Силовые полупроводниковые ключи

Лекция 13

Силовые полупроводниковые ключи

Полупроводниковый ключ должен обеспечить коммутацию значительных токов и при этом выдерживать (блокировать) значительные напряжения в закрытом состоянии. Разработчики силовых схем преобразователей мечтают об идеальном ключе. Такой ключ должен при нулевой мощности, потребляемой от схемы управления, мгновенно переключать бесконечно большие токи и блокировать бесконечно большие напряжения, иметь нулевые остаточные напряжения и токи утечки. Развитие технологии силовых ключей привело к созданию ключей следующих основных типов:

- биполярный силовой транзистор (BPT – Bipolar Power Transistor),

- полевые силовые транзисторы (MOSFET –Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),

- биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor),

- статические индукционные транзисторы (SIT – Static Induction Transistor),

- однооперационные тиристоры (SCR – Silicon Controlled Rectifier),

- полностью управляемые тиристоры (GTO – Gate Turn Off).

Силовые биполярные транзисторы

Современные силовые биполярные транзисторы изготавливаются на основе монокристаллического кремния. Базовая ячейка транзистора n-p-n –типа показана на рисунке 13.1.

Рисунок 13.1 - Структура базовой ячейки силового биполярного транзистора

Эмиттер состоит из нескольких частей, что позволяет снизить сопротивление между базой и эмиттером, а также равномерно распределить ток по всему проводящему сечению. Коллектор имеет две области: сильно легированную и слабо легированную . Слабо легированная область делает коллекторный p-n переход широким и сдвинутым в область коллектора, что повышает допустимое напряжение на коллекторе. Скосы на кристалле позволяют уменьшить утечки по поверхности кристалла и снизить напряженность электрического поля.

Рассмотрим работу транзистора в режиме ключа, на рисунке 13.2 показана схема транзисторного ключа (а) и выходная характеристика (b).

Рисунок 13.2 - Схема транзисторного ключа (а) и выходная характеристика (b)

Проводя нагрузочную прямую в системе выходных характеристик транзистора, получим две точки, определяющие режимы работы ключа. В точке 1 транзистор закрыт (режим отсечки), коллекторный переход находится под обратным, а эмиттерный - под прямым напряжением. Часто для более полного и быстрого закрытия транзистора напряжение база – эмиттер также делают отрицательным. Ток коллектора равен нулю, а напряжение коллектор – эмиттер равно , , . В точке 2 транзистор находится в открытом состоянии (режим насыщения), коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении. В этом случае, ток коллектора равен току насыщения , а напряжение на коллекторе равно напряжению насыщения , , которое обычно составляет несколько милливольт. Минимальное значение тока базы, которое необходимо для того, чтобы обеспечить открытое состояние транзистора, называют током базы насыщения . Для ускорения процесса открытия транзистора ток базы делают больше тока базы насыщения, превышение тока базы над минимальным значением оценивают степенью насыщения

, (13.1)

которая может быть от 1,1 до 3.

Переключение транзистора, переход из точки 1 в точку 2 происходит достаточно быстро, т.е. в активной области нагрузочной прямой транзистор находится минимальное время. Мощность, выделяемая на транзисторе в точках 1 и 2, практически равна нулю, затраты энергии происходят только в моменты переключения. Процесс переключения не происходит мгновенно, на переключение затрачивается некоторое время, которое определяет быстродействие ключа, т.е. его способность работать на высоких частотах. Тогда становится понятным стремление разработчиков повысить быстродействие ключей.

Рассмотрим переходные процессы, сопровождающие переключение транзистора из закрытого состояния в открытое, и наоборот. Временная диаграмма переключения транзистора показана на рисунке 13.3.

Рисунок 13.3 -. Переходные процессы в транзисторном ключе

На интервале 0-1 на базу подано отрицательное напряжение, транзистор закрыт, режим работы соответствует точке 1 нагрузочной прямой. В момент времени 1 на вход подается передний фронт входного напряжения амплитудой , начинается рост тока коллектора, который происходит по закону

, , (13.2)

где - предельная частота транзистора при схеме включения с общим эмиттером.

Такой закон объясняется тем, что нарастание тока происходит одновременно с накоплением заряда в базовой области.

За интервал времени 1-2 формируется передний фронт импульса тока, в точке 2 ток достигает значение

, (13.3)

из этого выражения найдем

. (13.4)

Из последнего выражения видно, что длительность процесса включения уменьшается с увеличением степени насыщения .

Ток , достигнув значения , остается неизменным. После открытия транзистора продолжается процесс накопления заряда в базовой области. Этот процесс можно представить как рост тока (показан пунктирной линией) до некоторого значения тока , которое называют кажущимся, т.е. соответствующим накопленному заряду.

В момент времени 3 подается запирающее напряжение , но ток не изменяется, транзистор остается открытым еще некоторое время. Это объясняется наличием избыточного заряда неосновных носителей в базовой области, за счет которого транзистор удерживается в открытом состоянии. Отрицательное входное напряжение приводит к смене направления базового тока, однако, заряд мгновенно измениться не может, он уменьшается по экспоненте до момента времени 4. В этой точке он соответствует току . Интервал времени 3-4 называют временем рассасывания неосновных носителей в базовой области , его можно определить из уравнения

. (13.5)

С момента времени 4 начинается процесс выключения транзистора , длительность которого зависит от тока разряда

. (13.6)

Увеличение быстродействия ключа на биполярном транзисторе связано с противоречием. Для уменьшения включения необходимо увеличивать степень насыщения S, однако это приведет к увеличению времени рассасывания неосновных носителей.

Эта проблема решается путем формирования входного сигнала специальной формы (рисунок 13.4).

Рисунок 13.4 - Форма входного сигнала

На интервале времени создается ток базы , что приводит к быстрому открытию транзистора, затем ток уменьшают до значения .

Транзистор остается открытым, но накопление избыточного заряда не происходит, таким образом, время рассасывания сводится к нулю. Достаточно часто, импульсы такой формы используются и для управления тиристорами. Небольшой ток в цепи управляющего электрода поддерживают тиристор в открытом состоянии, исключая сбои в работе силовой схемы.

Преимущества ключей на биполярном транзисторе:

1. Малое остаточное напряжение на открытом ключе, напряжение насыщения составляет доли вольт и не зависит от тока.

2. Мощность, рассеиваемая на открытом ключе, при , практически линейно зависит от тока насыщения .

Недостатки ключей на биполярном транзисторе:

1. Малое быстродействие из-за эффекта рассасывания неосновных носителей в области базы.

2. Значительная мощность затрачивается на управление транзисторным ключом. Коэффициент передачи по току мощного транзистора не превышает десяти ( ), что требует значительного тока в управляющей цепи.

Область применения ограничена диапазоном средних мощностей ( 600 В , =50 А 20 кГц), используется в преобразователях DC/DC и AC/DC.

Запираемые тиристоры

Запираемый тиристор - это полностью управляемый полупроводниковый ключ, он отпирается и закрывается по сигналу, подаваемому на управляющий электрод. В зарубежной литературе он называется GTO (Gate Turn Off). Запираемый тиристор, как и обычный, состоит из четырех слоев (рисунок 13.12).

Перед разработчиками силовых запираемых тиристоров встают две задачи. Первая - обеспечить равномерное распределение тока по проводящему сечению кристалла при открытии ключа, что позволит увеличить значение допустимой скорости нарастания анодного тока . А вторая - ускорить процесс выведения неосновных носителей заряда из базовых областей p₂ и n₁, что позволит уменьшить время, необходимое для восстановления запирающих свойств тиристора

Рисунок 13.12 - Структура запираемого тиристора

Для решения первой задачи катодный слой (рисунок 13.12) разбит на несколько сотен равномерно распределенных элементарных ячеек, соединенных параллельно. Это сделано для того, чтобы обеспечить равномерное распределения тока по всему сечению полупроводника в момент его включения и равномерное его снижение при выключении. Для решения второй задачи базовый слой р₂ соединяется с управляющим электродом через большое число выводов (равное числу катодных ячеек), которые также соединены параллельно и равномерно распределены по сечению. Это обеспечивает улучшение условий выведения зарядов из базовой области р₂. В анодном слое формируются шунты (зоны полупроводника n типа малого сечения). Шунты служат для улучшения извлечения зарядов из базы n₁, но используются в том случае, когда параллельно тиристору включается обратный диод, т.к. шунты снижают допустимое обратное напряжение. Таким образом, здесь сделано все, чтобы обеспечить равномерное распределение тока по сечению тиристора и уменьшить время выключения. Рассмотрим процессы включения и выключения тиристоров, временная диаграмма показана на рисунке 13.13.

Рисунок 13.13 - Временная диаграмма процесса коммутации тока

в запираемом тиристоре

Включение тиристора происходит только при положительном анодном напряжении. Переходы П₁ и П₃ смещены в прямом направлении, а П₂ смещен в обратном направлении. Переходы П₁ и П₃ беспрепятственно проводят ток, а к переходу П₂ приложено обратное напряжение равное анодному. Около этого перехода образуется зона, лишенная подвижных носителей заряда, т.е. запирающий слой. Для того, чтобы включить тиристор, к управляющему электроду относительно катода прикладывается положительное напряжение и через переход П₂ протекает токвключения . Скорость нарастания тока управления должна быть достаточно большой, чтобы дырки, поступившие в область , не успели рекомбинировать, за счет этого создается объемный заряд , смещающий переход в прямом направлении. Тиристор включается. Во включенном состоянии теоретически нет необходимости поддерживать ток , но для устойчивой работы поддерживают небольшое значение тока.

Выключение тиристора при положительной полярности анодного напряжения производится путем подачи на управляющий электрод отрицательного напряжения. Оно вызывает ток выключения, протекание которого ведет к рассасыванию основных носителей заряда области . Происходит рекомбинация дырок с электронами, поступившими из управляющего электрода (интервал ). После того, как заряд базовой области станет менее , ток анода резко уменьшается до минимального значения (интервал ). На интервале восстанавливаются запирающие свойства перехода П₃. Время выключения зависит от амплитуды запирающего тока и скорости его нарастания, которая ограничивается в значительной степени индуктивностью цепи управления.

В блокирующем состоянии тиристор обычно поддерживается подачей на управляющий переход отрицательного напряжения. В этом случае два перехода П₂ и П₃ смещены в обратном направлении.

Использование тиристоров GTO требует применения специальных защитных цепей (рисунок 13.14).

Рисунок 13.14 - Защитные цепи тиристора

Дроссель ограничивает скорость нарастания тока , конденсатор уменьшает скорость нарастания положительного напряжения, резистор ограничивает ток разряда конденсатора при включении тиристора, диод шунтирует резистор в момент выключения тиристора.

Рисунок 13.15 - Система управления тиристором GTO

Система управления GTO (рисунок 13.15) состоит из генератора управляющих импульсов (ГУИ), с которого через оптроны оп1 и оп2 управляющие сигналы подаются на электронные ключи. С помощью двух источников Е1 и Е2 формируются открывающие и закрывающие импульсы тока в цепи управляющего электрода. При включении ключа S1 создается значительный ток, ограниченный резистором R1, по мере заряда конденсатора ток снижается до минимального значения, необходимого для поддержания тиристора в открытом состоянии. Для закрытия тиристора ключ S1 отключается, а включается ключ S2, в цепи управляющего электрода создается ток обратного направления.

Дальнейшее совершенствование управляемых тиристоров происходило в двух направлениях: изменение конструкции прибора и изменение способа выключения. Вывод управляющего электрода изготовлен в форме кольца, опоясывающего корпус тиристора. Кольцо проходит сквозь керамический корпус и контактирует внутри с ячейками управляющего электрода. Полностью управляемый тиристор с кольцевым управляющим электродом получил название Gate Commutated Thyristor (GCT) и стал современной разновидностью GTO.

Отличие в способе управления GCT заключается в процессе выключения тиристора. Ток управления делают равным или большим анодного тока, причем ток нарастает с большой скоростью, чему способствует малая индуктивность управляющего электрода. Перераспределение токов в процессе выключения показано на рисунке 13.16.

Рисунок 13.16 - Распределение токов в структуре тиристора в процессе выключения

Весь анодный ток, проходящий через тиристор, отклоняется в систему управления и достигает катода, минуя переход П_3, он смещается в обратном направлении и транзистор n-p-n закрывается. Изменение конструкции тиристора и способа управления позволило значительно уменьшить время выключения. У GTO время выключения составляет порядка 100 мкс, скорость нарастания тока управления не более 40 А/мкс, а для GCT – 10 мкс и 3000 А/мкс соответственно.

Сравнить свойства силовых полупроводниковых ключей можно по таблице некоторых их параметров (табл.)

Самыми мощными ключами, но работающими только на низких частотах (до 400 Гц), являются однооперационные тиристоры SCR, они позволяют управлять мощностями несколько десятков мега-вольтампер. Вторую ступеньку занимают полностью управляемые тиристоры GTO и GCT с частотой преобразования 2 кГц и коммутируемой мощностью несколько мега вольт-ампер. Затем следует биполярный транзистор с изолированным затвором IGBT. Он способен коммутировать мощности до одного мега вольт-ампера с частотой 50 кГц. Наибольшие достижения в развитии силовых биполярных транзисторов (BPT) ограничены мощностями в несколько десятков киловольт-ампер, частота коммутации до 10 кГц. Силовые полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) находят применение при мощностях до 10 кВА, на частотах 100 кГц, при этом потребляя минимальную мощность по цепи управления.

Лекция 13

Силовые полупроводниковые ключи

Полупроводниковый ключ должен обеспечить коммутацию значительных токов и при этом выдерживать (блокировать) значительные напряжения в закрытом состоянии. Разработчики силовых схем преобразователей мечтают об идеальном ключе. Такой ключ должен при нулевой мощности, потребляемой от схемы управления, мгновенно переключать бесконечно большие токи и блокировать бесконечно большие напряжения, иметь нулевые остаточные напряжения и токи утечки. Развитие технологии силовых ключей привело к созданию ключей следующих основных типов:

- биполярный силовой транзистор (BPT – Bipolar Power Transistor),

- полевые силовые транзисторы (MOSFET –Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),

- биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor),

- статические индукционные транзисторы (SIT – Static Induction Transistor),

- однооперационные тиристоры (SCR – Silicon Controlled Rectifier),

- полностью управляемые тиристоры (GTO – Gate Turn Off).

Силовые биполярные транзисторы

Современные силовые биполярные транзисторы изготавливаются на основе монокристаллического кремния. Базовая ячейка транзистора n-p-n –типа показана на рисунке 13.1.

Рисунок 13.1 - Структура базовой ячейки силового биполярного транзистора

Эмиттер состоит из нескольких частей, что позволяет снизить сопротивление между базой и эмиттером, а также равномерно распределить ток по всему проводящему сечению. Коллектор имеет две области: сильно легированную и слабо легированную . Слабо легированная область делает коллекторный p-n переход широким и сдвинутым в область коллектора, что повышает допустимое напряжение на коллекторе. Скосы на кристалле позволяют уменьшить утечки по поверхности кристалла и снизить напряженность электрического поля.

Рассмотрим работу транзистора в режиме ключа, на рисунке 13.2 показана схема транзисторного ключа (а) и выходная характеристика (b).

Рисунок 13.2 - Схема транзисторного ключа (а) и выходная характеристика (b)

Проводя нагрузочную прямую в системе выходных характеристик транзистора, получим две точки, определяющие режимы работы ключа. В точке 1 транзистор закрыт (режим отсечки), коллекторный переход находится под обратным, а эмиттерный - под прямым напряжением. Часто для более полного и быстрого закрытия транзистора напряжение база – эмиттер также делают отрицательным. Ток коллектора равен нулю, а напряжение коллектор – эмиттер равно , , . В точке 2 транзистор находится в открытом состоянии (режим насыщения), коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении. В этом случае, ток коллектора равен току насыщения , а напряжение на коллекторе равно напряжению насыщения , , которое обычно составляет несколько милливольт. Минимальное значение тока базы, которое необходимо для того, чтобы обеспечить открытое состояние транзистора, называют током базы насыщения . Для ускорения процесса открытия транзистора ток базы делают больше тока базы насыщения, превышение тока базы над минимальным значением оценивают степенью насыщения

, (13.1)

которая может быть от 1,1 до 3.

Переключение транзистора, переход из точки 1 в точку 2 происходит достаточно быстро, т.е. в активной области нагрузочной прямой транзистор находится минимальное время. Мощность, выделяемая на транзисторе в точках 1 и 2, практически равна нулю, затраты энергии происходят только в моменты переключения. Процесс переключения не происходит мгновенно, на переключение затрачивается некоторое время, которое определяет быстродействие ключа, т.е. его способность работать на высоких частотах. Тогда становится понятным стремление разработчиков повысить быстродействие ключей.

Рассмотрим переходные процессы, сопровождающие переключение транзистора из закрытого состояния в открытое, и наоборот. Временная диаграмма переключения транзистора показана на рисунке 13.3.

Рисунок 13.3 -. Переходные процессы в транзисторном ключе

На интервале 0-1 на базу подано отрицательное напряжение, транзистор закрыт, режим работы соответствует точке 1 нагрузочной прямой. В момент времени 1 на вход подается передний фронт входного напряжения амплитудой , начинается рост тока коллектора, который происходит по закону

, , (13.2)

где - предельная частота транзистора при схеме включения с общим эмиттером.

Такой закон объясняется тем, что нарастание тока происходит одновременно с накоплением заряда в базовой области.

За интервал времени 1-2 формируется передний фронт импульса тока, в точке 2 ток достигает значение

, (13.3)

из этого выражения найдем

. (13.4)

Из последнего выражения видно, что длительность процесса включения уменьшается с увеличением степени насыщения .

Ток , достигнув значения , остается неизменным. После открытия транзистора продолжается процесс накопления заряда в базовой области. Этот процесс можно представить как рост тока (показан пунктирной линией) до некоторого значения тока , которое называют кажущимся, т.е. соответствующим накопленному заряду.

В момент времени 3 подается запирающее напряжение , но ток не изменяется, транзистор остается открытым еще некоторое время. Это объясняется наличием избыточного заряда неосновных носителей в базовой области, за счет которого транзистор удерживается в открытом состоянии. Отрицательное входное напряжение приводит к смене направления базового тока, однако, заряд мгновенно измениться не может, он уменьшается по экспоненте до момента времени 4. В этой точке он соответствует току . Интервал времени 3-4 называют временем рассасывания неосновных носителей в базовой области , его можно определить из уравнения

. (13.5)

С момента времени 4 начинается процесс выключения транзистора , длительность которого зависит от тока разряда

. (13.6)

Увеличение быстродействия ключа на биполярном транзисторе связано с противоречием. Для уменьшения включения необходимо увеличивать степень насыщения S, однако это приведет к увеличению времени рассасывания неосновных носителей.

Эта проблема решается путем формирования входного сигнала специальной формы (рисунок 13.4).

Рисунок 13.4 - Форма входного сигнала

На интервале времени создается ток базы , что приводит к быстрому открытию транзистора, затем ток уменьшают до значения .

Транзистор остается открытым, но накопление избыточного заряда не происходит, таким образом, время рассасывания сводится к нулю. Достаточно часто, импульсы такой формы используются и для управления тиристорами. Небольшой ток в цепи управляющего электрода поддерживают тиристор в открытом состоянии, исключая сбои в работе силовой схемы.

Преимущества ключей на биполярном транзисторе:

1. Малое остаточное напряжение на открытом ключе, напряжение насыщения составляет доли вольт и не зависит от тока.

2. Мощность, рассеиваемая на открытом ключе, при , практически линейно зависит от тока насыщения .

Недостатки ключей на биполярном транзисторе:

1. Малое быстродействие из-за эффекта рассасывания неосновных носителей в области базы.

2. Значительная мощность затрачивается на управление транзисторным ключом. Коэффициент передачи по току мощного транзистора не превышает десяти ( ), что требует значительного тока в управляющей цепи.

Область применения ограничена диапазоном средних мощностей ( 600 В , =50 А 20 кГц), используется в преобразователях DC/DC и AC/DC.