CC BY
12И ТВОРЧЕСТВА
АНАЛИЗ РАЗНОВИДНОСТЕЙ КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ МОЩНЫХ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ
Швед Сергей Михайлович, Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, г. Минск, Республика Беларусь
E-mail: nixel41417@gmail.com
Аннотация. Данная статья посвящена вопросу тщательного исследования разновидностей конструктивного исполнения мощных МОП-транзисторов. Приведены различные вариации исполнения МОП-транзисторов от крупнейших производителей изделий силовой электроники.
Ключевые слова: силовая электроника, производство, промышленность.
Как правило, к силовым полупроводниковым приборам относят такие, которые способны переключать ток не менее 1 А. Их можно разделить на два класса - выпрямительные устройства и ключи. Рассмотрим особенности последних.
По мере увеличения уровня мощности и рабочей частоты современных источников питания (конвертеров) растет потребность в усовершенствованных твердотельных ключах. Первыми из них в массовом производстве были освоены биполярные транзисторы. До появления мощных МОП ПТ они оставались единственными "реальными" твердотельными приборами, способными выдерживать блокирующее напряжение до 1 - 2 кВ и переключать токи до 200500 А за 10-100 не. Их основное достоинство - хорошо отработанная технология изготовления и, следовательно, низкая стоимость, благодаря чему биполярные транзисторы и сейчас находят применение в системах развертки телевизоров и схемах балластного сопротивления осветительных ламп, но эти транзисторы имеют и серьезные недостатки - большой базовый ток включения (равный одной пятой коллекторного тока) и достаточно длительное время выключения (наличие хвоста тока). Кроме того, они подвержены тепловому пробою, что обусловлено их отрицательным температурным коэффициентом. МОП ПТ, напротив, управляются напряжением, и их температурный коэффициент положителен. При
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
параллельном включении сопротивление канала транзисторов в открытом состоянии (Rcu откр) может быть бесконечно малым. Поэтому и падение их напряжения в открытом состоянии намного меньше (т.е. эффективность выше), чем у биполярных приборов, у которых этот параметр не может быть меньше коллекторного напряжения насыщения. К тому же, для МОП ПТ отсутствует хвост тока при выключении. Все это способствовало расширению их применения, особенно в ключевых схемах. Однако при высоких значениях пробивного напряжения (>200 В) Rcu откр и, следовательно, падение напряжения МОП ПТ в открытом состоянии больше, чем у биполярного, рассчитанного на то же напряжение пробоя (величина Rcu откр пропорциональна пробивному напряжению в степени 2,7). Поскольку одновременно нельзя уменьшать топологические размеры областей кристалла и удельное сопротивление его канала, МОП ПТ не может претендовать на звание современного "идеального" мощного транзистора, т.е. транзистора с нулевым сопротивлением (и падением напряжения) при включении, бесконечно большим сопротивлением при отключении и бесконечно высоким быстродействием [1].
В 1982 году специалисты фирм RCA и General Electric практически одновременно обнаружили, что если изменить тип проводимости и+-области стока в и-канальном МОП ПТ на ^+-тип, можно получить новый прибор. При подаче положительного напряжения на затвор электроны, эмитируемые в р+-область образовавшейся рпр+-структуры биполярного транзистора, вызывают появление в слаболегированной n-области канала большого дырочного тока и, соответственно, изменение его сопротивления. При этом ток канала МОП структуры является и током базы биполярной структуры, т.е. МОП ПТ управляет током биполярного транзистора.
Поскольку через область базы биполярной структуры протекает большое число электронов и дырок, проводимость базы возрастает на несколько порядков. По значению полного входного сопротивления новые приборы оказались сопоставимыми с МОП ПТ, а по независящим от тока характеристикам насыщения - с биполярными. Таким образом, эффективность БТИЗ оказалась выше, занимаемая площадь меньше и, следовательно, стоимость ниже, чем МОП ПТ. Объединение двух структур позволило повысить напряжение пробоя транзисторов до 1500 В при переключении тока до 100 А. Но следует отметить, что n-канальные БТИЗ до сих пор не имеют р-канальных аналогов. Новый прибор, в конце концов, получил название биполярного транзистора с изолированным затвором, хотя пока не принято единого, установившегося его обозначения (рисунок 1).
МОП ПТ и БТИЗ имеют одинаковые выводы и требования к схеме возбуждения. Для их включения требуется напряжение 12-15 В, а для выключения не нужно подавать отрицательное напряжение. Для схемы возбуждения затвор обоих типов транзисторов рассматривается как конденсатор, емкость которого в приборах большого размера может достигать нескольких
«
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
тысяч пикофарад. Чтобы время переключения транзистора было достаточно малым, схема возбуждения должна обеспечивать быструю зарядку и разрядку этого конденсатора. Правда, поскольку БТИЗ с такими же, как у МОП ПТ, параметрами занимает в 2,5 раз меньшую площадь кристалла, емкость его входного конденсатора также меньше. Следует отметить, что производители предпочитают указывать не только значение емкости затвора, но и его заряд, поскольку значение емкости, зависящее от размеров, не позволяет точно оценить характеристики переключения при сравнении двух приборов различных фирм. Зная же заряд на затворе, конструктор может легко рассчитать значение тока, требуемого для переключения транзистора за заданное время.
Но механизмы, определяющие потери мощности двух типов приборов, различны. В МОП ПТ эти потери в основном обусловлены потерями на электропроводность, тогда как потери на переключение на достаточно низких частотах (<50 кГц) в 3,5 раза меньше. В БТИЗ все наоборот: потери на электропроводность значительно меньше, чем у МОП ПТ, тогда как потери на переключение велики, особенно на высоких частотах. Но из-за меньшей площади БТИЗ его рассеиваемая мощность намного больше. Следствие этого -значительный рост температуры р-п-перехода БТИЗ. Чтобы температура не превышала критического значения, общая рассеиваемая мощность БТИЗ не должна быть выше некоторой заданной величины, рассчитываемой с учетом значений теплового сопротивления теплоотвода, корпуса,^«-переходов МОП ПТ и БТИЗ.
С другой стороны, с увеличением мощности (и, следовательно, с ростом температуры прибора) потери на электропроводность МОП ПТ растут быстрее, чем потери на переключение БТИЗ. При значении переключаемой мощности 300 Вт потери обоих типов транзисторов сопоставимы, а при 500 Вт БТИЗ получают преимущество. Но с ростом частоты переключения БТИЗ это преимущество теряют.
Таким образом, не существует чёткого разграничения между областями применения МОП ПТ и БТИЗ, их можно лишь приблизительно разграничить для конкретных приборов. Согласно рекомендациям крупнейшего производителя полупроводниковых приборов для систем распределения мощности и управления двигателями - фирмы International Rectifier, сегодня БТИЗ целесообразно применять в системах, работающих при высоких уровнях напряжения (>1000 В) на низких частотах, с малым рабочим циклом и при незначительных колебаниях сети или нагрузки. А МОП ПТ предпочтительно применять в высокочастотных (>20 кГц) системах, предназначенных для работы при относительно невысоких на-пряжениях (<250 В) с большим рабочим циклом и при достаточно больших колебаниях сети или нагрузки.
»
50
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
Рис. 1 Обозначения для БТИЗ (IGBT), предложенные фирмами производителями: a) Advanced Power Technology,
б) STMicroelectronics,
в) Harris Semiconductor
Рис. 2 Структуры современных МОП ПТ; а) ДМОП-структура, б) структура с формируемым в канавке затвором, в) структура с плавно изменяемым профилем легирования области дрейфа, г) профиль легирования, д) структура СООЬМОБ
В соответствии с этими рекомендациями можно определить типичные области применения каждого типа транзистора:
Для БТИЗ - это системы управления двигателями, работающими на частоте менее 20 кГц и требующими защиты от короткого замыкания/выбросов пускового тока; низкочастотные источники бесперебойного питания, работающие с постоянной нагрузкой; НЧ-сварочное оборудование на большие значения среднего тока; маломощные низкочастотные системы (<100 кГц) регулировки осветительных ламп.
Для МОП ПТ - импульсные источники питания, рассчитанные на частоты выше 20 кГц или на переключение при нуле напряжения и мощности менее 1000 Вт, зарядные устройства [2].
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
Литература:
1. Юдинцев В.А. Мощные дискретные транзисторы: ключевые элементы систем питания и управления / Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2002. - № 6. -С. 16-20.
2. Радио Лоцман [Электронный ресурс]. - Режим доступа: ИИрз:// www.rlocman.ru/datasheet/data.html?di=55938
