Лекція 6. Силові напівпровідникові прилади До силовим напівпровідниковим приладам ставляться керовані прилади, використовувані в різних силових пристроях:
електроприводі, джерелах живлення, потужних перетворювальних установках та ін Для зниження втрат ці прилади в основному працюють у ключовому режимі. Основні вимоги, які пред'являються до силових приладів, зводяться до наступних:
•
малі втрати при комутації;
• велика швидкість перемикання з одного стану в інший;
• мале споживання по ланцюгу управління;
• великий струм, що комутується та високу робочу напругу.
Силова
електроніка безперервно розвивається і силові прилади безперервно вдосконалюються. Розроблено і випускаються прилади на струми до 1000 А і робоча напруга понад БКВ. Швидкодія силових приладів таке, що вони можуть працювати на частотах до 1 МГц. Значно знижена потужність управління
силовими ключами.
Розроблено і випускаються потужні біполярні і уніполярні транзистори.
Спеціально для цілей силової електроніки розроблені і випускаються потужні чотиришарові прилади -
тиристори й симистора. До останніх досягнень силової електроніки відноситься розробка нових типів транзисторів: з статичною
індукцією (ЗВТ та БСІТ) і біполярних транзисторів з ізольованим затвором (БТІЗ). Нові типи транзисторів можуть комутувати струми понад 500 А при напрузі до 2000В. На відміну від
тиристорів ці прилади мають повне управління, висока швидкодія і мале споживання по ланцюгу управління.
Тиристори діляться на дві групи: діодні
тиристори (діністори) і тріод-ні (тиристори). Для комутації ланцюгів змінного струму розроблені спеціальні симетричні тиристори - симистора.
Діністори. Динистор називається двохелектродні прилад діодного типу, що має три ^ - «-переходу. Крайня область Р називається анодом, а інша крайня область N - катодом. Структура динистора наведена на рис. 6.1 а. Три ^-і-переходу динистора позначені як j), 7е і Уз.
Схему заміщення динистора можна представити у вигляді двох тріодних структур, з'єднаних між собою. При такому з'єднанні колекторний струм першого транзистора є струмом бази другого, а колекторний струм другого транзистора є струмом бази першого. Завдяки цьому внутрішньому з'єднанню всередині приладу є позитивний зворотний зв'язок.
Якщо на анод подано позитивне напруга по відношенню до катода, то переходи J \ і / е будуть зміщені в прямому напрямі, а перехід Ji - у зворотному, тому всі напруга джерела Е буде докладено до переходу Ji. Приймемо, що коефіцієнти передачі по струму емітера транзисторів П і 72 мають значення oti і о; відповідно. Користуючись схемою заміщення, наведеної на рис. 6.2 б, знайдемо струм через перехід Ji, який дорівнює сумі струмів колекторів обох транзисторів і струму витоку / до цього переходу:
Ij 2 = a 1 I j 1 + a 2 I a 2 + I ko (6.1)
Струм в зовнішньому ланцюзі дорівнює I, ^ = iл
= J ln
= I, тому після підстановки / в (4.1) знайдемо
I (1 - a
1 - a
2) = I
ko, звідки одержимо значення зовнішнього струму
I = I ko / I - (a 1 + a 2) 6.2
Поки виконується умова (cti + ct2) Для збільшення коефіцієнтів передачі струму Cti або Од є два способи. За першим способом можна збільшувати напругу на динисторе. З ростом напруги t / = Ј /, ", один з транзисторів буде переходити в режим насичення.
Колекторні струм цього транзистора, протікаючи в ланцюзі бази другого транзистора, відкриє його, а останній, у свою чергу, збільшить струм бази першого. У результаті колекторні струми транзисторів будуть лавиноподібно наростати, поки обидва транзистора не перейдут.в режим насичення.
Після включення транзисторів діністор замкнеться і струм / буде обмежуватися тільки опором зовнішнього ланцюга. Падіння напруги на відкритому приладі менше 2В, що приблизно дорівнює падінню напруги на звичайному діоді.
Вимкнути діністор можна, знизивши струм в ньому до значення 7 викл або помінявши полярність напруги на аноді.
Тиристор. Другий спосіб включення чотиришаровій структури реалізований в тиристорі. Для цього в ньому є висновок від однієї з баз еквівалентних транзисторів Г] або Г;. Якщо подати в одну з цих баз струм управління, то коефіцієнт передачі
відповідного транзистора збільшиться і відбудеться включення тиристора.
У залежності від розташування керуючого електрода (УЕ) тиристори діляться на тиристори з катодним
управлінням і тиристори з анодним управлінням. Вона відрізняється від характеристики динистора тим, що напруга включення регулюється зміною струму в ланцюзі керуючого електрода. При збільшенні струму управління знижується напруга включення. Таким чином, ті-Рісторі еквівалентний діністор з керованим напругою живлення.
Після включення керуючий електрод втрачає управляючі властивості і, отже, з його допомогою вимкнути тиристор можна. Основні схеми виключення Тіріс-тора такі ж, як і для динистора.
Як діністори, так і тиристори схильні мимовільного включення при швидкій зміні напруги на аноді. Це явище отримало назву «ефекту dU / dt». Воно пов'язане із зарядом ємності переходу Сд при швидкій зміні напруги на аноді
тиристора (або динистора): ici = CidU / dt. Навіть при невеликій напрузі на аноді тиристор може включитися при великій швидкості його зміни.
Умовне позначення діністоров і тиристорів містить інформацію про матеріал напівпровідника (буква К), позначенні типу приладу: (діністор - буква Н, тиристор - буква У), класі по потужності (1 - струм анода <0, ЗА, 2 - струм анода> 0 , ЗА) та порядковому номері розробки. Наприклад, діністор КН102-кремнієвий, малої потужності; тиристор КУ202 - кремнієвий, великої потужності.
До основних параметрів діністоров і тиристорів відносяться:
• допустимий зворотне напруга t / ogp;
• напруга у відкритому стані (/ "р при заданому прямому струмі;
• допустимий прямий струм / пр;
• часи включення <"ц, і виключення / викл-При включенні тиристора струмом управління після подачі імпульсу струму / у,, у керуючий електрод проходить деякий час, необхідний для включення тиристора. Криві миттєвих значень струмів і напруг у тиристорі при його включенні на резистивную навантаження наведено на рис. 6.7.
Процес наростання струму в тиристорі починається через деякий час затримки <вд, яке залежить від амплітуди імпульсу струму управління / у, - При досить великому струмі управління, час затримки досягає часткою мікросекунди (від 0,1 до 1 ... 2мкс).
Потім відбувається наростання струму через прилад, який зазвичай називають часом лавинного наростання. Цей час істотно залежить від початкового прямого напруги 1 / "р" на тиристорі і прямого струму / "р через включений тиристор. Включення тиристора зазвичай здійснюється імпульсом струму управління. Для надійного включення тиристора необхідно, щоб параметри імпульсу струму управління: його амплітуда / у "тривалість <" у, швидкість наростання dly / dt
відповідали певним тре-Рис. 6.7. Перехідні процеси при включенні гам, які забезпечують тиристора включення тиристора в заданих умовах. Тривалість імпульсу струму управління повинна бути такою, щоб до моменту його закінчення анодний струм тиристора був більше струму утримання 7, уд.
Якщо тиристор вимикається додатком зворотної напруги С / ОВР, то процес виключення можна розділити на дві стадії: час відновлення зворотного опору (обидва і час вимкнення 1. ^. Після закінчення часу відновлення <ов. Струм у тиристорі досягає нульового значення, однак він не витримує програми прямого напруги. Тільки через час t ™, до Тіріс-тору можна повторно прикладати пряму напругу С/про-
Втрати в тиристорі складаються з втрат при протіканні прямого струму, втрат при протіканні зворотного струму, комутаційних втрат і втрат в ланцюзі управління. Втрати при протіканні прямого і зворотного струмів розраховуються так само, як в діодах. Комутаційні втрати і втрати в ланцюзі управління залежать від способу включення і виключення тиристора.
Симистор - це симетрична тиристор, який призначений для комутації в ланцюгах змінного струму.
Він може використовуватися для створення реверсивних випрямлячів або регуляторів змінного струму.
Напівпровідникова структура симистора містить п'ять шарів
напівпровідників з різним типом провідності і має більш складну конфігурацію у порівнянні з тиристором.
Як випливає з вольт-амперної характеристики симистора, прилад включається в будь-якому напрямку при подачі на керуючий електрод УЕ позитивного імпульсу управління. Вимоги до імпульсу управління такі ж, як і для тиристора. Основні характеристики симистора і система його позначень такі ж, як і для тиристора. Симистор можна замінити двома
зустрічно паралельно включеними
тиристорами із загальним електродом управління. Так, наприклад, симистор КУ208Г може комутувати змінний струм до 10 А при напрузі до 400В. Отпирающий струм в ланцюзі керування не перевищує 0,2 А, а час включення - не більше Юмкс.
Фототиристори і фотосімістори - це тиристори й симистора з фотоелектронним управлінням, в яких керуючий електрод замінений інфрачервоним світло-діодом і фотоприймачем зі схемою управління. Основною перевагою таких приладів є гальванічна розв'язка ланцюга управління від силового ланцюга. В якості прикладу розглянемо пристрій фотосімістора, що випускається фірмою «Сіменс» під назвою Сітак.
Такий прилад споживає по входу управління світлодіодом струм близько 1,5 мА і комутує у вихідному ланцюзі змінний струм 0,3 А при напрузі до 600 В. Такі прилади знаходять широке застосування в якості ключів змінного струму з ізольованим управлінням. Вони також можуть використовуватися при управлінні більш потужними тиристорами або симистора, забезпечуючи при цьому гальванічну розв'язку ланцюгів управління. Мале споживання ланцюга управління дозволяє включати Сітак до виходу
мікропроцесорів і мікро-ЕОМ.
Біполярні транзистори з ізольованим затвором (БТІЗ) виконані як поєднання вхідного униполярного (польового) транзистора з ізольованим затвором (ПТІЗ) і вихідного біполярного п-р-і-транзистора (БТ). Є багато різних способів створення таких приладів, однак найбільше поширення отримали прилади IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), в яких вдало поєднуються особливості польових транзисторів з вертикальним каналом і додаткового біполярного транзистора.
При виготовленні польових транзисторів з ізольованим затвором, що мають вертикальний канал, утворюється паразитний біполярний транзистор, який не знаходив практичного застосування. Схематичне зображення такого транзистора наведено на рис. 6.12 а. На цій схемі VT - польовий транзистор з ізольованим затвором, П - паразитний біполярний транзистор, і, - послідовне опір каналу польового транзистора, R ^ - опір, шунтуючі перехід база-емітер біполярного транзистора П. Завдяки опору Ri біполярний транзистор замкнутий і не робить істотного впливу на роботу польового транзистора VT. Вихідні вольт-амперні характеристики ПТІЗ, наведені на рис. 6.12 б, характеризуються крутизною S і опором каналу Ri.
Структура транзистора IGBT аналогічна структурі ПТІЗ, але доповнена ще одним р-і-переходом, завдяки якому у схемі заміщення (рис. 6.12 в) з'являється ще один />-п-р-транзистор 72.
Новоутворена структура з двох транзисторів 71 і 72 має глибоку внутрішню позитивний зворотний зв'язок, тому що струм колектора транзистора 72 впливає на струм бази транзистора Т \, а струм колектора транзистора 71 визначає струм бази транзистора 72. Приймаючи, що коефіцієнти передачі струму емітера транзисторів 71 і 72 мають значення cii і о; відповідно, знайдемо / к2 = / Е2 "2> • ^ 1 = ^ Е1" 2 і I, = I ^ + I ^ + Ic. З останнього рівняння можна визначити струм стоку польового транзистора
I c = I j (I - a 1 - a 2) (6.3)
Оскільки струм стоку / с ПТІЗ можна визначити через крутизну 5 і напруга U, на затворі Ic = SU, визначимо струм IGBT транзистора
I k = I j = SU j / I - (a 1 - a 2) = S j U j (6.4)
де 5Е = 57 [1 - (СС1 + а2)] - еквівалентна крутизна біполярного транзистора з ізольованим затвором.
Очевидно, що при ai + oc ^ l еквівалентна крутість значно перевищує крутизну ПТІЗ. Регулювати значення Oi і з ^ можна зміною опорів R ^ і ri при виготовленні транзистора. На рис. 6.12 г наведені вольт-амперні характеристики IGBT транзистора, які показують значне збільшення крутизни в порівнянні з ПТІЗ. Так, наприклад, для транзистора BUP 402 отримано значення крутизни 15 А / В.
Рис б 12 Схема заміщення ПТІЗ з вертикальним каналом (а) і його вольт-амперні характеристики (б), схема заміщення транзистора типу IGBT (в) і його вольт-амперні характеристики (г)
Іншою перевагою IGBT транзисторів є значне зниження послідовного опору і, отже, зниження падіння напруги на замкнутому ключі. Останнє пояснюється тим, що послідовне опір каналу J? Z шунтується двома насиченими транзисторами 71 і 72, включеними послідовно.
Область безпечної роботи БТІЗ подібна ПТІЗ, тобто в ній відсутня ділянка вторинного пробою,
характерний для біполярних транзисторів. Оскільки в основу транзисторів типу IGBT покладені ПТІЗ з індукованим каналом, то напруга, що подається на затвор, повинно бути більше порогового напруги, яке має значення 5 ... 6В.
Швидкодія БТІЗ трохи нижче швидкодії польових транзисторів, але значно вище швидкодії біполярних транзисторів. Дослідження показали, що для більшості транзисторів типу IGBT часи включення і виключення не перевищують 0,5 ... 1,0 мкс.
Статичний індукційний транзистор (СІТ) представляє собою польовий транзистор з керуючим / »-п-переходом, який може працювати як при зворотному зміщенні затвора (режим польового транзистора), так і при прямому зміщенні затвора (режим біполярного транзистора). У результаті змішаного управління відкритий транзистор управляється струмом затвора, який в цьому випадку працює як база біполярного транзистора, а при запиранні транзистора на затвор подається зворотне замикаючий напругу. На відміну від біполярного транзистора зворотна напруга, що подається на затвор транзистора, може досягати 30 В, що значно прискорює процес розсмоктування неосновних носіїв, які з'являються в каналі при прямому зміщенні затвора.
В даний час є два різновиди ЗВТ транзисторів. Перший різновид транзисторів, званих просто ЗВТ, являє собою нормально відкритий прилад з керуючим / »-п-переходом. У такому приладі при нульовій напрузі на затворі ланцюг стік-витік знаходиться в проводяться стані.
Переклад транзистора в непроводящее стан здійснюється за допомогою замикаючого напруги <7ц, негативної полярності, прикладається між затвором і витоком. Суттєвою особливістю такого ЗВТ транзистора є можливість значного зниження опору каналу Rca в проводяться стані пропусканням струму затвора при його прямому зміщенні.
Таблиця 6.1 Порівняльні характеристики ЗВТ та БСІТ транзисторів
Тип транзистора
|
Пристрій
|
Напруга, В
|
Струм стоку, А
|
Напруга відсічення, У
|
Час розсмоктування, ікс
|
КП926
|
ЗВТ
|
400
|
16
|
-15
|
<5
|
КП955
|
БСІТ
|
450
|
25
|
0
|
<1,5
|
КП810
|
. БСІТ
|
1300
|
7
|
0
|
<3
|
ЗВТ транзистор, як і ПТІЗ, має велику ємність затвора, перезаряд якої потребує значних струмів управління. Перевагою ЗВТ в порівнянні з біполярними транзисторами є підвищену швидкодію. Час включення практично не залежить від режиму роботи і становить 20 ... 25 не при затримці не більше 50нс. Час вимкнення залежить від співвідношення струмів стоку і затвора.
Для зниження втрат у відкритому стані ЗВТ вводять в насичене стан подачею струму затвора. Тому на етапі виключення, так само як і в біполярному транзисторі, відбувається процес розсмоктування неосновних носіїв заряду, накопичених у відкритому стані. Це призводить до затримки виключення і може лежати в межах від 20нс до 5мкс.
Специфічною особливістю ЗВТ транзистора, що утруднює його застосування в якості ключа, є його нормально відкритий стан при відсутності керуючого сигналу. Для його замикання необхідно подати на затвор негативна напруга зсуву, яка повинна бути більше напруги відсічки.
Цього недоліку позбавлені БСІТ транзистори, в яких напруга відсічення технологічними прийомами зведено до нуля. Завдяки цьому БСІТ транзистори при відсутності напруги на затворі замкнені, так само як і біполярні транзистори, що і відображено в назві транзистора-біполярні ЗВТ транзистори.
Оскільки ЗВТ та БСІТ транзистори відносяться до розряду польових транзисторів з керуючим / »-і-переходом, їх схематичне зображення та умовні позначення такі ж. Таким чином, визначити ЗВТ транзистори можна тільки за номером розробки, що досить важко, якщо немає довідника.
Незважаючи на високі характеристики ЗВТ та БСІТ транзисторів, вони поступаються ПТІЗ за швидкодією і потужності керування. Типові вольт-амперні характеристики ЗВТ транзистора наведено на рис. 6.14. До достоїнств ЗВТ транзисторів слід віднести малий опір каналу у відкритому стані, що складає 0,1 ... 0,025 Ом.
Лекція 7. Граничні режими роботи транзисторів Параметри граничних режимів.
Гранично допустимі режими роботи транзисторів визначаються максимально допустимими напругами і струмами, максимальної розсіюваною потужністю і допустимою температурою корпусу приладу. Основними причинами, що викликають
вихід транзистора з ладу або порушення нормальної роботи схеми в результаті зміни основних параметрів транзисторів, можуть бути: занадто висока зворотна напруга на одному з переходів і перегрів приладу при збільшенні струму через переходи.
У довідкових даних на транзистори звичайно обумовлюються граничні експлуатаційні параметри:
• максимально допустимий постійна напруга колектор-емітер і ^ умшс
АБО СТОК-ІСТОК Цж.махс;
• максимально допустимий імпульсна напруга колектор-емітер
^.«.. Макс АБО СТОК-ІСТОК Ј / ch. ». N.kc;
• постійний або імпульсний струми колектора / "." Акс і /. (. Інку і такі ж значення струму стоку польових транзисторів;
• постійний або імпульсний струми бази / б.макс І / б.і.макс;
• постійне або імпульсна напруга на затворі Уз. «Акс і (/ з.і.макс;
• постійна чи імпульсна розсіює потужність колектора Л.макс або Дс.і.нако або аналогічні потужності, що розсіюється стоками / 'с.макс і ^ с.я.мако
• гранична температура переходу Т,, ^ або корпусу приладу Г ».,^. Всі перераховані параметри граничних режимів обумовлені розвитком одного з видів пробою: по напрузі - лавинного, по струму - токового або
теплового, по потужності - викликаного досягненням максимальної температури переходу.