Силовая электроника №2'2005

Сравнительный анализ эффективности ключевых силовых транзисторов с полевым управлением

Олег Бономорский
Павел Воронин
Николай Щепкин


В статье рассматривается очередной этап совместной работы специалистов НИЦ СПП ВЭИ и кафедры ПЭ МЭИ по разработке новых силовых транзисторов, собранных по каскодной схеме и управляемых по затвору МОП структурой.


За прошедшие годы удалось создать несколько поколений подобных силовых транзисторов, в которых основным токонесущим высоковольтным элементом является прибор с полевым управлением, работающий в проводящем состоянии как p-i-n диод. Приборы первого поколения демонстрировали целый ряд преимуществ перед существующими аналогами, особенно при высоких плотностях тока во включенном состоянии. Тем не менее существовал целый ряд проблем, который постепенно преодолевался по мере совершенствования технологии сборки новых силовых транзисторов. Одной из таких задач стала разработка методов регулирования времени жизни неосновных носителей, что в конечном счете позволило создать прибор второго поколения с улучшенными за счет оптимизации формы и длительности остаточного тока частотными свойствами.

Каскодный силовой транзистор (рис. 1), структура которого подробно обсуждалась в предыдущей публикации [1], в макетном исполнении представляет собой силовую гибридную схему, выполненную на кристаллах унитрона и двух МОП полевых транзисторов. Все элементы рассматриваемого ключа напаяны на общую изолирующую подложку, выполненную из алюмооксидной керамики, металлизированной медью. Соединения элементов выполнены ультразвуковой сваркой при помощи алюминиевой проволоки, присоединенной к контактным площадкам соответствующих элементов. Подобная схема размещается в стандартных транзисторных корпусах типа ТО для дискретных приборов или в их конструктивных аналогах — маломощных и малогабаритных модулях. Использовались два типа кристаллов унитрона по классу напряжения сток/исток 600 и 1200 В. В качестве низковольтных управляющих МОП полевых транзисторов применялись n-канальные кристаллы с сопротивлением сток/исток в открытом состоянии не более 4,5 мОм. Максимально допустимый постоянный ток стока для приборов на 600 В равнялся 20 А, а для приборов на 1200 В — 50 А.

Рис. 1. Схема каскадного транзистора
Рис. 1. Схема каскадного транзистора

Конструкция высоковольтного унитрона выполнена с применением специальной технологии на исходной кремниевой пластине p+-типа, позволяющей осуществлять так называемый режим двойной инжекции в дрейфовую область силового транзистора. В результате в структуре прибора формируется стационарное распределение неравновесных носителей, свойственное p-i-n диоду, что позволяет получать относительно низкие значения остаточных падений напряжения сток/исток.

Для исследования каскодного транзистора и оценки полученных результатов в качестве двух макетных образцов использовались ключ первого поколения (с относительно большой величиной остаточного тока) классом напряжения 600 В и оптимизированная для высокочастотного применения структура каскодного ключа на напряжение 1200 В с максимальными токами соответственно 20 А и 50 А.

В качестве функциональных аналогов было подобрано несколько типов силовых транзисторов: дискретные МОП полевые транзистор и IGBT технологии PT по классу напряжения 600 В на ток 20 А каждый, а также дискретный IGBT технологии NPT на 1200 В и 50 А, что соответствовало электрическим параметрам изготовленных образцов. Наиболее важные параметры данных приборов приведены в таблице 1.

В качестве тестовых испытаний исследовалось переключение рассматриваемых силовых транзисторов в схеме с индуктивной нагрузкой, шунтированной встречно-параллельным диодом. Режим нагрузочного тока непрерывный. Контролировались стандартные электрические параметры: напряжение насыщения, время задержки и фронтов переключения, энергия динамических потерь. Осциллограммы переключения для каждого силового транзистора приведены на рис. 2-11.

Значения измеряемых параметров представлены в таблице 2.

Полученные результаты позволяют рассчитать среднюю мощность рассеяния, приходящуюся на каждый из силовых транзисторов по следующей формуле:

где Qз — заряд переключения во входной цепи транзистора; Еу — напряжение формирователя импульсов управления; D — скважность; f — рабочая частота переключения.

Результаты расчета для различных порядковых значений частот переключения представлены в таблице 3.

Таблица 3

Как следует из полученных данных, каскод-ный ключ превосходит свои аналоги при частотах переключения в единицы килогерц, когда решающий фактор — его преимущество по остаточным падениям напряжения или по составляющей статических потерь. Именно эти потери являются относительно высокими для МОП полевых транзистора, в котором отсутствует эффект модуляции дрейфовой области, что делает фактически неконкурентоспособным его дискретный вариант в области высоких напряжений и токов. С ростом частоты пропорционально увеличиваются динамические потери, и в области десятков килогерц показатели экспериментального ключа и IGBT выравниваются. Это прежде всего связано с большими потерями каскодного транзистора на переключение. На фронте включения необходимо достаточно быстро разрядить входную емкость унитрона, в которой сосредоточен заряд, обеспечивающий блокирующие свойства прибора. Это всегда было непростой задачей, которая, однако, постепенно решалась от одной конструкции силового транзистора к другой. Наиболее эффективным решением оказалось использование внутренних особенностей структуры силового транзистора, связанных с явлением коллектирования носителей на активном участке фронта включения, что позволило создать дополнительные условия для быстрого разряда паразитной входной емкости. В результате на фронте включения данного транзистора отчетливо наблюдается эффект «квазирегенерации» (см. рис. 2 и 8), позволяющий снизить потери энергии Eon более чем на 30% по сравнению со стандартными образцами каскодных биполярно-полевых транзисторов.

С приближением рабочих частот к уровню сотен килогерц решающим фактором, как и ожидалось, становится мощность потерь, связанная с переходным процессом переключения силового транзистора. В данном диапазоне частот отчетливо проявляются преимущества быстродействия МОП полевого транзистора, не связанного с необходимостью удаления из структуры прибора неосновных носителей. Для оптимизации структуры IGBT для высокочастотного применения требуется соответствующее регулирование времени жизни носителей, где, как известно, преимущество имеет метод протонной обработки кристаллов. В экспериментальных образцах каскодного транзистора использовался (по экономическим причинам) более дешевый способ регулирования времени жизни— электронное облучение, что, во-первых, увеличивает прямые падения напряжения на приборе и, во-вторых, не столь эффективно обеспечивает снижение остаточного (хвостового) тока прибора. Особенно это заметно для силовых транзисторов первого поколения класса 600 В, что стало основной причиной относительно высокого значения энергии потерь при выключении.

В практическом применении интерес представляет также обратная задача: по известному значению мощности рассеяния, отводимой от силового транзистора тем или иным способом, определить предельную частоту работы ключа. Величина предельной частоты определяется по следующей формуле:

Р0 в данной формуле означает величину мощности, которую возможно отвести от структуры прибора, что, в свою очередь, определяется тепловыми характеристиками транзистора, способом его монтажа, конструкцией применяемого радиатора и видом охлаждения. Например, при естественном воздушном охлаждении с применением пластинчатого гладкого или ребристого радиатора размером 100-150 см2 максимальная отводимая мощность для силовых транзисторов с тепловым сопротивлением 0,5-1 °С/Вт составляет не более 10-16 Вт. А при принудительном воздушном охлаждении со скоростью порядка 2-5 м/с Р0 составляет порядка 25 Вт. Именно для этих значений Р0 был рассчитан ряд предельных частот для исследуемых транзисторов. Результаты представлены в таблице 4.

Литература

  1. Бономорский О. И., Воронин П. А., Щепкин Н. П. Быстродействующий каскодный ключ с полевым управлением // Силовая электроника. 2005. № 1.
  2. Уильямс Б. Силовая электроника: приборы, применение, управление: Справ. пособие / Пер. с англ. В. В. Попова. М.: Энергоатомиз-дат. 1993.


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо