Электронная компонентная база силовых устройств. Часть 3

Все статьи цикла.

В работе [1] указывается, что, несмотря на очень широкую номенклатуру компонентов для современных силовых устройств (СУ), в рамках разумных ограничений возможно дать обзор компонентной базы для наиболее широко распространенных классов СУ, интересующий читателей. Это касается, прежде всего, компонентов для импульсных источников вторичного электропитания (ИВЭ), различных инверторов и преобразователей, регуляторов напряжения, устройств управления электроприводом промышленного и специального назначения и т. п. В основном предметом рассмотрения выбраны силовые электронные компоненты для применения в импульсных ИВЭ с мощностью более 500 Вт, для электроприводов и других СУ с мощностью до 40 кВт, а в некоторых случаях — до 100 кВт. То есть главным образом рассматриваются характеристики и особенности силовых электронных ключей на токи от 10-20 до 200-250 А и более, с напряжениями от 100 до 1200-4500 В и более, как отечественного, так и зарубежного производства. Для иллюстрации возможностей силовых приборов будут также приведены некоторые параметры приборов на напряжения более 2000 В и токи более 1000 А. Непосредственно в статьях [1, 2] были описаны:

• низкочастотные и быстродействующие диоды и сборки элементов, включая диоды Шоттки;
• тиристоры: традиционные (триодные), запираемые (GTO, GCT, IGCT), оптотиристоры;
• симисторы и оптосимисторы.

Отмечено, что на рынке силовой электроники в России в последние годы значительно продвинулись вперед отечественные предприятия — производители силовых электронных компонентов, использующие передовые зарубежные технологии и современное высокопроизводительное оборудование [3, 4].

Перейдем к рассмотрению структур, а также особенностей и основных параметров следующих классов современных силовых полупроводниковых приборов:

• полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET);
• биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT),
• силовые модули, в том числе интегрированные силовые модули (IPM).

Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)

Мощные полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным n- или р-каналом выполняются по схеме «металл — диэлектрик (окисел) — полупроводник (МДП, или MOS)» и сокращенно называются МОПТ, или MOSFET. Первый силовой MOSFET, выпущенный International Rectifier в 1979 году, «дал путевку в жизнь» этим новым, более совершенным, чем биполярные транзисторы, силовым приборам. С конца 1980-х годов силовые высокочастотные MOSFET, особенно на Западе, стали уверенно вытеснять господствовавшие до этого времени мощные биполярные транзисторы в диапазоне напряжений до 500-600 В и токов 8-10 А, применявшиеся, в частности, в импульсных ИВЭ [5]. Биполярные мощные высоковольтные (400-1000 В) транзисторы на токи 8-60 А, например, такие как КТ846А, КТ872А, КТ8127, BU508, ВиХ48А, ВиУ98А, BUV298AV и другие, какое-то время еще применялись, благодаря низкой величине напряжения насыщения U_CE (1-1,5 В), отлаженной технологии изготовления и сравнительной дешевизне. Но к середине 1990-х годов увеличение допустимого напряжения (U_DSS) полевых транзисторов MOSFET до 800 (900) В, токов (ID) до 15-20 А и, соответственно, допустимой мощности рассеивания (PD) с 100-125 до 195-280 Вт и более ознаменовало окончательную победу MOSFET. Немаловажную роль сыграло также массовое их освоение, что всегда приводит к снижению цены изделий. Аналогично шел процесс вытеснения силовых модулей на основе биполярных транзисторов модулями на MOSFET и особенно на IGBT.

В отличие от биполярных транзисторов, полевые транзисторы управляются напряжением (электрическим полем) и поэтому имеют очень большое входное сопротивление (мегаомы) [6]. Такие транзисторы нормально закрыты и открываются, если напряжение затвор-исток (G-S) достигает определенного порога (threshold) — U_{GS th}, который для мощных высоковольтных MOSFET обычно составляет 3,5-6 В. Кроме того, к их достоинствам следует отнести:

1. Большую перегрузочную способность в импульсном режиме, то есть отношение между максимально допустимыми значениями импульсного тока стока к постоянному току стока I_D (I_DM/I_D) обычно составляет для зарубежных транзисторов 4.
2. Линейную зависимость напряжения на открытом канале сток-исток (D-S) от протекающего тока стока ID при практически постоянном сопротивлении (имеет место зависимость от температуры) открытого канала R _{DS on}.
3. Малое изменение сопротивления открытого состояния канала сток-исток RD_S on не оказывает существенного влияния при параллельном включении полевых транзисторов [7]. Если, например, включаются два полевых транзистора вместо одного, то получается экономия в мощности потерь на открытом эквивалентном ключе ровно в 2 раза (при условии идеального разделения тока и постоянстве RD_S on). В то же время при параллельном включении двух биполярных транзисторов (также при идеальном разделении тока) можно получить экономию мощности потерь в эквивалентном ключе только в 1,1-1,2 раза.

Важно отметить, что при параллельном соединении MOSFET возможно возникновение паразитных высокочастотных (ВЧ) колебаний. В статье [8] рассмотрены причины и методы устранения таких колебаний на примере MOSFET-транзисторов типа APT5024BLL (UD_DSS = 500 В, ID = 22 А) фирмы Advance Power Technology (APT). Каждый транзистор между затвором и выходом драйвера типа MIC4452 (Micrel) имел резистор сопротивлением 10 Ом. Паразитные ВЧ-колебания возникали при скачках напряжения на стоке транзисторов в моменты переключения, причем частота этих колебаний составляла 50-250 МГц. Напряжение на транзисторах было 333 В при импульсе тока амплитудой 44 А (при температуре 25 °С). Добавление индуктивного элемента (L) в виде ферритового цилиндра с отверстием по оси (Ferrite bead) в цепь затвора устраняло паразитные колебания с минимизацией потерь при переключении. Такой способ применялся и ранее для подавления паразитных колебаний при использовании биполярных ВЧ-транзисторов. Он более эффективен, чем просто использование резисторов в цепи затвора MOSFET, поскольку импеданс индуктивного элемента L прямо пропорционален частоте. Так, при ширине полосы пропускания сигнала с драйвера MIC4452 примерно 2 МГц частота паразитных ВЧ-колебаний (50-250 МГц) лежит значительно выше и поэтому хорошо подавляется. Использование вместе с L резистора усиливает эффект подавления колебаний; при этом резистор может быть более низкоомным: 1-4,3 Ом.

Вместе с тем при использовании MOSFET необходимо учитывать также такие особенности и рекомендации, как, например, приведенные в [9]:

• Необходимость устанавливать ограничители перенапряжений между затвором и истоком, поскольку допустимое напряжение обычно не должно превышать 20 В.
• При активном запирании мощных высоковольтных транзисторов ток заряда емкости Миллера, «подключенной» между выводами сток-затвор, протекает по внутреннему импедансу генератора управляющего импульса. При этом он уменьшает (буквально «выгрызает») ток запирания отрицательного импульса, подаваемого в цепь затвор-исток (G-S).

Основные характеристики MOSFET, которые приводятся в справочных данных:

1. Предельные параметры:

• максимальное напряжение сток-исток U_DSS^;
• максимальный ток стока ID;
• максимальная рассеиваемая мощность P_D (P_tot).
• Сопротивление открытого состояния канала сток-исток R_{DS on}, обуславливающее статические потери мощности на транзисторе.
• Пороговое напряжение отпирания на затворе U_{DS th}.
• Параметры быстродействия:

• время задержки включения t_{d on};
• время нарастания сигнала в силовой цепи t_r;
• время задержки выключения t_{d off}
• время спада сигнала t;
• время восстановления обратного сопротивления t_rr встроенного антипараллельного диода.
• Энергия одного переключения (мкДж): E_on — при включении и E_off— при выключении, то есть суммарная энергия одного переключения составляет E_tot. = E_on + E_off.
• Энергия (мДж) разрушающего лавинного (avalanche) пробоя: E_AR — для повторяющихся импульсных перегрузок; E_AS — для одиночного импульса.

Первыми российскими, по-настоящему мощными MOSFET (>400 В) были разработанные и выпускавшиеся с начала 1990-х годов n-канальные транзисторы КП809 производства ВЗПП (Воронеж) [10]. Они выпускаются и сейчас на напряжение 400-750 В и токи 25-8 А соответственно. Эти транзисторы хорошо себя зарекомендовали. Один из авторов статьи был в числе первых потребителей этих транзисторов и использовал КП809Б1 в мощных (1500 Вт) источниках бесперебойного питания [11].

Технические характеристики некоторых отечественных и зарубежных MOSFET приведены в таблице 1.

Малая номенклатура мощных полевых транзисторов в 1990-е годы, да и сейчас тоже, возмещается за счет импорта зарубежных MOSFET. Они способны работать в широком диапазоне мощностей, напряжений и токов, а также обладают более высокими показателями качества и надежности. Чтобы выжить в тех непростых условиях, в конце 1990-х гг. некоторые предприятия в России и странах СНГ, на основе закупки импортных полупроводниковых кристаллов, корпусов, материалов, а также оборудования, стали полулегально и легально налаживать выпуск хорошо известных моделей зарубежных полевых транзисторов. В наибольшей степени это коснулось транзисторов фирмы International Rectifier (IR), например, таких как IRF640-RF840, IRFP350-IRFP460 (табл. 1).

В последние годы, в связи с возрождением российского ВПК и частично промышленности, положение с выпуском отечественных мощных MOSFET, как низковольтных, так и высоковольтных, стало меняться в лучшую сторону. В этой связи отметим транзисторы типа 2П7160 (Г, Д), выпускаемые ОАО «Фрязинский завод мощных транзисторов» [12]. Эти транзисторы имеют следующие характеристики: U_DSS = 400 В (500 В), ID = 23 А (20 А), PD^ 150 Вт, R_{DS onn} = 0,23 Ом (0,2 Ом). Транзисторы 2П7160 (Г, Д) выпускаются по техническим условиям АЕЯР.432140.374ТУ. ОАО «ОКБ «Искра»» совместно с ОАО «Ангстрем» (Зеленоград) разработало мощный высоковольтный DMOSFET-транзистор (то есть транзистор со встроенным «антипараллельным» диодом) с поликремниевым затвором серии 2П (КП)715 [3, 13]. Транзистор имеет напряжение UDSSS = 600-1200 В, ток стока ID = 50-75 А, сопротивление R_{DS on} = 0,08-0,3 Ом и низкие потери при переключении. Конструкция и технология изготовления транзистора обеспечивают высокие параметры быстродействия за счет низких значений входной, выходной и проходной емкостей, а также малой величины заряда затвора. Кристаллы транзистора монтируются в специально спроектированный металлокерамический корпус с безындуктивными выводами. Корпус имеет высокую теплопроводность благодаря применению в качестве изолятора оксида бериллия (ВеО) и имеет широкий диапазон рабочих температур (от -60 до 150 °С). Прибор с успехом может применяться в СВЧ-устройствах и ВЧ-преобразователях, в частности, в резонансных режимах на частотах 200 кГц и выше.

Среди других новых MOSFET укажем на разработку мощных n-канальных DMOSFET-транзисторов с напряжениями U_DSS — 30, 60, 100, 200, 600, 800 и 1200 В на токи ID = 10-80 А (30 типономиналов транзисторов) и мощность рассеяния 150-200 Вт. НИОКР выполнена в 2007 -2008 годах ОАО «ОКБ «Искра»» [13] совместно с ОАО »Ангстрем» [14]. Транзисторы создавались для спецтехники, получили наименование 2П2829А-Ж и были выполнены в дискретных корпусах типа КТ-105-1 (аналог ТО-259АА), КТ43 (ТО-247), КТ-97 (ТО-254). Транзисторы 2П829А9-Ж9 выполнены в корпусах для поверхностного монтажа — SMD-корпусах типа КТ106-1 (SHD-6), КТ-95 (SMD-2) и др. Надежность транзисторов была подтверждена в ходе испытаний в соответствии с требованиями комплекса стандартов «Климат-7» со значениями характеристик по группе 6У. В статье [14] утверждается, что по своим подходам в области радиационной стойкости DMOS-технологий ОАО «Ангстрем», наряду с фирмой IR, заняло лидирующие позиции в мире. Положительные результаты испытаний позволяют рассматривать эти транзисторы в качестве перспективных компонентов при модернизации и создании системы ГЛОНАСС и другого спутникового оборудования. Приведем другие характеристики высоковольтных транзисторов серии 2П829ХХ:

• 2П829А (2П829А9): UDSSS = 1200 В, ID = 10 А, PD = 200 Вт, R_{DS on} = 1 01м;
• 2П829Б (2П829Б9 ): UDSS = 800 В, ID = 15 А, PD = 200 Вт, R_{DS on} = 0,T ом;
• 2П829В (2П829В9 ): UD^SS = 600 В, ID = 20 А, PD = 200 Вт, R_{DS on} = 0,15 Ом.

В таблице 1 приведены технические характеристики некоторых высоковольтных MOSFET большой мощности ведущих зарубежных фирм [15-18]. Представленные модели имеют существенно лучшие параметры, чем отечественные полевые транзисторы, в том числе: напряжения U^SS = 500-1200 В, токи ID = 20-70 А, мощность рассеяния P_D = 280-1040 Вт, сопротивление R_{DS on} = 0,045-0,3 Ом (в зависимости от значений UDSS, ID и технологии изготовления). Показатели быстродействия позволяют их использовать в преобразователях напряжения с рабочими частотами коммутации 100-300 кГц. Так, суммарное время нарастания и спада (t_r+t_f) составляет у основной массы транзисторов порядка 15-50 нс, а время восстановления обратного сопротивления встроенного антипараллельного диода trr = 250-1000 нс. Приведем для примера некоторые дополнительные параметры MOSFET типа APT 6010B2LL (UDSS = 600 В, ID = 54 А, PD = 690 Вт):

• Энергия одного переключения (для условий U_DD = 400 B, ID = 54 A, U_GS = 15 B, R_g = 5 Ом): при включении E_on = 855 мкДж и при выключении E_off = 970 мкДж.
• Энергия разрушающего лавинного пробоя: Е_AR = 50 мДж — для повторяющихся импульсных перегрузок и E_AS = 3000 мДж — для одиночного импульса.

Сейчас зарубежные фирмы начали выпуск силовых полевых транзисторов по технологии Power MOS 8. Так, в 2007 г. компания Microsemi объявила о выпуске первых 15 моделей новых MOSFET этой технологии [3], в частности, 10 моделей MOSFET и пять MOSFET со встроенным диодом со сверхбыстрым восстановлением, или FREDFET. Напряжение блокирования транзисторов составляет U_DSS= 500-1200 В, ток ID = 19-75 А, RDS _on = 0,075-0,8 Ом. Затем компания дополнила семейство еще десятью моделями FREDFET на напряжение 500 и 600 В, токи от 18 до 97 А и R_{DS on}= 0,04-0,43 Ом.

Дальнейшее повышение уровня и качества MOSFET связано с освоением карбида кремния (SiC). В настоящее время на карбиде кремния выпускаются лишь диоды Шоттки (основной производитель — фирма Cree). Вместе с тем ведутся активные работы по созданию SiC-транзисторов. Есть информация [4] о том, что в лаборатории Университета штата Нью-Джерси на 4H-SiC создан полевой транзистор с вертикальной структурой и затвором по технологии Power MOS 8 на основе р-n-перехода. Блокирующее напряжение транзистора составляет 10 кВ, плотность прямого тока — 23 А/см2 при напряжении стока 2 В, = 106 м0м/см².

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)

Идея использовать совместно мощный высоковольтный биполярный транзистор (БПТ) с полевым транзистором (ПТ), то есть выполнить такой комбинированный составной транзистор, возникла еще в конце 1970-х гг. К тому времени появились первые высоковольтные MOSFET средней мощности. В комбинированной структуре входной ПТ позволял обеспечить малую мощность управления за счет малого входного тока (тока затвора) и несколько улучшал параметры быстродействия, по сравнению с БПТ по схеме Дарлингтона. Но это был лишь частичный успех. Более плодотворная и использующаяся до наших дней идея состояла в применении низковольтного сильноточного MOSFET для эмиттерной коммутации мощного высоковольтного БПТ. Перечислим преимущества такого решения:

1. Низковольтные MOSFET имеют малое значение сопротивления открытого канала R_{DS on}(сотые — десятые доли Ом).
2. Сохранялось малое падение напряжения на коллекторе транзистора U_{CE sat} — при прямом смещении.
3. Расширялась область безопасной работы биполярного транзистора, поскольку он оказывался включенным по схеме с общей базой (а не с общим эмиттером).
4. Увеличивалось быстродействие, прежде всего, за счет уменьшения времени спада t_f и времени рассасывания (t_s) неосновных носителей в базе БПТ при «обрыве» эмиттерной цепи. Такие комбинированные ключи могут работать на частотах коммутации до 50-80 кГц.

   В статье [19] описываются результаты экспериментальных исследований, проведенных специалистами фирмы STMicroelectronics (ST) для комбинаций транзисторов различных классов. В частности, исследовались МОПТ (Power MOS) типа SGSP321, SGSP352 и мощные БПТ типа BUX48, BU508 и др. Так, у транзистора BUX48 ( Uc_er = 850 В, Ic = 15 А, PD = 175 Вт) при импульсном токе 10 А было получено: при базовой коммутации — t_f= 0,2 мкс и t_f = 2 мкс, а при эмиттерной коммутации — t_f = 0,1 мкс и t_f = 0,5 мкс (преимущества очевидны). В настоящее время фирма STMicroelectronics выпускает гибридную реализацию рассмотренной комбинации (Emitter Switched Bipolar Transistor, ESBT) [4, 20]. В таком приборе в одном корпусе смонтирована пара: высоковольтный БПТ-МОПТ, в которой транзисторы включены по каскадной схеме. Транзисторы ESBT (STMicroelectronics) имеют следующие параметры:

   • STC08DE150HV: U_CES = 1500 В, I_c = 8 А, PD = 156 Вт, U_CES = 0,6 В, R_{DS on} = 0,075 Ом; t_f/t_s = 8,5/526 нс;
   • STC03DE170HV: U_CES = 1700 В, I_c = 1,8 А, PD = 100 Вт, U_CES=- 1 В, R_{DS on}= 0,55 Ом; t_f/t_s= 14/760 нс,
   • STC08DE220HV: U_CES = 2200 В, I_c = 6А, PD = 166 Вт, U_CES=1 В, R_{DS on}= 0,55 Ом; t_f/t_s = 20/526 нс,

   Заметим, что у MOSFET с U_DSS = 1500 В пока сопротивление в открытом состоянии значительно больше, тем более, что такие транзисторы значительно дороже. Значение напряжения насыщения U_{CE at}. порядка 0,6-1 В, благодаря чему минимизированы потери проводимости. А небольшая величина «хвостового» тока минимизирует потери переключения (динамические потери). Все транзисторы семейства ESBT поставляются в 4-выводных корпусах ТО-247.

   Собственно биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ, или Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) был создан в 1982 году специалистами фирмы General Electric. Этот транзистор представляет собой сочетание входного MOSFET-транзистора с выходным мощным биполярным рnр-транзистором. В кристалле единичные IGBT размером порядка 10 мкм объединены («запараллелены») в количестве сотен (дискретные IGBT-транзисторы) или тысяч (модули IGBT). Наибольшее применение в IGBT нашла практическая модель, которая имеет паразитную рnрn-структуру, образованную совместно с nрn-транзистором (дополнительный маломощный биполярный транзистор) [7]. Этот транзистор нормально заперт благодаря шунтированию его эмиттер-базового перехода внутренним, сравнительно низкоомным резистором. Вместе с основным силовым биполярным транзистором образовавшаяся структура создает глубокую внутреннюю положительную обратную связь. Такая связь создает предпосылки для образования тиристорного эффекта — эффекта «защелкивания». Иными словами, скорости изменения коллекторного напряжения dU_c/dt и тока dI_c/dt реально должны быть ограничены во избежание «защелкивания», что было особенно характерно для ранних моделей.

   Высоковольтные IGBT сочетают в себе как достоинства мощных MOSFET и биполярных транзисторов, так и их недостатки:

   • Большое значение максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер U_{CE max} (U_CES), которое может составлять от 600 до 1700 В и более.
   • IGBT управляются напряжением (зарядом) и имеют большое входное сопротивление (мОм), так же как и MOSFET.
   • Транзисторы нормально закрыты и открываются при такой же, как у MOSFET, величине порогового напряжения на затворе (U_{GS th}= 2-4 В).
   • IGBT обладают большей перегрузочной способностью в импульсном режиме, чем биполярные транзисторы, но меньшей, чем MOSFET.
   • Напряжение на переходе коллектор-эмиттер IGBT в открытом состоянии U_CES мало зависит от коллекторного тока I_, (для современных приборов U_{CE a}t = 2,0-4,5 В).
5. Заряд, накопленный в базе мощного рnр-транзистора, вызывает «хвост» при выключении IGBT от 0,25 до нескольких микросекунд в зависимости от разновидности (класса) прибора.

Отметим также, что IGBT занимают меньшую площадь кристалла по сравнению с MOSFET и, значит, дешевле. К существенным проблемам в управлении этих приборов можно отнести «высокопотенциальность» источника питания затвора. Речь идет о том, что между базой (не выведена) и эмиттером (выведен) силового (биполярного) транзистора в IGBT всегда присутствует высокое напряжение U_CE, пока он заперт. В то время как у обычного MOSFET, который нормально заперт, потенциал затвора отличается от потенциала истока не более чем на ≈±20 В. При некоторых проверках (по ТУ) затвор MOSFET закорачивается с истоком. В связи с этим требования к схемам управления и драйверам для MOSFET-приборов значительно снижены, по сравнению с похожими проблемами, которые необходимо преодолеть для IGBT, где, например, нужна защита от понижения напряжения затвора менее +8 В [9].

Особенности обеспечения защиты перехода затвор-эмиттер IGBT аналогичны рекомендациям для цепи затвор-исток MOSFET. Дополнительные рекомендации для применения IGBT:

• Необходимо предусматривать ограничение скорости изменения коллекторного напряжения и тока с запасом относительно предельных значений dUjdt и dIJdt, что одновременно снижает уровень электромагнитных помех.
• Для большинства IGBT величина коллекторного тока при КЗ не должна превышать 5-10-кратного максимального значения (с учетом температуры) и в течение ограниченного интервала времени (например, 10 мкс).

Подчеркнем, что основные достоинства IGBT проявляются в основном при рабочих частотах примерно от 1 до 100 Гц, то есть актуально применение этих приборов в устройствах управления электроприводом, в инверторах для мощных ИБП с ШИМ- и ЧИМ-управлением и т. п.

Основные характеристики IGBT:

1. Предельные параметры:00

• максимальное напряжение коллектор-эмиттер U_CES (U_{CE max})
• максимальный ток коллектора I_D;
• максимальная рассеиваемая мощность P_D (P_{CE max}).
• Напряжение насыщения на коллекторе в открытом состоянии U_CE обуславливающее статические потери мощности в транзисторе.
• Параметры быстродействия:

• • время задержки включения t_on;
  • время нарастания сигнала в силовой цепи t_r;
  • время задержки выключения t_{d off};
  • время спада сигнала tf;
  • время рассасывания trr встроенного антипараллельного диода.
  • Энергия единичного переключения E_tot или выключения E_off, определяющая динамические потери.

При разработке современных и новых IGBT основное внимание уделяется совершенствованию их структуры и технологии изготовления. Были разработаны транзисторы с «проколом» базы (Punch Through, PT, или эпитаксиальная структура) и без «прокола» базы (Non Punch Through, NPT, или гомогенная структура). Так, в моделях IGBT фирмы Advance Power Technology (APT) используется технология PT IGBT MOS 7, которая позволяет сбалансировать потери проводимости (статические потери) и потери на переключение (динамические потери) [21]. Технология PT IGBT MOS 7 практически идентична другим технологиям IGBT, но отличается от них комбинацией инжектирующего слоя р+ и буферного слоя n+. Благодаря наличию буферного слоя n+ контролируется коэффициент передачи тока транзистора за счет ограничения числа дырок, которые первоначально были введены в область дрейфа. Поскольку время жизни неосновных носителей в буферном слое значительно ниже, чем в дрейфовой области, то буферный слой поглощает захваченные дырки в момент выключения. В дополнение к этому «хвостовой» ток в PT IGBT контролируется ограничением общего времени неосновных носителей до того момента, когда они рекомбинируют. Это свойство называется управлением времени жизни неосновных носителей.

Высокой скорости переключения также способствует металлическая полосковая технология затвора. В результате этого приборы фирмы APT обладают более низким эквивалентным сопротивлением затвора — EGR (доли Ом), что существенно меньше, чем у приборов с поликремниевым затвором. Другие преимущества «полоскового» затвора: равномерное и быстрое возбуждение затвора; большая устойчивость к возможным дефектам, неизбежным при производстве; повышенная надежность при работе транзисторов с высоким током и при большой температуре. Управление PT IGBT MOS 7 практически идентично управлению MOSFET Power MOS 7 и допускает практически прямую замену устройства управления при выходном напряжении 12-15 В.

Авторы не обнаружили сведений о реальных разработках и тем более выпуске отечественных IGBT. Наиболее вероятное объяснение этому заключается, по нашему мнению, в следующем. В конце 1980-х годов в СССР не было серьезных наработок в этой области, и в трудные 1990-е годы российские предприятия не имели ни средств, ни возможностей восполнить этот пробел в силовых компонентах. В таком положении некоторые предприятия, например, такие как ОАО «Электровыпрямитель», предпочли сосредоточиться на разработке и выпуске IGBT-интегрированных силовых модулей, используя сотрудничество с ведущими зарубежными фирмами. В таблице 2 представлены технические характеристики некоторых зарубежных IGBT по данным [15, 17, 18].

Основная масса моделей дискретных IGBT-транзисторов производится по-прежнему с напряжением U_CES = 600 В, при котором возможно обеспечить наибольшее быстродействие и частоту коммутации до 150 кГц. Для достижения такой высокой частоты использовались технологии WARP, NPT IGBT, Power MOS 7 IGBT, HiPer Fast IGBT. 600-В транзисторы характеризуются более низкими значениями напряжения насыщения — в среднем U_{CE sat}<3 В. Эти транзисторы наилучшим образом подходят для реализации высокочастотных импульсных источников с питанием от однофазной сети переменного тока 220 (230) В; 50 (60, 400, 500) Гц. Напряжение U_CES = 900 В, на которое «рассчитаны», например, транзисторы IXGH12N90C (IXYS) и IRG4P50WD (IR), по сути, являлось промежуточным на пути к разработке и массовому освоению более высоковольтных транзисторов (>1200 В). В настоящее время по масштабам выпуска IGBT с напряжением U_CES = 1200 В приближаются к транзисторам с напряжением 600 В. Напряжение насыщения у IGBT-приборов в среднем составляет 3-3,5 В. Быстродействующие модели 1200-В транзисторов используются в высокочастотных инверторах и преобразователях импульсных ИВЭ с питанием от трехфазной сети переменного тока 3·220 (230) В («звезда») или 3·380 В («треугольник») с частотой 50 (60, 400, 500) Гц.

Транзисторы с напряжением 1700 В перестали быть редкостью. Приведенный в таблице 2 IGBT-прибор фирмы IXYS типа IXGH32N170 (IXBT32N170) имеет следующие основные параметры: U_CES = 1700 В; I_C = 32 А (110 °С) и 75 А (25 °С); PD = 350 Вт; =3,3 В. Параметры быстродействия: t_{d on} = 45 нс; t_r = 38 нс; t_{d off} = 270 не и t_f= 250 нс. Область безопасной работы (RBSOA/SSOA) составляет при индуктивной нагрузке: 90 Ах(0,8 U_CES = 1360 В). Упомянутый транзистор с индексом IXGH выполнен в корпусе ТО-247AD, а c индексом IXBT — в корпусе ТО-268 для поверхностного монтажа. В последнее время появились и более высоковольтные транзисторы на напряжения 2500, 3000 и 4000 В, например, IXLF19N250A, IXGF20N300 и IXGF30N400 соответственно (таблица 2). Они имеют приемлемые значения напряжения насыщения U_{CE sat}<4 В, но являются низкочастотными (не быстродействующими). Так, время спада tf у них составляет 0,25-0,5 мкс. Для таких транзисторов были специально разработаны корпуса типа ISOPLUS-264 и ISOPLUSi4-Pack с напряжением гальванической изоляции не менее 2500 Вэф. Лидером в разработке и производстве высоковольтных дискретных IGBT является фирма IXYS.

Примечание:
Т* — максимальная рабочая температура (90 или 110 °С).

В заключение отметим, что IGBT-транзисторы c TrenchStop (+Fieldstop) структурой имеют более низкое напряжение насыщения и значительно меньшие (на 40%) потери, по сравнению с NPT-транзисторами, при этом потери переключения не возрастают. Помехозащищенность структур с «утопленным» затвором лучше, чем у планарных приборов. Достоинства TrenchStop IGBT — в очень высокой прочности и стойкости к коротким замыканиям. Также важно повышение надежности и уменьшение вносимых электромагнитных помех — по сравнению со стандартными NРТ IGBT.

Интегрированные силовые модули

Успехи в развитии MOSFET и IGBT способствовали прогрессу в развитии силовых модулей на их основе. Силовые модули разделяются на стандартные и интегрированные (интеллектуальные) силовые модули — Integrating Power Switches (IPM).

Объемы выпуска силовых модулей непрерывно растут, а области их применения постоянно расширяются:

• инверторы, преобразователи энергии;
• устройства регулирования электропривода постоянного и переменного тока;
• коммутационная и защитная аппаратура. В IPM используются следующие полупроводниковые структуры:
• диодно-тиристорные структуры, в том числе с запираемыми тиристорами (IGCT);
• MOSFET-структуры: чопперы (ключ с последовательным диодом), полумосты и мосты с антипараллельными диодами в ключах;
• IGBT-структуры: чопперы, полумосты, одно- и трехфазные мосты (6 IGBT) с антипараллельными диодами в ключах;
• комбинация выпрямительного диодного моста с инвертором в одно- и трехфазном инверторном мосте (6 IGBT) с добавлением «тормозного» ключа (7-й IGBT в трехфазном модуле);
• более интегрированные MOSFET- и IGBT-структуры со встраиванием силовых управляющих драйверов.

По мнению авторов, такие силовые модули, как чопперы и полумосты, следует относить к IPM невысокой степени интеграции (иногда их называют стандартными). Однофазные и трехфазные MOSFET- и IGBT-мосты с антипараллельными диодами силовых ключей можно отнести к IPM средней степени интеграции. И наконец, упомянутые структуры со встроенными интегрированными драйверами уже представляют собой IPM высокой степени интеграции [22].

Интегрированные силовые модули на основе MOSFET выпускаются на напряжения до 400 (600) В и на токи 20-400 А, то есть на мощность не более 10-20 кВт. Это объясняется тем, что при напряжениях более 600 В (800-1000 В) существенно возрастает их стоимость, по сравнению с IGBT-модулями. Поэтому если существует необходимость использовать IPM на MOSFET на большее напряжение в каких-то применениях, то обычно используется их последовательное включение по питанию. Для получения больших токов прибегают к параллельному соединению таких структур. Отметим, что подобные решения используются и при выполнении IPM-IGBT на напряжения 2500 В (3300 В) и выше в энергетических устройствах и системах. Такой способ может оказаться более дешевым и более надежным.

Ведущие зарубежные фирмы—IXYS, Infineon, APT, IR, Fairchild, Semikron, Mitsubishi — выпускают широкую гамму IPM на напряжения 600, 1200, 1700, 2500, 3300, 4500, 6300, 10 000 В. Токи нагрузки таких IPM — от 30-100 А (мини-IPM) [22], а токи до 4500 А — у IPM супербольшой мощности (в различном исполнении и для различных применений). Здесь ограничимся рассмотрением IPM и их применением только на основе перспективных MOSFET- и IGBT-модулей, не затрагивая диодно-тиристорных и симисторных модулей.

Возможности интегрированных силовых модулей достаточно подробно описаны в работах [22-30], а в обобщенном виде — в статье авторов [25]. Поэтому в рамках данной статьи рассмотрим вкратце только некоторые IPM. IPM для импульсных ИВЭ Фирмы IXYS [15] и Infineon [16] разработали и выпускают силовые модули для сетевых ИВЭ (AC/DC-преобразователей): узлы активного корректора коэффициента мощности (ККМ/PFC) и работающего на него инвертора — с использованием MOSFET-ключей. В работе [26] авторов этой статьи приведен пример схемы импульсного ИВЭ с выходной мощностью 1200 Вт (27 В/45 А) с применением IPM фирмы IXYS. В частности, применены:

• ККМ-модуль типа VUM33-05N — однофазный выпрямительный мост и MOSFET-чоппер.
• MOSFET-модуль типа VHM40-06P1 в схеме однотактного прямоходового преобразователя напряжения («косой» мост). Параметры VHM40-06P1 (CoolMOS) для каждого из двух MOSFET: U_DSS = 600 В, ID = 38 А, R_{DS on} =0,07 Ом; время нарастания t_r/время спада t^· — 95/10 нс. У встроенных антипараллельных диодов: U_RRM = 600 В, I_FM = 18,5 А, время восстановления trr = 70 нс (ток 10 А).

IPM для регулируемого электропривода

Для использования в электроприводах малой мощности фирма International Rectifier (IR) [18] предложила интегрированные силовые модули платформы PlugeN&Drive в серии IRAMxxUP60x. Это трехфазные инверторы для управления электроприводом с мощностью от 600 до 2500 Вт. Они имеют следующие параметры IGBT:

• IRAMS10UP60B: U_CES = 600 В, I_c= 10 А (25 °С) — для электропривода до 750 Вт;
• IRAMY20UP60B: U_CES = 600 В, I_c=20 А (25 °С) — для электропривода до 2500 Вт.

Предложены две версии модулей — «А» и «В». Версия «А» использует 3-фазный мост на IGBT: 6 кристаллов 600-вольтовых IGBT (NPT, 5-го поколения) и 6 антипараллельных диодов — с открытыми эмиттерами нижних плеч. Версия «В» — та же структура, но с включением силового шунта для контроля тока в нулевой провод.

Фирма SEMIKRON в 2004 г. создала платформу конфигурации B6U+B6C1 (то есть 3-фазный выпрямитель + инвертор), названную платформой SEMIKUBE [23]. Она предназначена для построения приводов мощностью 75-1000 кВт. Концепция SEMIKUBE позволяет обеспечить широкий ряд мощностей за счет небольшого набора стандартных базовых блоков — «кубиков». Блок состоит из силового каскада со звеном постоянного тока, платы драйвера, осуществляющей функции управления, защиты и мониторинга, а также набора датчиков для осуществления этих функций. Модели SEMIKUBE применяются в приводах асинхронных двигателей, а также в системах выработки электроэнергии. Условия эксплуатации модулей SEMIKUBE: напряжение питания переменного тока — 3·400 В, 50 Гц или 3·460 В, 60 Гц; частота ШИМ — 3 кГц; cosφ = 0,85; Т_окр = 40 °С. Выбор класса напряжения IGBT определяется типом питающей сети. Например, для сети стандарта 3·380 В, 50 Гц предназначены модули с напряжением 1200 В, а для сетей 3·690 В, 60 Гц — с напряжением 1700 В.

Серия миниатюрных модулей MiniSKiiP разработана фирмой SEMIKRON для использования в приводах мощностью до 30 кВт. На европейском рынке доля этих компонентов составляет до 46% для этого диапазона мощностей. В таблице 3 приведены основные характеристики модулей MiniSKiiP.

Примечание. Условно обозначены конфигурации mini-IPM:
* — CIB (Convertor-Inver^or-Brake) — 3-фазный выпрямитель в комплексе с 3-фазным инвертором, управляемым драйвером и тормозным чоппером;
** — 6-pack — 3-фазный инвертор, управляемый драйвером, и терморезистор.

Продолжая это направление, компания SEMIKRON разработала к 2008 г. новое поколение IPM с интегральным драйвером на основе технологии SOI, полностью исключающей защелкивание IGBT. Mini-IPM имеют стандартную конфигурацию для электропривода: входной 3-фазный мостовой выпрямитель, 3-фазный IGBT-инвертор, тормозной чоппер. Семиканальный драйвер в виде высоковольтной интегральной схемы вырабатывает управляющие импульсы для всех 6 транзисторов инвертора и еще для чоппера. Он также осуществляет защиту от токовых перегрузок. Входы управления драйвера совместимы и с ТТЛ-3,3 В и КМОП. И кристаллы транзисторов, и чип драйвера, и резисторы затворов установлены на одной плате. В таблице 4 приведена: особенности структуры, технология и основные технические характеристики IGBT-модулей некоторых зарубежных фирм (Infineon и IXYS).

Рабочее напряжение всех lGBT-модулей составляет 1200 В, максимальные токи — от 115 до 1400 А.

В 2004-2008 гг. отечественные фирмы ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) [26], ОАО «Контур» (г. Чебоксары) [30], ЗАО «Протон-Импульс» (г. Орел) и некоторые другие освоили ряд силовых модулей, в том числе и IPM, на высокие напряжения и большие токи. Так, в ОАО «Электровыпрямитель» [27] за последние 10 лет увеличено производство IGBT-модулей с 35 до 300 типов (в 10 конструктивных исполнениях). Это стало возможным благодаря помощи немецких фирм Infineon и Eupec, а также компании «Интех Электроникс» [28], представляющей их на российском рынке, что позволило ОАО «Электровыпрямитель» получить доступ к высоким технологиям в области силовой IGBT-электроники. На предприятии разработана и внедрена в производство серия IGBT-модулей на большие напряжения и токи: 600 В (50-4800 А), 1200 и 1700 В (50-3600 А), 2500 В (50-1500 А), 3300 В (50-1200 А) и 6500 В (25-600 А). Модули этой фирмы выпускаются по схемам одиночных ключей (МТКИ, МТКИ-1), чопперов (МТКИД, МДТКИ), полумостовых (М2ТКИ) и 3-фазных инверторов (М6ТКИ). Модули соответствуют международным стандартам и выпускаются на основе системы качества ISO 9001:2000. В статье [29] приведены некоторые параметры модулей ОАО «Электровыпрямитель», в частности, напряжение насыщения U_{CE sat}и оптимальная частота работы — в зависимости от технологии и рабочего напряжения. Заметим, что с повышением рабочего напряжения >1700 В увеличивается величина U_{CE sat}и заметно снижается оптимальная частота работы (с 5-20 до 0,5-1,5 кГц) — с учетом технологии изготовления.

В ОАО «Электровыпрямитель» разработаны и освоены в производстве IGBT-модули транспортного исполнения, предназначенные для преобразовательного оборудования подвижного состава российских железных дорог. Модули этой серии могут работать в условиях жестких климатических и механических воздействий. По заказу ОАО «РЖД» разработаны IGBT-модули с напряжением электроизоляции 13 кВ. Создание таких модулей решает проблему преобразования напряжения контактной сети 3000 В в стабильное напряжение бортового питания электровозов, независимо от всех возможных колебаний и перенапряжений в тяговых сетях. На их основе разработаны высоковольтные преобразователи частоты (ВПЧА) с выходной мощностью от 500 до 2000 кВт для электроприводов асинхронных двигателей с напряжениями 6 и 10 кВ.

Несколько слов об IGBT-модулях ОАО «Контур» [30]. Здесь с 1998 г. разработана: несколько десятков таких модулей на напряжения 6001700 В и большие токи (до 400 А). Модули производятся на базе кристаллов ABB Semiconductors. Выпускаются следующие типы модулей:

• Одиночные ключи МТКИ с антипараллельным диодом: 1200 В, 200, 300, 400 A.
• Нижние чопперы МДТКИ: 1200 В, 50, 75, 100, 150, 200 A.
• Верхние чопперы МТКИД 1200 В, 50, 75, 100, 150, 200 A.
• Полумосты М2ТКИ: 1200 В, 50, 75, 100, 150, 200A.
• Шестиключевой мост МТКИ-100-12: 1200 В, 100 A.

Прочие характеристики модулей (собственно для IGBT): U_CES = 2,1-2,2 B, R_h;=0,05-0,23 °С/Вт, t_{d off} = 500-800 нс.

IPM для автомобильной силовой электроники

Важным направлением в развитии интеллектуальных силовых модулей является их использование в так называемых гибридных транспортных средствах — гибридомобилях. Своим названием эти автомобили обязаны тому, что используют для движения комбинацию двигателя внутреннего сгорания с электродвигателем. Одним из первых такие модули начала разрабатывать и выпускать фирма SEMIKRON. Модули получили название SKAI (сначала SEMIKRON Automotive Inverter, а потом — SEMIKRON Advanced Integration). Но так как область применения таких модулей оказалась широкой (подъемники, транспортеры, погрузчики и др.), то окончательно за ними в некоторых вариантах закрепилось название SKADS (SEMIKRON Advanced Drive Systems). Сейчас в связи с повышением требований, прежде всего на Западе, к топливной эффективности (энергосбережению), безопасности и экологичности автомобилей заметно усилился интерес к гибридомобилям. Гибридные автомобили (Hybrid Electric Vehicles, HEV) работают и на бензине, и на электричестве (электрический двигатель) [25].

Для управления модулями, одиночными и полумостовыми, выпускаются драйверы (о них пойдет речь в последующих частях этой статьи).

Продолжение следует