Затвором (IGBT-транзисторы)

В настоящее время основными полностью управляемыми приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50 А и напряжений до 500 В являются биполярные транзисторы и идущие им на смену МДП-транзисторы. Нишу высоковольтных силовых приборов с большими уровнями токов и напряжениями до единиц киловольт заняли биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor). Помимо области высоковольтных силовых преобразователей на мощности от единиц киловатт, IGBT-транзисторы используются в бытовой технике для управления относительно маломощными приводами с широким диапазоном регулирования скорости вращения. Так, IGBT нашли применение в стиральных машинах и инверторных кондиционерах. Их также с успехом применяют в качестве высоковольтных ключей для электронного зажигания автомобилей. Эти транзисторы с улучшенной характеристикой переключения широко используются в импульсных блоках питания телекоммуникационных и серверных систем.

IGBT-транзистор сочетает в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный транзистор p-n-p- типа управляется от сравнительно низковольтного МДП-транзистора с индуцированным каналом. Условные графические обозначения IGBT-транзисторов, используемые различными производителями на принципиальных схемах электронных устройств, приведены на рис. 27. Эквивалентная схема IGBT-транзистора представлена на рис. 28.

Рис. 27. Условные графические обозначения IGBT-транзисторов	Рис. 28. Эквивалентная схема IGBT-транзистора

 

Таким образом, IGBT-транзистор имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор и затвор. Соединения эмиттера и истока, базы и стока являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном состоянии. По быстродействию силовые IGBT-транзисторы пока уступают МДП-транзисторам, но превосходят биполярные. Структуры IGBT-транзисторов показаны на рис. 29.

 

а)	б)
Рис. 29. Структуры IGBT-транзисторов: а – обычного (планарного); б – выполненного по технологии с вертикальным затвором (trench-gate technology)

Процесс включения IGBT-транзистора можно представить в виде двух этапов: после подачи положительного напряжения на затвор формируется канал n-типа между истоком и стоком (на рис. 29 показан пунктиром) и происходит открытие МДП-транзистора, а движение дырок приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Усилительные свойства IGBT-транзистора характеризуются крутизной , которая определяется усилительными свойствами МДП- и биполярного транзисторов в структуре IGBT. Соответственно, значение крутизны для IGBT является более высоким в сравнении с биполярными и МДП-транзисторами. Типовые выходные характеристики IGBT-транзистора приведены на рис. 30.

В настоящее время IGBT-транзисторы выпускаются в виде модулей:

1) в прямоугольном корпусе с односторонним прижимом и охлаждением ("Mitsubishi", "Siemens", "Semikron");

2) в таблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением ("Toshiba").

Современные IGBT-модули находят сегодня широкое применение при создании неуправляемых и управляемых выпрямителей, автономных инверторов для питания двигателей постоянного и переменного тока средней мощности, преобразователей индукционного нагрева, сварочных аппаратов, источников бесперебойного питания, бытовой и студийной техники. Особую роль IGBT-модули играют в развитии железнодорожного транспорта. Применение этих перспективных приборов в тяговом преобразователе позволило повысить частоту переключения, упростить схему управления, минимизировать загрузку сети гармониками и обеспечить предельно низкие потери в обмотках трансформатора и дросселей. Схема включения IGBT-модуля фирмы Hitachi приведена на рис. 31.

Рис. 31. Схема включения IGBT-модуля фирмы Hitachi

 

Затвор IGBT-транзисторов электрически изолирован от канала очень тонким слоем диэлектрика и легко может быть поврежден при неправильной эксплуатации. Для защиты IGBT-транзисторов от коммутационных перенапряжений в цепи коллектор-эмиттер применяют защитные (снабберные) RC- и RCD-цепи, установленные непосредственно на силовых выводах. Следует отметить, что IGBT-транзисторы не так чувствительны к электростатическому пробою, как МОП-транзисторы, поскольку входная емкость мощных IGBT-транзисторов значительно больше и может вместить в себя большую энергию, прежде чем разряд вызовет необратимый пробой затвора. Однако при транспортировке и хранении этих приборов затвор и эмиттерный вывод должны быть закорочены токопроводящими перемычками, которые не должны сниматься до момента подключения транзистора в схему. Производить монтажные работы с IGBT-транзисторами необходимо только при наличии антистатического браслета. Все инструменты и оснастка, с которыми может контактировать модуль, должны быть заземлены. Для защиты затвора от статического пробоя непосредственно в схеме необходимо подключение параллельно цепи затвор-эмиттер резистора сопротивлением 10÷20 кОм.

Тема 7. Тиристоры

Тиристор (от греч. thýra – "дверь" и англ. resistor – "сопротивление") – полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, используемый в качестве управляемого переключателя. Тиристоры, в зависимости от приложенного к ним напряжения и сопротивления внешней цепи, могут находиться в двух устойчивых электрических состояниях: максимально открытом (с большой проводимостью) и максимально закрытом (с малой проводимостью).

Основными типами тиристоров являются диодные (динисторы) и триодные (тринисторы). Условные обозначения тиристоров приведены на рис. 32 (VS – вентиль включающий, А – анод, К – катод; УЭ – управляющий электрод).

 

а)         б)       в)                г)               д)                  е)

Рис. 32. Условные обозначения тиристоров: а – динистор; б – однооперационный тиристор (тиристор с управлением по катоду); в – тиристор с управлением по аноду; г – запираемый или выключаемый тиристор (двухоперационный); д – фототиристор; е – симистор (симметричный тиристор)

 

Динисторы (неуправляемые тиристоры) имеют два вывода от крайних областей структуры – анод и катод. Структура динистора показана на рис. 33, ВАХ – на рис. 34. При подаче прямого напряжения (рис. 33) p-n-переходы  и  смещаются в прямом направлении, а p-n-переход  – в обратном. Динистор находится в закрытом состоянии и все приложенное к нему напряжение падает на переходе . Ток через прибор равен обратному току перехода  (  на рис. 33, ток утечки  на рис. 34). При повышении напряжения ток через прибор увеличивается незначительно до тех пор, пока оно не достигнет значения напряжения переключения , близкого к напряжению пробоя перехода . Участок 0А характеристики соответствует закрытому состоянию динистора.

Рис. 33. Структура динистора	Рис. 34. ВАХ динистора

 

При дальнейшем повышении напряжения происходит пробой перехода , ток динистора резко возрастает, напряжение на переходе  падает и на участке АБ положительным приращениям тока соответствуют отрицательные приращения напряжения (дифференциальное сопротивление динистора на этом участке становится отрицательным). При некотором значении тока, равном току удержания , напряжение на переходе  становится равным нулю.

Участок БВ характеристики соответствует открытому состоянию динистора. Падение напряжения на динисторе на этом участке называется остаточным . Выключение динистора осуществляется путем уменьшения тока до значения ниже .

Если к динистору приложено обратное напряжение, то переход  открыт, а переходы  и  закрыты. Ток через прибор равен обратному току утечки . При увеличении обратного напряжения происходит пробой переходов  и  и ток динистора резко возрастает (участок ГД характеристики).

При анализе процесса перехода динистора в открытое состояние его удобно представить в виде двух соединенных между собой транзисторов: p-n-p и n-p-n (рис. 35). Появившийся ток  первого транзистора является базовым током для второго и поэтому будет усилен вторым транзистором в  раз. Коллекторный ток второго транзистора  является базовым током первого, который, в свою очередь, усиливает его.

Рис. 35. Двухтранзисторная модель динистора: а – деление динистора на две структуры; б – схема замещения

 

Таким образом, возникает внутренняя положительная обратная связь, которая приводит к появлению участка АБ с отрицательным дифференциальным сопротивлением на ВАХ и практически мгновенному отпиранию динистора.

Ток перехода  представляет собой сумму трех токов:

,

где  – обратный ток перехода ;  – ток дырок, инжектированных переходом  и достигших перехода ;  – ток электронов, инжектированных переходом  и достигших перехода ;  и  – коэффициенты передачи тока транзисторов p-n-p и n-p-n (рис. 35, а).

Переходы включены последовательно, поэтому токи переходов и ток  во внешней цепи равны между собой:

.

Тогда из предыдущего выражения получаем:

.

.

,                           (6)

где .

При  ток динистора равен  (динистор закрыт), при  динистор открыт.

Соотношение (6) описывает ВАХ динистора, так как параметры ,  и  зависят от напряжения  на переходе . Зависимость этих параметров от напряжения обусловлена умножением носителей заряда в электрическом поле перехода , когда напряжение  близко к напряжению пробоя . Коэффициент умножения носителей заряда  при этом равен

.

Для электронов и дырок в кремнии коэффициент .

Тринисторы (управляемые тиристоры) кроме выводов от крайних областей (анода и катода) имеют третий управляющий вывод от одной из средних (базовых) областей (рис. 36, а). ВАХ тринистора приведена на рис. 36, б. Ток перехода  определяется управляющим током . Наличие управляющего тока приводит к тому, что тиристор открывается при меньшем напряжении переключения.

	б)
Рис. 36. Структура (а) и ВАХ (б) тринистора

При управляющем токе  ВАХ спрямляется и тринистор сразу переходит в открытое состояние (в этом случае ВАХ тринистора представляет собой ВАХ диода). Обратная ветвь ВАХ тринистора такая же, как и у динистора.

Симистор (симметричный тиристор) при подаче отпирающего импульса на управляющий электрод включается как в прямом, так и в обратном направлениях. ВАХ симистора показана на рис. 37. Симисторы могут использоваться для создания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока.

Запираемый или GTO-тиристор (GTO – Gate-Turn-Off) может быть включен и выключен через управляющий электрод. Первые подобные тиристоры появились в 1960 г. в США. Структура GTO-тиристора показана на рис. 38. Катодный n-слой разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади структуры при выключении прибора. Базовый p-слой, несмотря на то, что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), также равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно.

Рис. 37. ВАХ симистора	Рис. 38. Структура запираемого тиристора

 

Базовый n-слой выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора. Анодный p-слой имеет шунты (n-зоны), соединяющие n-базу с анодным контактом. Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счет улучшения условий извлечения зарядов из базовой n-области.

Для выключения GTO-тиристора к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение отрицательной полярности. В базовом p-слое происходит рассасывание основных носителей заряда (дырок, поступивших в p-слой из базового n-слоя) за счет рекомбинации с электронами, поступающими по управляющему электроду.

Использование GTO-тиристоров требует применения специальных защитных цепей. Назначение любой защитной цепи – ограничение скорости нарастания одного из двух параметров электрической энергии при коммутации полупроводникового прибора. Схема включения защитной цепи показана на рис. 39. Конденсатор  ограничивает скорость нарастания прямого напряжения  при выключении тиристора и подключается параллельно защищаемому прибору. Дроссель  ограничивает скорость нарастания прямого тока  при включении тиристора и включается последовательно с ним. Диод VD шунтирует резистор  при выключении тиристора VS и заряде конденсатора . Резистор  ограничивает ток разряда конденсатора  при включении тиристора VS. Большие потери энергии в защитной цепи при коммутации – главный недостаток GTO-тиристоров. Основные потери возникают в резисторе  в момент разряда конденсатора  при включении тиристора. Повышение частоты увеличивает потери, поэтому на практике GTO-тиристоры коммутируются с частотой не более 250-300 Гц.

В середине 90-х годов фирмами ABB и Mitsubishi был разработан запираемый тиристор с кольцевым выводом управляющего электрода. Он получил название Gate-Commutated Thyristor (GCT) и стал дальнейшим развитием GTO-технологии. В конструкции GCT удалось отказаться от снабберной цепи, сделав тиристор нечувствительным к скорости нарастания прямого напряжения . Основная особенность GCT, по сравнению с GTO-тиристорами, – быстрое выключение, которое реализуется при запирании превращением тиристорной структуры в транзисторную. Минимальное время выключения и блокирующего состояния для GTO-тиристоров составляет 100 мкс, для GCT эта величина не превышает 10 мкс.

При выключении управление GCT имеет две особенности:

1) ток управления  равен или превосходит анодный ток  (для GTO-тиристоров  меньше в 3-5 раз);

2) управляющий электрод обладает низкой индуктивностью, что позволяет достичь скорости нарастания тока управления , равной 3000 А/мкс и более (для GTO-тиристоров значение составляет 30-40 А/мкс).

Распределение токов в GCT при выключении показано на рис. 40. После подачи отрицательного импульса управления  весь проходящий через прибор прямой ток отклоняется в систему управления и достигает катода, минуя переход . В дальнейшем выключение GCT аналогично выключению биполярного транзистора типа p-n-p.

Создание IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) – запираемого тиристора с интегрированным блоком управления (драйвером) – следующий шаг в развитии GTO-технологии. В этих приборах используется концепция "жесткого" управления. Работая при "жестком" управлении тиристор переходит при запирании из p-n-p-n-состояния в p-n-p-режим за 1 мкс. Скорость выключаемого тока достигает 4 кА/мкс. Использование буферного слоя на стороне анода позволило снизить толщину прибора на 30 % при том же пробивном напряжении. За счет так называемой "прозрачной" конструкции анода мощность, необходимая для управления, снижена в 5 раз по сравнению со стандартными GTO-тиристорами. Характеристики современных мощных силовых ключей приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики современных мощных силовых ключей

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: