой при коммутации. При определенных параметрах цепи мощность может быть равна нулю. Однако очевидно, что этот эффект достигается ухудшением частотных свойств ключевого элемента. Кроме того, наличие ЛС-цепи усложняет ключевой элемент и приводит к выделению активной мощности в активных ее элементах.- В настоящее время разработано много типов силовых биполярных транзисторов в монокристальном исполнении. В то же время некоторые зарубежные фирмы продолжают направлять свои усилия ,на дальнейшее совершенствование этих приборов. В результате в настоящее время появились новые образцы транзисторов с коммутируемой мощностью до 100 кВт при напряжениях до 1000 В. Силовые МОП-транзисторы. Существенным недостатком силовых биполярных транзисторов является большое значение токов управления ими, а также относительно низкое быстродействие. Развитие новых технологий в области полупроводниковых приборов привело к созданию силовых МОП-транзисторов, которые начинают успешно конкурировать с биполярными транзисторами в области силовой электроники. Силовые МОП-транзисторы (выполненные на основе металл— оксид—проводник) относятся к классу полевых транзисторов, в которых управление осуществляется электрическим полем. Полевые транзисторы являются униполярными приборами, так как протекание тока в них обусловлено перемещением носителей заряда одного знака в продольном электрическом поле. Регулирование значением тока осуществляется поперечным электрическим полем, а не током, как в биполярных транзисторах. Это обусловливает высокое входное сопротивление полевых транзисторов. В структуре МОП-транзистора можно выделить две сильнолегированные области противоположного типа проводимости по сравнению с остальным слоем чистого или слаболегированного кремния, называемого подложкой. Эти две области являются электродами полевого транзистора для подключения к основной силовой цепи и называются сток d и исток s (рис. 1.8,а). Управляющий электрод—затвор G изолирован or подложки слоем диэлектрика (оксидом кремния для МОП-транзисторов). Подачей управляющего напряжения на затвор транзистора за счет создаваемого электрического щрля в структуре транзистора осуществляется управление значением тока стока. Четвертый электрод МОП-транзисторов— подложка в большинстве схем соединяется с истоком. На рис. 1.8.,б представлена статическая характеристика МОП-транзистора со встроенным проводящим каналом п -типа.  uns °a.s нас  Рис. 1.8. Статические характеристики моп-транзистора с каналом и-типа: а— условное обозначение транзистора, 6—входаая характеристика; в—выходные характеристики Из рис. 1.8, в видно, что выходные характеристики МОП-транзистора подобны выходным характеристикам пентода. Без подачи напряжений на электроды сопротивление сток—исток велико и соответствует сопротивлению двух встречно включенных диодов при нулевом смещении. При подаче на затвор напряжения UGS через проводящий слой будет протекать ток, если приложить также напряжение между стоком и истоком. Увеличение последнего приводит к перекрытию проводящего канала у стока и к насыщению его тока. Дальнейшее увеличение напряжения UD)S практически не влияет на значение выходного тока /с. Полевой транзистор с проводящим каналом р -типа управляется подачей отрицательных напряжений на затвор и сток относительно истока. Особенностью МОП-транзисторов является не только высокое входное сопротивление (что соответствует повышенному коэффициенту усиления по мощности управления), но и высокое быстродействие. Время переключения современных МОП-транзисторов лежит в диапазоне единиц наносекунд. Такая скорость переключения обусловлена тем, что в них практически исключены токи накопленных зарядов неосновных носителей. Кроме того, по сравнению с биполярными транзисторами силовые МОП-транзисторы имеют лучшие выходные характеристики для обеспечения параллельной работы. В то же время следует отметить большое значение входной емкости и повышенное сопротивление в проводящем состоянии МОП-транзистора. Повышение коммутируемой мощности силовых МОП-транзисторов потребовало значительных усилий многих разработчиков по исследованию различных структур МОП-транзисторов и совершенствованию технологии их производства. В настоящее время благодаря развитию высокоточной технологии полупроводников допустимые значения напряжений и токов силовых МОП-транзисторов существенно возросли. Наиболее типичными являются приборы с коммутируемым током в десятки ампер и напряжением до 500 В. При этом сопротивление во включенном состоянии находится в диапазоне 0,2—0,5 Ом. Отдельные зарубежные фирмы сообщают о разработках на значительные теки и повышенные напряжения МОП-транзисторов с малым сопротивлением во включенном состоянии. Так, например, & [3] сообщается о разработке приборов на токи до 200 А при сопротивлении 0,024 Ом. Биполярные транзисторы с изолированным затвором. Достоинства и недостатки силовых биполярных транзисторов и МОП-транзисторов обусловили. поиск решений в области создания новых силовых транзисторов. Работы в этом направлении, начавшиеся на основе гибридной технологии, в целях объединения двух приборов в одном кристалле в дискретном виде не принесли значительных успехов. Поэтому были начаты исследования по обеспечению стандартных функций этих приборов в одном кристалле. В результате был создан новый прибор — биполярный транзистор с изолированным затвором*. Этот новый тип транзистора сочетает высокое входное сопротивление МОП-транзисторов с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном состоянии биполярных транзисторов. Структура этого транзистора аналогична структуре силового МОП-транзистора за исключением того, что имеет дополнительный слой со стороны стока с соответствующим типом проводимости [4]. Первые образцы этих приборов имели относительно низкое быстродействие. Однако использование специальных технологических операций по управлению временем жизни неосновных носителей позволило уменьшать время переключения до десятых долей микросекунды. В результате были созданы промышленные образцы транзисторов на напряжение до 800 В и токи до 50 А, способные эффективно работать на повышенных частотах. При этом новые приборы обладают такими положительными качествами, как малая мощность сигнала управления, способность выдерживать высокие обратные напряжения и хорошие температурные характеристики. Интенсивное освоение промышленностью этих приборов и тенденция улучшения технических характеристик позволяют прогнозировать их лидирующее положение в области силовых транзисторов. \ ,1.1.3. ТИРИСТОРЫ * Силовыми полупроводниковыми приборами, отличающимися высокими значениями коэффициентов усиления по току управления (более 1000), а также большими значениями рабочих токов и напряжений, являются тиристоры. Наиболее распространенным полупроводниковым прибором в силовой электронике в настоящее время является тиристор. Это по существу ключевой полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью и неполной управляемостью, включающийся по сигналу управления, а выключающийся при спадании прямого тока до нуля. Основой тиристора является полупроводниковая структура, в которой чередуются слои с р- и «-типами проводимости (рис. 1.9). Прибор имеет три вывода, соответствующих аноду А, катоду С и управляющему электроду G. * Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) (биполярный транзистор с изолированным затвором). 0 1 2 3 4 5 ... 49
|
