1.1. Силовые полупроводниковые диоды.

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Основу силового диода, как и диодов других типов, составляет двухслойная полупроводниковая конструкция образующая p - n переход. Но, в отличие от прочих, силовой диод имеет вертикальную структуру и другие технологические особенности. Реальная структура силового диода представлена на рис.1.

Области повышенной концентрации носителей n ⁺ и p ⁺ катодной и анодной зон служат для уменьшения прямого сопротивления диода и обеспечения хорошего контакта с соответствующими выводами.

Увеличение площади протекания тока в вертикальной структуре диода позволяет достичь высоких токовых нагрузок, а также понизить падение напряжения во включенном состоянии.

С другой стороны для обеспечения высокого допустимого обратного напряжения базовая n -область должна быть низкоомной и обладать большим сопротивлением. Отсюда, толщина базы должна быть, возможно, больше, что входит в противоречие с требованием минимизации падения напряжения во включенном состоянии.

Большая активная площадь p - n перехода создает предпосылки для неравномерного распределения поля и лавинному пробою перехода. Лавинный пробой возникает при превышении напряженности электрического поля некоторой критической величины. Для силового диода лавинный пробой заканчивается тепловым пробоем и выходу из строя прибора.

Вероятность лавинного пробоя является вторым фактором ограничивающим максимальное допустимое обратное напряжение.

Следующим фактором, ограничивающим это напряжение, является эффект поверхностного пробоя. Такой пробой, если не принять мер, происходит гораздо раньше упомянутого выше объемного пробоя. Причиной этому являются нарушения структуры материалов или загрязнения. Они создают условия повышенной напряженности поля в отдельных точках. Одной из мер по снижению действия этого эффекта служит скошенная форма профиля боковой поверхности прибора.

Основной для силовых диодов является вольт-амперная характеристика представляющая зависимость анодного тока от приложенного напряжения анод-катод i_A = f ( u_AK ). Типовая статическая вольт-амперная характеристика силового диода с обозначением определяющих его выбор предельных параметров приведена на рис.2.

1.1.5. Параметры силовых диодов.

К основным параметрам силовых диодов, определяющих их выбор относятся:

- Максимально-допустимое среднее значение прямого тока I_{H ом} ( I_F ) ;

- Максимальное значение токовой перегрузки I _макс. и пикового (ударного) тока I _У с указанием максимальной продолжительности перегрузки и ударного импульса;

- Действующее значение прямого тока I ( I_RMS );

- Максимальный обратный ток I _{обр.макс} ( I_Rmax ) ;

- Максимально допустимая величина обратного напряжения U _{обр.макс.} ( U_Rmax );

- Предельная температура перехода T_jmax ;

- Максимальное падение напряжения во включенном состоянии (при максимальном прямом токе) Δ U _макс. = U _{пр.макс.} = U_{Fmax .};

- Критическая скорость нарастания прямого тока di/dt и напряжения du/dt;

-Характеристики быстродействия: время включения и выключения (время восстановления перехода, как составляющая этих параметров), предельная рабочая частота.

1.1.6. Защита силовых диодов.

Основными причинами отказа силового диода являются:

- недопустимые токовые перегрузки;

- пробой перенапряжением в обратном включении;

- закритическая скорость нарастании прямого тока при включении.

Для защиты силовых диодов от перегрузок по току используются быстродействующие плавкие предохранители.

Для ограничения перенапряжений при отключении используется последовательная RC-цепочка подключенная параллельно диоду.

Опасность высоких скоростей нарастания тока состоит в том что при этом возрастает неравномерность распределения тока в структуре диода. Следствием этого возникает перегрев отдельных точек с последующим лавинным пробоем в них. Для ограничения di/dt последовательно с диодом устанавливается небольшая индуктивность.

Силовые диоды по назначению, эксплуатационным параметрам и, соответственно, по конструктивно-технологическим особенностям, разделяются на следующие типы:

- диоды общего назначения;

- лавинные диоды;

- диоды Шоттки;

- быстровосстанавливающиеся диоды.

1.1.1. Диоды общего назначения.

Эта группа диодов отличается наибольшими значениями предельного тока (до 5кА) и обратного напряжения (до 5 кВ). Массивная полупроводниковая структура этих диодов обеспечивает такие характеристики, но ухудшает их быстродействие (время обратного восстановления находится в диапазоне 25-100 мкс). Это ограничивает их использование на частотах выше 1 кГц . Диоды этого типа предназначены для работы в электроустановках промышленной частоты 50 Гц.

Прямое падение напряжения на диодах этой группы составляет 2,5-3 В.

1.1.2. Лавинные диоды.

Для работы в условиях кратковременных обратных перенапряжений используются так называемые лавинные диоды. Такой диод при перенапряжении может некоторое время работать в зоне лавинного пробоя при возросших обратных токах без теплового пробоя (рис.2).

1.1.3. Диоды Шоттки.

Диоды Шоттки отличает сравнительно низкое прямое падение напряжения и высокая скорость переключения. Достигается это за счет особенностей структуры таких диодов, где p - n переход формируется в структуре металл-полупроводник. Типовая структура диода Шоттки показана на рис.3.

Принцип действия диодов Шоттки основан на свойствах области перехода между металлом и полупроводниковым материалом. Для силовых диодов в качестве полупроводника используется обедненный слой кремния n-типа. При этом в области перехода со стороны металла имеет место отрицательный заряд, а со стороны полупроводника – положительный.

Барьер Шоттки формируется на планарной поверхности базового слоя n - типа. Величина пробивного обратного напряжения определяется толщиной этого слоя.

Защитное кольцо p -типа на периферии активной зоны диодной структуры (рис.3.) служит для уменьшения концентрации поля на границе перехода Шоттки и позволяет уменьшить эффект краевого поверхностного пробоя.

Особенностью диодов Шоттки является то, что прямой ток обусловлен движением только основных носителей – электронов. Отсутствие накопления неосновных носителей существенно уменьшает инерционность диодов Шоттки. Время восстановления составляет обычно не более 0,3 мкс,

Прямое падение напряжения примерно 0,3 В.

Значения обратных токов в этих диодах на 2-3 порядка выше, чем в диодах с p-n-переходом.

Предельное обратное напряжений обычно не более 100 В.

Диода этого типа используются в высокочастотных и импульсных цепях низкого напряжения.

1.1.4. Быстровостанавливающиеся диоды.

Конструктивно быстровосстанывливающиеся диоды аналогичны диодам общего назначения. Для достижения максимального быстродействия в них используются технологии. Например, применяется легирование кремния золотом или платиной.

Время обратного восстановления таких диодов имеет величину порядка 3-5 мкс. и меньше. Однако при этом снижаются допустимые значения прямого тока до максимума 1 кА и обратного напряжения до 3 кВ.

Такие диоды используются в импульсных и высокочастотных цепях с частотами 10 кГц и выше.

1.2. Биполярные транзисторы.

1.2.1. Структура и вольт-амперные характеристики.

Типовая структура силового биполярного транзистора (БТ) изготовленного по эпитаксиально-планарной технологии в упрощенном виде приведена на рис.4.

В отличии от обычного (информационного) такой транзистор имеет вертикальную структуру. Это позволят получить достаточную активную площадь для протекания коллекторного тока, уменьшить сопротивление открытого транзистора. Но, с другой стороны, протекание тока по большой площади создает предпосылки для его неравномерного распределения. Следствием этого возможны лавинный локальный и вторичный пробои.

Основная транзисторная p - n - p структура образована р-областями и обедненной n ^-- -областью базы. Кольцевые зоны p ⁺ повышенной концентрации носителей в эмиттерной зоне служат для обеспечения хорошего электрического контакта. Повышенная концентрация носителей подложки служит для снижения сопротивления транзистора.

Основными рабочими характеристикам (БТ) являются выходные (коллекторные) вольт-амперные характеристики I_K = f ( U_{K Э} )|(I _Б = Const ) и входные – базовые I _Б = f ( U _БЭ )|(U_{K Энас.} = Const).

. Типовые статические характеристики БТ приведены на рис.4.

На выходной характеристике незаштрихованная область (Рис.5а) соответствует зоне допустимых статических режимов. Для кратковременных перегрузок, перенапряжений и динамических режимов зона расширяется , но перегрузочная способность БТ сильно ограничена.

1.1.2. Проектные параметры БТ.

При решении проектных задач БТ выбирается по предельным коллекторному току I_{K макс} и напряжению U_{K Эмакс}.. При этом учитывается и коэффициента усиления по току.

Для характеристики усилительных свойств ВТ используется как правило коэффициент h _{21 Э} схемы с общим эмиттером.

Ограничения по максимуму мощности рассеиваемой транзистором Р _{K макс} проверяются на основе обязательного в случае силовых БТ теплового расчета. Расчет производится из условия, что расчетная температура перехода не превосходит предельной допустимой величины Т _jmax . Последняя приводится в справочных данных БТ.

Важными эксплуатационными параметрами ВТ являются максимальное падение напряжения во включенном состоянии U _{Пр.макс.}, обратный ток коллектора, частотные характеристики.

В качестве частотных характеристик используются граничная частота коэффициента усиления по току, а для ключевых режимов – время включения и отключения. Наряду с этими интегральными параметрами используются также специфические для ВТ величины. Среди таковых, например, находится время рассасывания основных носителей в базе.

Практически все характеристики БТ чувствительны к температуре окружающей среды, а также к технологическому разбросу параметров. Это является одним из недостатков БТ.

1.1.2. Сравнительная характеристика биполярных транзисторов.

Силовой биполярный транзистор в силу специфики своей структуры и функционирования обладает целым рядом достоинствами дающим ему преимущества перед другими типами полупроводниковых приборов. Среди прочих к таким преимуществам можно отнести относительно малое падение напряжения во включенном состоянии, достаточно хорошие частотные характеристики и полную управляемость в сравнении с традиционными тиристорами.

Мощный биполярный транзистор обладает целым рядом недостатков ограничивающих его применение в современных высокочастотных преобразователях. Основными из них являются [13-16]:

- Малый коэффициент передачи тока h_21Э и его большие технологические разбросы;

- Применение составных транзисторов ведет к увеличению коэффициента передачи, но вызывает увеличение потерь в мощном ключе в открытом состоянии;

- В открытом состоянии с максимальным h_{21Э max} транзистор находится в режиме глубокого насыщения, что приводит к существенному увеличению длительности процессов рассасывания;

- Склонность к вторичному и локальным пробоям коллекторного перехода требует демпфирующих цепей для формирования динамической траектории переключения внутри области безопасной работы.

Сказанное, для надежной и безопасной работы ключей на биполярных транзисторах, требует достаточно мощных цепей для их управления и защиты, таких как составные транзисторы, цепи формирования безопасной траектории, трансформаторы и другие элементы для пропорционально-токового управления.

“Из-за сложности и большой стоимости схем управления и низкой стойкости к перегрузкам биполярный транзистор на сегодня устаревший компонент (для использования в силовой электронике). Однако быстродействующие биполярные транзисторы пока имеют важное преимущество перед MOSFET по показателю “коммутируемая мощность \цена” для диапазона напряжений более 400 В. Поэтому силовые биполярные транзисторы остаются эффективным компонентом для дешевых массовых применений (например, в ключевых источниках питания).” [1]

1.2 МОП транзисторы.

МОП транзистор, он же MOSFET ( Metal-Oxid-Semiconductor Field Effect Transistor) принадлежит к классу полевых (униполярных) транзисторов. Его основу составляет полупроводниковая структура металл-окисел-полупроводник (МОП). Канал такого транзистора может быть встроенным (т.е. созданным физически при изготовлении транзистора) или индуцированным (т.е. наведенным в процессе работы при соответствующей поляризации транзистора). В ключевых транзисторах, как правило, используется именно эта структура.

На рис.5 схематично показана базовая структура и условное графическое обозначение n- канального силового МОП–транзистора с индуцированным каналом и его условное графическое обозначение.

Основными характеристиками полевого транзистора являются входная стоко-затворная характеристика (рис.6а) и выходная вольт-амперная характеристика исток-сток и (рис. 6б).

Положительное пороговое напряжение затвора U _Пор. МОП транзисторов с индуцированным затвором делает ненужными цепи смещения при работе в ключевом режиме. Это существенно упрощает схемы управления транзистором.

Кроме того благодаря изоляции управляющего электрода (затвора) МОП транзистор обладает высоким входным сопротивлением и поэтому работает практически без токов управления.

В сравнении с биполярными транзисторами, МОП транзисторы свободны от многих недостатков свойственных БТ и имеют перед ними следующие преимущества:

- ничтожно малые мощности управления благодаря высокому входному сопротивлению;

- устойчивость к вторичному пробою и отсюда высокая стойкость к перегрузкам (практически прямоугольная область безопасной работы);

- отсутствие процессов накопления и рассасывания зарядов, что способствует повышению предельных частот коммутации и снижает динамические потери;

- отсутствие необходимых для запирания смещений;

- беспроблемное параллельное включение, что позволяет получить требуемые предельные мощности коммутации.

Эти свойства значительно упрощают схемы ключа, способствуют унификации схемотехнических решений, обеспечивает стыковку с логическими схемами цифрового управления и более полному использованию интегральных технологий.

Основным недостатком МОП транзисторов является относительно высокое сопротивление канала при повышенных напряжениях коммутации. Выше 500-600В такие потери становятся недопустимо высокими. Соответственно на средних и больших мощностях МОП транзисторы характеризуются повышенными потерями напряжения и мощности во включенном состоянии. Высоковольтных МОП-транзисторов с достаточно хорошими характеристиками пока нет, так как сопротивление открытого МОП - транзистора растет пропорционально квадрату пробивного напряжения. Кристаллы высоковольтных МОП-транзисторов имеют большую площадь (и соответственно большую стоимость) чем у биполярных транзисторов.

Обладая при низких напряжениях коммутации малыми статическими и низкими динамическими потерями, кратными небольшому времени переключения, позволяет им работать на частотах до 100 кГц. Благодаря этому МОП -транзисторы вытесняют из низковольтной преобразовательной аппаратуры (менее 200 В) все остальные типы полупроводниковых приборов.

Новые технологии, в их числе Trech-gate Тechnology (“углубленный, утопленный затвор”) позволяют, снизить сопротивление открытого транзистора до 0,01 мкОм \м² таким образом уменьшить один их основных недостатков МОП – транзистора.

На рис.3 показана структура МОП –транзистора с утопленным затвором (Trech-gate Technology). Увеличение площади истока и рабочей области канала благодаря углублению затвора позволяет уменьшить сопротивление транзистора и габариты кристалла в сравнении с традиционной структурой МОП- транзистора.

Технологии COOL MOS^TM позволили получить МОП транзистор с удельным сопротивлением 3 Ом\мм². Это расширяет область применения этого класса до напряжений 600-1000 В и мощностей до 10 кВт.

Развитие и объединение положительных качеств биполярных транзисторов и управляющих свойств МОП структуры реализуется в Биполярном транзисторе с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor- IGBT).

1.3.Биполярные транзисторы с изолированным затвором -IGBT .

Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) или Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) был получен в развитии МОП технологии. Преследовалась цель, используя все преимущества МОП–транзистора, достичь снижения сопротивления в открытом состоянии. В результате IGBT пробрел структуру, сочетающую в себе управляющий МОП–транзистор и силовой биполярный транзистор.

Структура IGBT в разрезе показана на рис.4. Здесь рис.4а представляет базовую структуру обычного IGBT, а на рис. 4б дана структура IGBT с утопленным каналом полученного по Trench-gate технологии.

На рис.5 показано, каким образом IGBT реализован в объеме полупроводникового кристалла.

В структуре IGBT биполярный транзистор p-n-p типа представлен слоями р (эмиттер), n (база) , р⁺ - коллектор. МОП-транзистор (низковольтный с индуцированным каналом МОП-транзистор и высоковольтный n-канальный полевой транзистор) образован слоями n (исток), n⁺ (сток) и изолированным затвором.

Эквивалентная схема IGBT и ее упрощенный вариант приведены на рис.6а и 6б соответственно.

В структуре транзистора с утопленным каналом (Рис.4б) исключено сопротивление между р-базами. Такая структура также позволяет уменьшить размеры в 5-20 раз [1].

В IGBT, в отличии от обычного биполярного транзистора, инжекция носителей в базу осуществляется не p-n переходом, а полевым транзистором. Процесс включения можно разделить на два этапа: при подаче положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n- канал). Движение зарядов из области n в приводит к открытию биполярного транзистора.

Конструкция и особенности функционирования IGBT приводят к следующим важным свойствам:

- База, как конструктивный элемент, через которую осуществляется пролет носителей, как таковой отсутствует;

- Эмиттер имеет площадь сравнимую с площадью коллектора;

- Эмиттер и коллектор могут быть разнесены на большое расстояние, что в совокупности с малым легированием позволяет достичь больших пробивных напряжений;

- Приборы этого типа не могут достичь частотных характеристик как полевых, так и классических биполярных транзисторов (в силу предыдущей позиции).

Исходя из этого IGBT имеют преимущества тем большие, чем больше коммутируемые напряжения и ток.

По быстродействию IGBT уступают МОП-транзисторам, но превосходят биполярные.

На напряжениях 600-1200 в IGBT имеет падение напряжения во влаченном состоянии такое же как и биполярные транзисторы (порядка 1,5-3,5В). Это значительно меньше, чем у МОП транзисторов с теми же номиналами. Но при низких рабочих напряжениях (до 200 В) падение напряжения у МОП- транзисторов меньше.

Область безопасной работы IGBT обеспечивает их надежную работу на частотах 10-20 кГц без дополнительных цепей формирования траектории переключения.

У IGBT как и у MOSFET практически отсутствуют токи управления. Они как и MOSFET имеют хорошие динамические характеристики. Причем потери в них растут пропорционально току, а не квадрату тока, как у MOSFET.

Максимальное напряжение IGBT ограничено только технологическим пробоем.

Также как МОП-транзисторы вытеснили биполярные в ключевых источниках питания с напряжением 500 В, так и IGBT вытеснят их в источниках с более высоким напряжением ( до 3500 В).

Основным недостатком IGBT пока остаются динамические потери, что снижает допустимый ток коллектора на частотах выше 10 кГц.

1.4. Тиристоры

1.4.1. Триодный тиристор (SRT).

Термин тиристор - Thyristor (от греческого thira - вход, дверь) объединяет большую и многообразную группу полупроводниковых приборов. Общим для всех из них является базовая четырехслойная полупроводниковая структура p-n-p-n образующая два электронно-дырочных перехода. Из основных и наиболее используемых в силовой электронике приборов в эту группу входят: триодный тиристор - Silicon Controlled Rectifier (SRT), запираемый тиристор- Gate Torn Off (GTO) и др. Структура триодного тиристора в упрощенном варианте и его схемное обозначение показаны на рис.7.

Триодный тиристор составляет группу полууправляемых полупроводниковых ключей. Это означает, его можно включить (при положительном напряжении между анодом и катодом) подачей сигнала на управляющий электрод, но отключение по управляющей цепи невозможно. Отключается триодный тиристор только при смене полярности анодного напряжения.

Выходная вольт-амперная характеристика u_AK= f( i_A) и вольт-амперная характеристика цепи управления u_У= f( i_У) приведены на рис.7.

Цепи управления представляет собой включенный в прямом направлении p- n переход. В силу этого управляющая цепи очень чувствительна к технологическому разбросу параметров прибора. На рис.8б показаны две предельные входные характеристики: 1-соответствует прибору с максимальным входным сопротивление при максимально допустимой температуре , 2 – с минимальным входным сопротивление при минимальной допустимой температуре

Заштрихованная область (5) на входной характеристике – зона недостаточных для включения тиристора значений i_У и u_У .

Кривые 3, 4 на рис.2б задают ограничения по допустимой мощности на управляющем электроде для управляющих импульсов большой длительности и коротких импульсов соответственно.

1.4.2. Симмистор

Симмистор или симметричный тиристор предназначен для регулирования напряжения и мощности в цепях переменного тока.

Структура, эквивалентная схема и условное графическое обзначение симмистора приведены на рис.9а,б,в соответственно.

Выходная вольт-амперная характеристика сисмммистора дана на рис.5

1.4.3. Параметры и свойства тиристоров.

Достоинство тиристора в его малом прямом напряжении ( порядка 1,2 – 1,5 В для среднего диапазона напряжений). Высокая плотность тока, высокие коммутируемые напряжения.

Благодаря своим конструктивно-технологическим особенностям эти приборы обладают наивысшими по сравнению с другими предельными значениями коммутируемых напряжения и тока ( до 10 кВ. , 4500 А )

Недостатком триодного тиристора является невозможность выключения по управляющему электроду в схемах коммутации постоянного тока. Это требует использования схем принудительной коммутации.

Кроме того, для тиристоров присущи малые пределы частоты коммутации.

Тиристорные структуры в отличие от транзисторов чувствительны к dU/dt. Это требует введения в схему ограничителей роста –снабберов .

1.4.4. Полностью управляемые и комбинированные тиристоры.

Силовой триодный тиристор (SRT) на базе классической четырехслойной p-n-p-n структуры оставался практически единственным полупроводниковым прибором для преобразовательных устройств мощностью более 500 КВт [2]. Однако проблема коммутации в цепях постоянного тока ограничивает их применение этих приборов в инверторах и преобразователях частоты.

Основной недостаток триодного тиристора преодолен с помощью запираемого тиристора (Gate Torn Off –GTO). На сегодня основные статические параметры GTО сравнимы с таковыми для обыкновенных тиристоров. Условное графическое обозначение GTО показано на рис.9.

GTO решил проблему запирания SRT (коммутации) в преобразователях постоянного напряжения, но остальных не решает. Главный недостаток GTO – значительные токи управления ведет к необходимости создания громоздких и мощных блоков управления и передачи энергии на потенциал тиристоров[2]. Кроме того, прямое падение напряжения у GTO больше чем у традиционного тиристора.

С целью использования всех преимуществ тиристорной структуры и для устранения проблем управления ими возникли и активно развиваются гибридные структуры тиристор – МОП-управление. Одной из таких разработок является запираемый тиристор с МОП-управлением (МСТ – MOS-Controlled Thyristor) [Gate Control Thyristor (GST)]. В эту группу также входят:

MCT - MOS –управляемый тиристор;

FCT – тиристор с полевым управлением ;

MTO MOS-запираемый тиристор ;

EST – тиристор с переключающим эмиттером;

IGTT - запираемый тиристор с изолированным затвором;

IGT - тиристор с изолированным затвором;

GCT коммутируемый тиристор;

IGCT (Integrate gate-commutated thyristor) - коммутируемый тиристор с интегрированным управлением и др.

Многообразие ключей на основе тиристорной структуры объясняется тем, что она обладает изначальной способностью проводить большие токи с минимальными потерями.

Успешное развитие техники и технологии полупроводниковых силовых ключей может привести к полному замещению классических полупроводниковых приборов – триодных тиристоров и биполярных транзисторов.