|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы  Рис. 1.7. Включение дополнительных цепей, формирующих траекторию переключения транзистора на интервалах коммутации, называются траекториями переключения. Для исключения выхода из строя транзистора из-за превышения вьщеляемой при переключениях мощности принимают специрьные схемотехнические меры, изменяющие траектории переключения таким образом, "что выделяемая при переключениях мощность уменьшается. Кроме того, при использовании транзистора в импульсном режиме, особенно при повьппенных частотах, значения коммутируемых токов и напряжений должны быть значительно меньше предельно допустимых. Обычно они соответствуют 50-60% от предельно допустимых значений. В целом указанные меры принимаются для обеспечения работы транзисторов в так называемой области безопасной работы. Эта область обычно определяется экспериментально для определенного типа транзистора с учетом конкретных условий его использования. В качестве примера на рис. 1.7 представлена схема транзистора VS с цепью, формирующей траекторию переключения. Конденсатор С этой цепи затягивает нарастание напряжения на транзисторе, а реактор L ограничивает скорость нарастания тока при включении. Резисторы 7?! и /?2 поглощают энергию, накопленную в этих элементах при коммутации. Диод VD отделяет цепь сброса энергии реактора L от ЛС-цепи. Увеличение длительности фронтов нарастания напряжения и тока при вьпслючении и включении транзистора приводит к уменьшению мгновенных значений мощности, выделяемой при коммутации. При определенных параметрах цепи мощность может быть равна нулю. Однако очевидно, что этот эффект достигается ухудшением частотных свойств ключевого элемента. Кроме того, наличие ЛС-цепи усложняет ключевой элемент и приводит к выделению активной мощности в активных ее элементах.- В настоящее время разработано много типов силовых биполярных транзисторов в монокристальиом исполнении. В то же время некоторые зарубежные фирмы продо.пжают направлять свои усилия ,на дальнейшее сювершенствование этих приборов. В результате в настоящее время появились новые образцы транзисторов с коммутируемой мощностью до 100 кВт при напряжениях до 1000 В. Силовые МОП-транзисторы. Существенным недостатком силовых биполярных транзисторов является большое значение токов управления ими, а также относительно низкое быстродействие. Развитие новых технологий в области полупроводниковых приборов привело к созданию силовых МОП-транзисторов, которые начинают успешно конкурировать с биполярными транзисторами в области силовой электро1шки. Силовые МОП-транзисторы (выполненные на основе металл- оксид-проводник) относятся к клсу полевых транзисторов, в которых управление осуществляется электрическим полем. Полевые транзисторы являются унипо.2ярными приборами, так как протекание тока в них обусловлено перемещением носителей заряда одного знака в продольном электрическом поле. Регулирование значением тока осуществляется поперечным элеютжческим полем, а не током, как в биполярных транзисторах. Это обусловливает высокое входное сопротивление полевых транзисторов. В структуре МОП-транзистора можно выделить две сильнолегированные области прогавопо-ложного типа проводимости по сравнению с остальным слоем чистого или слаболегированного кремния, называемого подложкой. Эти две области являются элек;тродами полевого транзистора для подключения к основной силовой цепи и называются cioK D и исток S (рпс. 1.8,а). Управляющий электрод-затвор G изолирован or подложки слоем диэлектрика (оксидом кремния для МОП-транзисторов). Подлчей управляющего напряжения на затвор транзистора за счет создаваемого электрического прля в структуре транзистора осуществляется управление значейием тока стока. Четвертый электрод МОП-транзисторов- подложка в большинстве схем соединяется с истоком. На рис. 1.8.,б представлена статическая характеристика МОП-гранзистора са встроенным проводящим каналом и -типа.  Рис. 1.8. Статические характеристики МОП-транзистора с каналом п-типа; о- условное обозначение трапзистора, 6-«хотая характеристика; в-.выходные хярах- теристики 2 № 3658 J7 Из рис. 1.8, в видно, что выходные характеристики МОП-транзистора подобны выходным характеристикам пентода. Без подачи напряжений на электроды сопротивление сток-исток велико и соответствует сопротивлению двух встречно включенных диодов при нулевом смещении. При подаче на затвор напряжения t/e.s через проводящий слой будет протекать ток, если приложить также напряжение между стоком и истоком. Увеличение последнего приводит к перекрытию проводящего канала у стока и к насыщению его тока. Дальнейшее увеличение напряжения Ugs практически не влияет на значение выходного тока /с. Полевой транзистор с проводящим каналом р -типа управляется подачей отрицательных напряжений на затвор и сток относительно истока. Особенностью МОП-транзисторов является не только высокой входное сопротивление (что соответствует повышенному коэффициенту усиления по мощности управления), но и высокое быстродействие. Время переключения современных МОП-транзисторов лежит в диапазоне единиц наносекунд. Такая скорость переключения обусловлена тем, что в них практически исключены токи накопленных зарядов неосновных носителей. Кроме того, по сравнению с биполярными транзисторами силовые МОП-транзисторы имеют лучшие выходные характеристики для обеспечения параллельной работы. В то же время следует отметить большое значение входной емкости и повышенное сопротивление в проводящем состоянии МОП-транзистора. Повышение коммутируемой мощности силовых МОП-транзисторов потребовало значительных усилий многих разработчиков по исследованию различных структур МОП-транзисторов и совершенствованию технологии их производства. В настоящее время благодаря развитию высокоточной технологии полупроводников допустимые значения напряжений и токов силовых МОП-транзисторов существенно возросли. Наиболее типичными являются приборы с коммутируемым током в десятки ампер и напряжением до 500 В. При этом сопротивление во включенном состоянии находится в диапазоне 0,2-0,5 Ом. Отдельные зарубежные фирмы сообщают о разработках на значительные теки и повышенные напряжения МОП-транзисторов с малым сопротивлением во включенном состоянии. Так, например, л [3] сообщается о разработке приборов на токи до 200 А при сопротивлении 0,024 Ом. Биполярные транзисторы с изолированным затвором. Достоинства и недостатки силовых биполярных транзисторов и МОП-транзисторов обусловили- поиск решений в области создания новых силовых транзисторов. Работы в это\ направлении, начавшиеся на основе гибридной технологии, в целях объединения двух приборов в одном кристалле в дискретном виде не принесли значительных успехов. Поэтому были начаты исследования по обеспечению стандартных функций этих приборов в одном кристалле. В результате был создан новый прибор - биполярный транзистор с изолированным затвором*. Этот новый тип транзистора сочетает высокое входное сопротивление МОП-транзисторов с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном состоянии биполярных транзисторов. Структура этого транзистора аналогична структуре силового МОП-транзистора за исключением того, что имеет дополнительный слой со стороны стока с соответствующим типом проводимости [4]. Первые образцы этих приборов имели относительно низкое быстродействие. Однако использование специальных технологических операций по управлению временем жизни неосновных носителей позволило уменьшать время переключения до десятых долей микросекунды. В результате были созданы промышленные образцы транзисторов на напряжение до 800 В и токи до 50 А, способные эффективно работать на повышенных частотах. При этом новые приборы обладают такими положительными качествами, как малая мохщюсть сигнала управления, способность выдерживать высокие обратные напряжения и хорюшие температурные характеристики. Интенсивное освоение промышленностью этих приборов и тенденция улучшения технических характеристик позволяют прогнозировать их лидирующее положение в области силовых транзисторов. i , 1.1.3. тиристоры Силовыми полупроводниковыми приборами, отличающимися высокими значениями коэффициентов усиления по току управления (более 1000), а также большими значениями рабочих токов и напряжений, являются тиристоры. Наиболее распространенным полупроводниковым прибором в силовой электронике в настоящее время является тиристор. Это по существу ключевой полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью и неполной управляемостью, включающийся по сигналу управления, а выключающийся при спадании прямого тока до нуля. Основой тиристора является полупроводниковая структура, в которой чередуются слои с />- и я-типами проводимости (рис. 1.9). Прибор имеет три вывода, соответствующих аноду А, катоду С и управляющему электроду G. * Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) (биполярный транзистор с изолированным затвором). А О- I П III (Анод) с -о (Катод) (г о О/правляющий. элвнтроВ) Рис 1.9. Структура и внешние цепи тиристора ; Если К аноду прибора приложено отрицательное напряжение относительно катода, то переходы I и III будут смещены в обратном направлении (закрыты), а переход II - в прямом (открыт). В результате тиристор оказывается в закрытом состоянии, которое не может быть изменено подачей положительного напряжения на управляющий электрод (относительно катода), т. е. воздействием на цепь управления. Если к аноду тиристора подключить плюс источника постоянного напряжения, а к катоду минус, то переходы I и III оказываются смещенными в прямом направлении, а переход II -в обратном (закрыт). При отсутствии управляющего импульса (т. е. напряжения на управляющем электроде) тиристор остается в закрытом состоянии, а напряжение источника приложено к переходу II. Для того чтобы тиристор перешел в проводящее состояние, необходимо обеспечить протекание через управляющий электрод определенного тока ig. Так как к аноду тиристора приложено прямое напряжение относительно катода, ток /с переведет тиристор в проводящее состояние. Перевод тиристора в проводящее состояние может быть также осуществлен облучением его полупроводниковой структуры световым потоком. На использовании этого эффекта разработаны тиристоры, управляемые светом,- фототиристоры. В основе принципа действия фототиристора лежит явление генерации носителей заряда в полупроводнике, точнее, в р-п переходе II (рис. 1.9), находящемся под воздействием светового потока. Для управления фототиристором в еТо корпусе предусмотрено окно для пропускания светового потока. Существенным преимуществом фототиристоров перед тиристорами, управляемыми электрическим сигналом, является отсутствие гальванической связи между силовыми приборами и системой их управления. Тиристор с четырехслойной р-п-р-п структурой, как и диод, обладает односторонней проводимостью. Для электрических цепей переменного тока разработан специальный прибор - симметричный тиристор (симистор), который может быть в проводящем состоянии в обоих направлениях (т. е. независимо от полярности приложенного к нему напряжения). Управление симистором производится так же, как и тиристором. Симметричный тиристор в отличие от тиристора имеет пять чередующихся слоев с прородимостями р- и я-типа. Для перевода тиристора (или симистора) в закрытое состояние необходимо обеспечить спадание протекающего через него прямого тока до нуля. При этом начинается процесс рассасывания накопленных в полупроводниковой структуре зарядов (дырок и электронов). В течение времени удаления этих накопленных зарядов через тиристор протекает обратный ток, который после удаления зарядов падает практически до нуля, и обратное напряжение на тиристоре возрастает до значения, определяемого напряжением подключенного к нему источника. Однако для того чтобы тиристор мог снова выдерживать без включения прямое напряжение, необходимо некоторое время. Это время выключения тиристора, в течение которого происходит восстановление его запирающей способности, обусловлено процессом рекомбинации носителей в области среднего перехода, который мало зависит от внешнего напряжения. Вольт-амперные характеристики тиристора при различных токах управления приведены на рис. 1.10, а. При обратном напряжении эта характеристика у тиристора такая же, как и у диода (у некоторых типов тиристоров обратная ветвь соответствует характеристике лавинного диода). Ветви характеристики, соответствующие области прямого напряжения, зависят от тока управления и при достаточном его значейии практически совпадают с аналогичной ветвью вольт-амперной характеристики диода. При отсутствии управляющего тока тиристор будет находиться в закрытом состоянии до тех пор, пока прямое напряжение не превысит  -л----1 \ з I {Длинные V I импульсы у\Коро-ткив j импульсы 2 сдоп Рис. 1.10. Вольт-амперные характеристики тиристора 0 1 [ 2 ] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 |