Силовые полупроводниковые приборы

К силовым полупроводниковым приборам относятся управляемые приборы, используемые в различных силовых устройствах: электроприводе, источниках питания, мощных преобразовательных установках и др. Силовые полупроводниковые приборы, как правило, работают в ключевом режиме. Основными требованиями, предъявляемыми к ним, являются:

- малые потери при коммутации;

- большая скорость переключения из одного состояния в другое;

- малое потребление по цепи управления;

- большой коммутируемый ток и высокое рабочее напряжение.

В настоящее время разработаны и выпускаются промышленностью мощные биполярные и полевые транзисторы, а также четырехслойные полупроводниковые 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).

Лучшие образцы современных силовых полупроводниковых приборов обеспечивают коммутацию токов до 1000 А при рабочем напряжении свыше 6 кВ. Быстродействие силовых приборов таково, что они могут работать на частотах до 1 МГц. Значительно снижена мощность управления силовыми ключами.

Рассмотрим основные типы силовых полупроводниковых приборов.

1.7.1 Тиристоры

Тиристором называется полупроводниковый прибор с тремя р-п-переходами и двумя устойчивыми состояниями (включен, выключен).

Во включенном состоянии тиристор подобен замкнутому ключу, а в выключенном – разомкнутому ключу.

Тиристор может содержать управляющий электрод. В этом случае он называется управляемым тиристором или просто тиристором. Тиристор без управляющего электрода называется динистором.

Структура динистора приведена на рисунке 1.41, а, а его условное графическое обозначение – на рисунке 1.41, б.

а б

Рисунок 1.41 – Структура и УГО динистора

Как видно из рисунка, динистор содержит четыре полупроводниковых слоя (области) с различными типами проводимости. Крайняя область р называется анодом, а другая крайняя область п – катодом.

Схему замещения динистора можно представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой. Деление динистора на составляющие транзисторы и схема замещения приведены на рисунке 1.42. При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а коллекторный ток второго транзистора является током базы первого. Благодаря такому внутреннему соединению внутри прибора организуется положительная обратная связь.

а б

Рисунок 1.42 – Схема замещения динистора

Если на анод динистора подано положительное напряжение по отношению к катоду, меньшее некоторого напряжения включения U_вкл, то переходы J₁ и J₃ (рисунок 1.41, а) будут смещены в прямом направлении, а переход J₂ – в обратном. Динистор находится в закрытом состоянии, ток через него не протекает (точнее, течет очень незначительный обратный ток). В этом случае все напряжение источника Е будет приложено к переходу J₂.

Чтобы открыть динистор, необходимо каким-то образом сместить переход J₂ в прямом направлении. Выведем условие отпирания динистора, используя его эквивалентную схему (рисунок 1.42, б). Ток I_дин, протекающий через открытый динистор, равен

. (1.30)

Учитывая, что

,

,

где a_ст1, a_ст2 – соответственно, статические коэффициенты передачи токов эмиттеров первого и второго транзисторов, I_КБО1, I_КБО2 – тепловые (обратные) токи коллекторных переходов транзисторов, можно записать

,

откуда окончательно получим

, (1.31)

где – общий обратный ток р-п-перехода J₂,

Статические коэффициенты передачи токов эмиттеров транзисторов изменяются при изменении режимов работы транзисторов. При малых токах транзисторов a_ст1 + a_ст2 << 1 и через динистор протекает незначительный ток I_дин » I_KБО.

При увеличении напряжения Е, приложенного к динистору, возрастает обратный ток I_КБО, а вместе с этим возрастают и коэффициенты a_ст1иa_ст2. Когда сумма a_ст1 + a_ст2 станет соизмеримой с единицей, ток I_дин резко возрастает и динистор переходит в открытое состояние. Поскольку токи баз транзисторов в схеме замещения соизмеримы с токами коллекторов, транзисторы переходят в режим насыщения, а это означает, что переход J₂ смещен в прямом направлении. Таким образом, в открытом динисторе все три р-п-перехода смещены в прямом направлении.

Для увеличения коэффициентов передачи тока a_ст1иa_ст2имеются два способа. Первый способ состоит в увеличении напряжения на динисторе. С ростом напряжения при U_дин = U_вкл один из транзисторов будет переходить в режим насыщения. Коллекторный 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 того, как оба транзистора откроются, динистор включится и ток I_дин будет ограничиваться только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на открытом динисторе меньше 2 В.

Вольт-амперная характеристика динистора приведена на рисунке 1.43.

Рисунок 1.43 – ВАХ динистора

Выключить динистор можно двумя способами: либо понизив ток в нем до значения I_выкл, либо поменяв полярность напряжения на аноде (уменьшив его до нуля).

Тиристор отличатся от динистора наличием вывода от одной из баз эквивалентных транзисторов Т1 или Т2 (управляющего электрода). 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. Расположение этих управляющих электродов и схематические обозначения тиристоров приведены на рисунке 1.44. Вольт-амперная характеристика тиристора приведена на рисунке 1.45. 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, тиристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения.

Рисунок 1.44 – Структуры и УГО тиристоров с катодным (слева) и

анодным (справа) управлением

Рисунок 1.45 – ВАХ тиристора

Как видно из рисунка 1.45, чем больше ток в цепи управляющего электрода, тем меньше должно быть напряжение между анодом и катодом для отпирания тиристора. После включения тиристора управляющий электрод теряет управляющие свойства. Это значит, что даже после снятия управляющего напряжения тиристор продолжает находиться во включенном состоянии.

Для выключения тиристора необходимо либо подать между анодом и катодом обратное напряжение, либо обеспечить ограничение тока в цепи анода до величины, меньшей тока удержания I_уд.

1.7.2 Симисторы

Симистор – это симметричный тиристор, который предназначен для коммутации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Структура симметричного тиристора приведена на рисунке 1.46, а, а его условное графическое обозначение – на рисунке 1.46, б. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. Вольт-амперная характеристика симистора приведена на рисунке 1.47.

а б

Рисунок 1.46 – Структура и УГО симистора

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.

Рисунок 1.47 – ВАХ симистора

Наряду с симисторами находят применение фотосимисторы – симисторы с фотоэлектронным управлением. В качестве примера рассмотрим устройство фотосимистора, выпускаемого фирмой «Сименс» под названием СИТАК. Структурная схема прибора СИТАК приведена на рисунке 1.48, а, а его условное графическое обозначение – на рисунке 1.48, б.

а б

Рисунок 1.48 – Структурная схема (а) и УГО (б) прибора СИТАК

СИТАК потребляет по входу управления светодиодом ток около 1,5 мА и коммутирует в выходной цепи переменный ток 0,3 А при напряжении до 600 В. Фотосимисторы 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 подключать СИТАК к выходу микропроцессоров и микро-ЭВМ. На рисунке 1.49 приведен пример подключения прибора СИТАК к микропроцессору для регулирования тока в нагрузке, подключенной к сети переменного напряжения 220 В при максимальной мощности до 66 Вт.

Рисунок 1.49 – Пример включения СИТАК в цепь управления

1.7.3 Биполярные транзисторы с изолированным затвором

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) на практике чаще называют IGBT – от английского словосочетания Insulated Gate Bipolar Transistor. IGBT – это гибридный полупроводниковый прибор, выполненный как сочетание входного полевого транзистора с изолированным затвором (ПТИЗ) и мощного выходного биполярного р-п-р-транзистора (БТ).

В IGBT совмещены два способа управления электрическим током, один из которых характерен для полевых транзисторов (управление электрическим полем), а второй – для биполярных транзисторов (управление инжекцией носителей зарядов).

Структура транзистора IGBT представлена эквивалентной схемой на рисунке 1.50, а, хотя на практике все элементы этой структуры реализованы на одном кристалле. Условное графическое обозначение IGBT показано на рисунке 1.50, б. Это обозначение подчеркивает его гибридность тем, что изолированный затвор изображается как в ПТИЗ, а электроды коллектора и эмиттера изображаются как у биполярного транзистора.

а б

Рисунок 1.50 – Эквивалентная схема (а) и УГО (б) БТИЗ

Структура, образованная из двух транзисторов Т1 и Т2, имеет глубокую внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзистора Т2 влияет на ток базы транзистора Т1, а ток коллектора транзистора Т1 определяет ток базы транзистора Т2. Из рисунка 1.50, а видно, что биполярные транзисторы Т1 и Т2 образуют рассмотренную выше эквивалентную схему тиристора. Эта схема может находиться в двух устойчивых состояниях: во включенном и выключенном.

Рассмотрим физические процессы, протекающие в IGBT. В нормальных условиях работы транзистор Т1 п-р-п-типа заперт и практически не оказывает влияния на работу IGBT. Основное назначение дополнительного р-п-перехода, образованного транзистором Т1 (который является эмиттерным переходом для транзистора Т2), состоит в инжекции дырок в нижний слой п-типа структуры IGBT, когда последний находится в открытом состоянии. Инжекция значительно уменьшает сопротивление этого слоя. В результате напряжение и_KЭ между коллектором и эмиттером IGBT в открытом состоянии значительно меньше по сравнению с напряжением между стоком и истоком соответствующего полевого транзистора. Именно меньшее напряжение в открытом состоянии является основным преимуществом IGBT по сравнению с полевым транзистором. Уменьшение напряжения приводит к пропорциональному снижению мощности, рассеиваемой транзистором. Преимущество IGBT особенно заметно при коммутации больших напряжений (около тысячи вольт и более), так как высоковольтные полевые транзисторы имеют повышенное значение сопротивления цепи сток-исток в открытом состоянии.

При подаче на вход IGBT отпирающего напряжения и_ЗЭ полевой транзистор VT открывается и в нем протекает ток стока I_С, открывающий транзистор Т2. Основная область применения IGBT – ключевые схемы. Одним из важных условий применения IGBT является обеспечение в открытом состоянии транзистора тока I_К, не превышающего предельно допустимого значения. В аварийном для IGBT режиме работы схема на транзисторах Т1 и Т2 может включиться (аналогично динистору), после чего он становится неуправляемым и может выйти из строя.

На рисунке 1.51 приведены вольт-амперные характеристики IGBT, которые показывают значительное увеличение крутизны «омического» участка по сравнению с этим участком на ВАХ ПТИЗ. Так, например, для транзистора BUP402 получено значение крутизны 15 А/В.

Рисунок 1.51 – ВАХ биполярного транзистора с изолированным затвором

Область безопасной работы (ОБР) IGBT (на рисунке показана штриховыми линиями) подобна аналогичной области ПТИЗ, то есть в ней отсутствует участок вторичного пробоя, характерный для биполярных транзисторов. На рисунке 1.51 приведена ОБР транзистора типа IGBT с максимальным рабочим напряжением 1200 В при длительности импульса 10 мкс. 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 ... 6 В.

Быстродействие IGBT несколько ниже быстродействия полевых транзисторов, но значительно выше быстродействия биполярных транзисторов. Исследования показали, что для большинства транзисторов типа IGBT время включения и выключения при работе в ключевом режиме не превышает 0,5 ... 1,0 мкс.

Изготавливаемые в настоящее время IGBT могут работать в цепях, в которых токи достигают до 2000 А, а напряжения – до 6000 В. При этом падение напряжения между коллектором и эмиттером насыщенного транзистора не превышает 3 В.

Большинство IGBT выпускаются в литом пластиковом корпусе на цельной монтажной пластине, которая служит контактной средой для отвода тепла. Обычно на одной пластине размещается большое число параллельно соединенных IGBT относительно небольшой мощности.

IGBT зарекомендовали себя как устройства преобразования энергии в асинхронных двигателях мощностью свыше 20 000 кВт и в устройствах электродуговой сварки мощностью свыше 100 МВт.

1.7.4 Статический индукционный транзистор

Статический индукционный транзистор (SIT – Static Induction Transistor) представляет собой полевой транзистор с управляющим р-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.

Упрощенная структура SIT показана на рисунке 1.52. Условное графическое обозначение такого транзистора аналогично УГО полевого транзистора с управляющим р-п-переходом.

Рисунок 1.52 – Упрощенная структура статического

индукционного транзистора

Области полупроводника р-типа имеют форму цилиндров, диаметр которых составляет единицы микрометров и более. Эта система цилиндров играет роль затвора. Каждый цилиндр подсоединен к электроду затвора. Пунктиром на рисунке обозначены области р-п-переходов. Реально число каналов может составлять тысячи.

В настоящее время имеются две разновидности статических индукционных транзисторов – SIT и BSIT (Bipolar SIT, то есть биполярный статический индукционный транзистор).

SIT представляет собой нормально открытый прибор с управляющим р-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 и_ЗИ отрицательной полярности, прикладываемого между затвором и истоком. Существенной особенностью такого транзистора является возможность значительного снижения сопротивления канала R_СИ в открытом состоянии пропусканием тока затвора при его прямом смещении. Это сопротивление составляет 0,025 … 0,1 Ом.

SIT, как и ПТИЗ, имеет большую емкость затвора, перезаряд которой требует значительных токов управления. Достоинством SIT по сравнению с биполярными транзисторами является повышенное быстродействие. Время включения практически не зависит от режима работы и составляет 20 ... 25 нс при задержке не более 50 нс. Время выключения зависит от соотношения токов стока и затвора.

Для снижения потерь в открытом состоянии транзистора SIT 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, которая может составлять от 20 нс до 5мкс.

Специфической особенностью SIT, 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.

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

Характеристики некоторых SIT и BSIT приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3

Несмотря на высокие характеристики SIT и BSIT, они уступают ПТИЗ по быстродействию и мощности управления.

Типовые вольт-амперные характеристики SIT приведены на рисунке 1.53. Такие ВАХ характерны для электровакуумных триодов, поэтому их называют триодными.

Как видно из рисунка 1.53, ветви выходных ВАХ SIT имеют достаточно большую крутизну, что свидетельствует о малых значениях выходного дифференциального сопротивления транзистора при его нахождении в открытом состоянии.

Рисунок 1.53 – ВАХ статического индукционного транзистора

Вопросы для самоконтроля

1.8.1 С какой целью в полупроводниковый материал добавляют примесь?

1.8.2 В каком случае примесь называется донорной, а в каком акцепторной?

1.8.3 Что называется р-п-переходом?

1.8.4 Что называется контактной разностью потенциалов? Чему равна контактная разность потенциалов в р-п-переходе на основе кремния и германия?

1.8.5 В чем состоят различия между выпрямительным диодом и стабилитроном?

1.8.6 Привести классификацию полупроводниковых диодов.

1.8.7 От чего зависит ток коллектора транзистора?

1.8.8 Зависит ли коэффициент b_ст от тока коллектора? Если да, то насколько существенна эта зависимость? Обосновать ответ.

1.8.9 На семействе выходных ВАХ биполярного транзистора показать область насыщения и область отсечки коллекторного тока.

1.8.10 Что оказывает большее влияние на ток коллектора – ток базы или напряжение коллектор-эмиттер?

1.8.11 Изобразить УГО транзисторов р-п-р- и п-р-п-типов.

1.8.12 Какими математическими соотношениями связаны токи биполярного транзистора?

1.8.13 Как подключают источники напряжения к переходам база-эмиттер и база-коллектор в активном режиме работы транзистора?

1.8.14 Пояснить устройство и особенности функционирования полевого транзистора с управляющим р-п-переходом.

1.8.15 Пояснить устройство и особенности функционирования полевых транзисторов с изолированным затвором.

1.8.16 Привести УГО всех типов полевых транзисторов.

1.8.17 Пояснить устройство и особенности функционирования тиристора.

1.8.18 Привести УГО транзисторов типа IGBT и SIT, пояснить особенности их устройства и функционирования.