CC BY
31Применение IGBT-приборов фирмы Motorola
в импульсных сетевых адаптерах
Александр Зыбайло
alex_z@platan.ru
Введение
В настоящее время в производстве понижающих сетевых блоков питания (БП, сетевых адаптеров) небольшой мощности наметилась тенденция замены 50-60-герцовых сетевых трансформаторов на более компактные и менее материалоемкие импульсные трансформаторы, работающие на частотах 50-150 кГц. В качестве основного принципа регулирования в импульсных БП принята широтно-импульсная модуляция (ШИМ), при которой в первичной обмотке трансформатора в зависимости от сигнала обратной связи изменяется скважность импульсов тока. Сигнал обратной связи формируется в зависимости от назначения БП, при этом обычно первичная (высоковольтная) и вторичная (низковольтная) цепи гальванически развязаны. В БП подобного типа для регулирования тока в первичной обмотке применяют высоковольтный МОП-транзис-тор, допускающий управление сигналом стандартного логического уровня.
В последнее время в упомянутых БП все чаще применяют так называемые БТИЗ-приборы, которые представляют собой модификацию МОП-транзисто-ра. БТИЗ- (или в англоязычной литературе КВТ) приборы хорошо известны в применении к высоковольтной (1200 В и выше) и сильноточной (100 А и более) аппаратуре промышленной автоматики.
Многие изготовители выпускают на рынок БТИЗ-приборы, характеристики которых специально оптимизированы для применения в импульсных сетевых адаптерах небольшой мощности. По совокупности параметров, соотношению цена/качество и удобству управления БТИЗ-приборы в настоящее время превосходят МОП- и биполярные транзисторы.
Краткая характеристика БТИЗ-приборов
БТИЗ-прибор, или биполярный транзистор с изолированным затвором, представляет собой модификацию хорошо известного МОП-транзистора, но характеризуется некоторыми особенностями в связи с наличием дополнительного Р+ слоя.
Большие пробивные напряжения, широкая область безопасной работы, удобство управления прибором, устойчивость к быстрому нарастанию напряжения и способность выдерживать большие импульсные токи делают их похожими на МОП-транзи-сторы. В то же время они лишены таких недостатков последних, как зависимость проводимости канала от температуры и уровня напряжения.
У БТИЗ-приборов отсутствует интегральный встроенный диод, ухудшающий характеристики переключения МОП-приборов. Необходимо отметить, что из-за того, что БТИЗ работают на неосновных носителях заряда, скорость переключения у них ниже, чем у МОП-транзисторов.
Как видно из рис.1б, БТИЗ-прибор отличается
і -I—яопикр. Затвор |
МЕТАШ □ &02
Диод Сток-Исток
ы-Епитаксия
№ Подлегирование
СТОК
Рис. 1а. Структура МОП-транзистора
от МОП-транзистора тем, что со стороны подложки под всей поверхностью прибора размещена дополнительная Р+ область. Области Р+ карманов, М+ истока и структура поликремниевого затвора практически не изменны. При такой структуре Р+ область, являющаяся одновременно эмиттером внутреннего РМР-транзистора (рис.1б) и коллектором всего прибора, инжектирует свободные дырки в М+ область и
далее в Ы-область, которая, в свою очередь является областью стока МОП-транзисто-ра, образованного Ы+ карманом, Р- подле-гированием области истока «первоначального» МОП-транзисто-ра и N1- эпитаксией (она является областью канала «первоначального» МОП-тран-зистора). В области N1- эпитаксии дырки, являясь неосновными носителями (ННЗ), частично рекомбинируют и под действием поля попадают в область Р-, а затем в Р+ и в выходной контакт.
Как и в обычном биполярном транзисторе, где, изменяя количество носителей, инжектированных в базу, и управляя величиной тянущего поля база-коллектор, можно регулировать его проводимость, в БТИЗ-
приборе, управляя поведением носителей в N1- области (база внутреннего РЫР-транзистора или область затвора «первоначального» МОП-транзистора) изменяют проводимость прибора между контактами эмиттер-коллектор. Поскольку модуляция проводимости Ы- области производится встроенным МОП-транзистором, образованным Ы+, Р-, Ы- областями, то ток управления имеет величину незначительную и, как в обычном МОП-транзисторе, производит только перезаряд предзатворной области. Это позволяет осуществлять управление БТИЗ-приборами при помощи достаточно маломощных источников.
Пробивные напряжения БТИЗ-приборов достигают величины 1200 В вследствие значительной пространственной протяженности областей и низкого уровня их легирования. При этом за счет дополнительного усиления сигнала с базы внутреннего РЫР-транзистора сохраняется достаточная проводимость. Дополнительное увеличение проводимости достигается благодаря наличию второго (уже внутреннего) ЫРЫ-транзистора, включенного с РЫР-транзистором подложки по схеме псевдо-Дарлингтона (рис.1б). Характеристики переключения БТИЗ-приборов гораздо хуже, чем у биполярных транзисторов, но в то же время при больших токах и напряжениях по совокупности характеристик БТИЗ-приборы превосходят и биполярные, и МОП-тран-зисторы.
Следует заметить, что если при напряжении 100 В падение напряжения на БТИЗ меньше аналогичного на МОП-приборе лишь на 20...25 %, то при 1200 В это различие достигает уже 95...97 %. Температурная зависимость проводимости у МОП-транзисторов и у БТИЗ-приборов также различны. При росте температуры с 20°С до 150°С падение напряжения на МОП-приборе растет на 230.250 %, а на БТИЗ — падает на 20.25 %.
Для использования в импульсных блоках питания (ИП БП) помимо проводимости немаловажное значение имеют также характеристики переключения. Как и у обычного биполярного транзистора, скорость переключения БТИЗ-прибора зависит от времени жизни ННЗ в области Ы- базы РЫР-транзистора. Но в отличие от классического биполярного транзистора, у БТИЗ-приборов отсутствует накопление ННЗ в области базы из-за включения РЫР-транзистора по схеме псевдо-Дарлингтона. Поэтому время переключения у приборов БТИЗ меньше, чем у РЫР-транзисторов в режиме насыщения. При выключении БТИЗ
присутствует заметный «хвост» тока, что обусловливается рассасыванием ННЗ, накопленных в базе. Рассасывание «хвоста» ведет к увеличению потерь и снижению рабочей частоты прибора. Сильное уменьшение времени жизни ННЗ в области базы приводит к уменьшению потерь при выключении, но потери при включении значительно возрастают, так как необходимо инжектировать в базу более плотный поток ННЗ. Одновременно с этим происходит падение коэффициента усиления РЫР-транзистора.
Продолжение следует.
ЕМИТТЕР
ЗАТВОР
і у^-Доликремн.затвор |
і метаЛХ|
□ ЭЮ2
ґ" М+ БуФсЬео
р+ПОДЛОЖКА Биполярный емиттер
Т
КОЛЛЕКТОР
Рис. 16. Структура БТИЗ-прибора
