Развитие полупроводниковых ключей

Бурное развитие современной промышленной техники неразрывно связано с успехами энергетической или силовой электроники. Ее необходимость определяется большой потребностью в эффективных преобразователях и регуляторах электрической энергии. Характеристики и параметры силовых схем зависят от применяемых полупроводниковых приборов. Высокое качество полупроводниковых переключателей, их уникальные характеристики открывают перспективы совершенствования электронных устройств.

Энергетическая электроника предназначена для преобразования мощности, поэтому полупроводниковые элементы рассматриваются с точки зрения ключевого режима работы. Роль полупроводникового ключа заключается в коммутации различных частей схемы. Ключ должен обладать идеальными свойствами. Он должен мгновенно, при нулевой мощности управления, переключать бесконечно большие токи и блокировать бесконечно большие напряжения, иметь нулевое остаточное напряжение и токи утечки. Это возможно, при моделировании электронных схем на ЭВМ. Практические ключи могут лишь в той или иной степени приближаться к " идеальным "[1].

Разработка силовых ключей проходила поэтапно:

· С 40-х до 60-х годов были разработаны основные типы управляемых полупроводниковых ключей (биполярных и униполярных транзисторов и обыкновенных тиристоров). Повышение мощности приборов достигалось, за счет увеличения физических размеров структуры, что позволило обеспечить коммутируемые токи до 100 А и напряжение до 1000 В.

· В 70-х годах была разработана планарная технология, совершенствовались методы диффузии в полупроводниковые структуры и на базе вертикальных и многоканальных структур появились мощные биполярные и полевые транзисторы, способные рассеивать мощность в несколько ватт, затем были разработаны составные транзисторные и тиристорные ключи на дискретных элементах, сочетающих преимущества биполярных и полевых приборов.

· В 80-х годах были разработаны мощные гибридные модули с применением методов интегральной электроники. Появились совмещенные биполярно-полевые монолитные структуры. Коммутируемые токи составили сотни ампер и напряжения тысячи вольт. Тиристорные ключи стали полностью управляемыми с мегаваттным диапазон мощностей.

· Начало 90-х годов. Охарактеризовалось совершенствованием технологии, улучшением, качественных показателей ключевых приборов по быстродействию и остаточным напряжениям.

· Конец 90-х годов, характеризуется широким применением "интеллектуальных" приборов, субмикронных технологий, внедрением управляющих структур с изолированным затвором в структуры мощных тиристорных ключей. Наметилась тенденция по созданию универсального полупроводникового ключа, управляемого по изолированному затвору, с мощностью переключения, как у "тиристора", и остаточным напряжением, как прямое напряжение обычного диода.

В основу первых полупроводниковых ключей были положены теория выпрямления на границе р-п-перехода и открытие принципа полевого эффекта [2]. Исследования завершились созданием Бардиным и Браттеином в 1948 году точечного биполярного транзистора (рис. 1).

1949-1950г. Шокли на основе германия (Ge) разработал первый маломощный плоскостной биполярный транзистор - БТ (BJT - Bipolar Junction Transistor). В 1952 году был создан полевой транзистор с управляющим р-п-переходом - унитрон (Unipolar Transistor) (рис. 2).

Рис.1 Рис.2

Первый маломощный транзистор со структурой металл-диэлектрик-полупроводник МДП (MOS - Metal Oxide Semiconductor Transistor) был предложен Хофстейном и Хейманом в 1963 году, с использованием интегральной технологии (рис. 3).

Основой первых силовых приборов становится кремний (Si), что позволило расширить температурный диапазон, увеличить пробивное напряжение и мощность приборов. В 1955 году под руководством Молла исследуются кремниевые приборы с тиратронной характеристикой (тиристоры). В 1958 году Тешнер повысил мощность униполярного транзистора за счет цилиндрической геометрии. (Текнетрон) (рис. 4).

Увеличение размеров приборов с целью повышения тока и коэффициента усиления привело к ухудшению частотных свойств ключа. Увеличение площадей переходов и повышение допустимых напряжений увеличивали паразитные емкости и сопротивления каналов. В начале 60-х годов были изготовлены тиристоры на токи до сотен ампер и напряжения до 1000 В.

Рис. 4

Добротность показатель качества транзисторного ключа, ее повышение возможно за счет уменьшения длины канала протекания тока. Добротность усилительного прибора равна произведению коэффициента усиления на полосу рабочих частот. У полевых транзисторов этот параметр прямо пропорционален передаточной крутизне и обратно пропорционален величине входной емкости затвора. Для биполярного транзистора добротность тем выше, чем меньше время пролета носителей. Вертикальная структура позволяет получить этот параметр на порядок больше по сравнению с планарными приборами. Одноканальная вертикальная структура уступала планарному аналогу по тепловым свойствам, поэтому было предложено применить вертикальные структуры приборов с множеством параллельных каналов (рис. 5). Первыми высокочастотными приборами, мощностью несколько ватт на частоте до 100 МГц, были униполярные транзисторы вертикального типа. В 1964 году Тешнер и Зулиг представили структуру гридистора (Gridistor) и многоканального полевого транзистора (Multi-Channel Field Effect Transistor (Рис 6). Японский специалист Нишидзава (Nishizawa J.) разработал статический индукционный транзистор - СИТ (SIT - Static Induction Transistor), способный управлять в диапазоне частот до 5 МГц. К началу 70-х годов, выделялись три основных типа транзисторов: -биполярные, -с управляющим p-n-переходом и МДП. Движение тока в биполярных транзисторах основано на явлениях инжекции, переноса и собирания носителей. В качестве основных носителей могут использоваться как электроны, так и дырки. Название приборов - биполярные – означает использование носителей разных полярностей. Тиристоры тоже относятся к биполярным ключам.

Принципы их работы хорошо иллюстрирует разработанная еще в начале 50-х годов двухтранзисторная модель Эбepca (Ebers J.). Униполярные (полевые) транзисторы с управляющим р-п-переходом, и со структурой МДП используют только основные носители заряда, движение которых управляется напряжением на затворе, т.е. электрическим полем. Отсутствие явления инжекции и необходимости рассасывания заряда неосновных носителей при выключении определило преимущество полевых транзисторов перед биполярными:

· Коэффициент усиления биполярных транзисторов из-за снижения коэффициента инжекции резко уменьшается в области больших токов. С ростом запираемого напряжения эта проблема усугубляется. Крутизна полевых транзисторов неизменна в области рабочих токов, что обеспечивает их устойчивость к токовым перегрузкам по сравнению с биполярными.

Рис. 6

· Значительные токи утечки у мощных биполярных транзисторов уменьшают область безопасной работы ключа. Большие токи управления с учетом снижения коэффициента усиления повышает мощность потерь в цепях управления биполярными приборами. Высокое входное сопротивление полевых транзисторов и малый динамический заряд управления значительно снижают эту мощность.

· Отсутствие накопленного заряда неосновных носителей обеспечивает высокую скорость переключения полевых транзисторов и лучшие динамические характеристики по сравнению с биполярными аналогами.

· Однородный полупроводник обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления. Таким образом, полевой транзистор обладает теплоустойчивостью и способностью к самовыравниванию плотностей протекающего тока. В биполярных структурах в противоположность этому присутствует эффект локального перегрева. Таким образом, полевые транзисторы менее подвержены резким изменениям токовой нагрузки, что особенно ценно в многоканальных структурах.

На практике все оказалось не так просто.

· Напряжение насыщения высоковольтных биполярных транзисторов много меньше, чем полевых. Высокое сопротивление канала протекания тока, увеличивающегося с ростом пробивных напряжений, ограничили область использования полевых транзисторов устройствами высокочастотного применения и низковольтными (менее 100 В) схемами.

· Из-за высокого температурного коэффициента сопротивление открытого канала практически удваивается при температуре кристалла близкой к 150°С. Эта температура и оказалась критической для применения полевых транзисторов, тогда как биполярные приборы имели аналогичную температуру равную 200°С. Разность в 50°С, плюс снижение порогового напряжения с повышением температуры ограничили применение мощных полевых транзисторов при температуре окружающей среды близкой к 100°С.

Полученные результаты побудили разработчиков скомбинировать полезные свойства полевых и биполярных структур.

Задача заключалась в получении высоковольтного прибора с высоким входным сопротивлением и низким остаточным напряжением при сохранении высоких динамических показателей. Первые разработки были связаны с попытками приблизить характеристики биполярного ключа к полевому по схеме сдвоенного эмиттерного повторителя Дарлингтона (рис.7). В этой схеме коэффициент усиления равнялся произведению коэффициентов передачи составных транзисторов, и относительно большое входное сопротивление. Время выключения, составлявшее несколько мкс, на порядок и более уступало полевым транзисторам. Напряжение насыщения транзисторной сборки значительно увеличивалось с одновременным ростом потребляемой мощности. В 1978 году была разработана схема составного транзистора (рис.8), где в качестве управляющего ключа использовался мощный МДП-транзистор. Прибор, (побистор), сочетал свойства полевого и биполярного ключа, при незначительной мощности в цепи управления обеспечивал переключение тока в несколько десятков ампер при скорости переключения 200-400 нс. Аналогичные ключи использовались для управления приводом электродвигателей. Недостатки схемы связаны с низким коэффициентом усиления биполярного транзистора (для высоковольтных структур не более 10).

Рис. 7 Рис. 8

Другое направление представлено самосовмещенными монолитными структурами с МОП-затворами, выполненными методом двойной диффузии. Монолитные биполярно-полевые структуры изготовлены на основе вертикальной технологии ДМДП-транзисторов. В них реализовывалось совмещение функций полевого управления и биполярной проводимости. Аналогичное дискретной схеме побистора. В этих структурах наблюдался эффект потери управляемости после отпирания, эффект "защелкивания".

Применение технологической шунтировки эмиттерных переходов в самосовмещенной структуре позволило подавить нежелательный триггерный эффект и создать биполярный транзистор с изолированным затвором - IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Были разработаны приборы дискретного и модульного типов на токи от десятков до сотен ампер с напряжением блокировки до 1200 В. MOS-тиристоры фирмы "Motorola" к середине 80-х годов дополняются структурами с полевым запиранием - названные МСТ (MOS Controlled Thyristor) (рис. 9), отпираются и запираются полем при очень высоких плотностях тока (> 2000 А/см²). Разработка этих приборов столкнулась с серьезной проблемой - резким снижением допустимой плотности тока с ростом числа структурообразующих элементов. Значительно больших успехов достигла технология запираемых или двухоперационных тиристоров - GTO (Gate Torn-OffThyristor). Технологические успехи 80-х годов позволяют фирмам-изготовителям почти в 100 раз повысить мощность, переключаемую GТО (до 2500 А по току и 4500 В по напряжению). В зависимости от обратного блокирующего напряжения различают структуры без шунтировки анодного перехода и с шунтировкой, а также структуры со встроенным обратным диодом. Две последние обладают меньшим остаточным напряжением. Главное применение GTO в мощных высоковольтных цепях. В середине 80-х годов на запираемых тиристорах были разработаны инверторы напряжения для двигателей электровозов. Это позволило заменить на железнодорожном транспорте двигатели постоянного тока на более экономичные двигатели переменного тока, снизить энергопотребление и повысить эффективность перевозок.

Рис. 9

Однооперационные тиристоры (SCR) занимают очень узкую нишу применения. Как правило, это высоковольтные линии электропередачи постоянного тока (ЛППТ). К концу 80-х годов предельные токи и напряжения тиристоров составляют 3000 А и 6000 В.

Конкуренцию запираемым тиристорам составляют индукционные тиристоры - ИТ (SITh - Static Induction Thyristor), разработанные на базе индукционных транзисторов в Японии и имели структуру, сходную с полевыми тиристорами FCT. Преимуществом индукционных тиристоров перед GTO является:

- отсутствие внутренней положительной обратной связи. Это повышает помехоустойчивость ключа и его рабочую температуру до 200°С;

- малое прямое падение напряжения при относительно высоких пробивных напряжениях;

- обладает положительным температурным коэффициентом;

- устойчив к большим импульсным перегрузкам по току. Параметры мощного ключа составляли 1500 А и 2500 В. К серьезному недостатку прибора относится его нормальная открытость, т.е. способность проводить ток при нулевом смещении на затворе. Это требует более сложной системы управления и снижает надежность применения.

Возрастающие требования экономии электроэнергии, повышения КПД систем силовой электроники, уменьшения их размеров, веса и стоимости выдвигали новые задачи по созданию высокоскоростных переключателей с минимальными потерями в широком диапазоне мощностей. Требовалась устойчивость ключевых приборов к перегрузкам по току, лавинному пробою, триггерному эффекту. Применение контроллеров в системах управления преобразователями накладывало дополнительные требования к характеристикам управляемости ключа.

Принцип работы новых типов полупроводниковых ключей и его физические характеристики заключены в структуре элементарной ячейки, из множества которых он затем собирается. А мощность, которую данный ключ способен переключать, зависит от размеров активной площади кристалла, на котором реализуется его многоячейковая структура. Чем сложнее структура элементарной ячейки, тем ближе ключ по своим характеристикам к идеалу, но тем труднее реализовать эту технологию на больших размерах активной площади. Это противоречие и лежит в основе многообразия типов полупроводниковых ключей:

- активная площадь кристалла ключевого прибора пропорциональна уровню предельного тока и пробивного напряжения. Этот фактор и лег в основу разделения технологий производства ключей по уровню напряжений;

- второй фактор, область применения прибора в системах тех или иных электронных сетей: бортовых, однофазных, трехфазных, контактных, электропередающих.

Для напряжений 50...100 В разработана технология высокочастотных МДП ключевых транзисторов. Они нашли широкое применение в преобразователях типа DC-DC для источников питания бортовых схем и устройств автомобильной электроники. Использовался метод плазменного травления. В пластине кремния создавались вертикальные канавки, заполняемые поликремнием (SiO₂) используемые в качестве вертикального затвора. Этот технологический прием, получивший наименование "Trench", был применен и в более мощных транзисторах. Вертикальные канавки затвора позволили увеличить плотность размещения элементарных ячеек и снизить сопротивление открытого канала RON- Был введен параметр качества прибора - произведение сопротивления канала на площадь кристалла. Компания "Infineon Technologies", разработала технологию S-FET2 транзисторов с сопротивлением открытого канала 3 мОм на площади кристалла 30 мм², которые могут использоваться в широком диапазоне токов от десятков до сотен ампер. В диапазоне мощностей от десятков до сотен ватт они вытеснили биполярные аналоги.

Для преобразователей электрической энергии типа AC/DC мощностью от сотен ватт до десятков киловатт разработаны транзисторы со структурой MOS, SIT и IGBT. В схемах, однофазной сети переменного тока, применялись транзисторы с пробивным напряжением до 600 В. В МДП-структурах проблема при таких напряжениях заключалась в снижении остаточного сопротивления. В 1998 году, фирма "Infineon Technologies" разработала технологию, получившую название CoolMOS. Создание глубокого сильнолегированного p-слоя позволило повысить показатель качества транзистора в 5 раз. И у них более низкие значения паразитных емкостей и по динамическим характеристикам они более чем в 3 раза превосходят стандартные аналоги.

Применение специальных разделительных канавок позволило разработать высокочастотные индукционные транзисторы с высоким коэффициентом усиления на напряжение 600 В (рис. 10). По сравнению с МДП-транзисторами последние имели значительно меньшую входную емкость. Однако высокое сопротивление открытого прибора (до единиц ом) и необходимость подачи отрицательного смещения ограничили применение СИТ областью токов до единиц ампер. Малые сопротивления открытого канала транзисторов достигались при прямой полярности напряжения на затворе. К недостаткам относится тепловая нестабильность и возможность теплового пробоя. Плотность тока в структурах IGBT значительно медленнее уменьшается с ростом рабочих напряжений, чем у МДП-транзисторов.

Главная задача при разработке таких транзисторов заключалась в уменьшении прямых падений напряжения и повышении их быстродействия. Включение дополнительного высоколегированного n+-слоя в структуру транзистора, названного буферным, позволило повысить уровень пробивных напряжений и скорость переключения. На напряжение классом 600 В была разработана целая серия IGBT-ключей с предельными токами в десятки и сотни ампер для диапазона частот 20... 100 кГц. К концу 90-х годов применяется уже третье поколение (рис. 11).

Рис. 10

Такая конструкция IGBT с буферным слоем называется эпитаксиальной, или структурой РТ (Punch-Through). Фирма "Siemens" разработала технологию однородной структуры, называемой гомогенной, или структурой NPT (Non-Punch-Through). РТ структура позволяет достигать более низких величин остаточного падения напряжения, особенно при пробивных напряжениях (до 600 В). РТ-, и NPT-структуры использовались при разработке IGBT-ключей с напряжением 1200В. Применение данных ключей в ШИМ-преобразователях с напряжением питания от 380 до 500В позволило увеличить преобразуемые мощности до сотен киловатт и вытеснить модули биполярных транзисторов. Дискретные IGBT-ключи класса 600 и 1200В охватывают диапазон токов от единиц до десятков ампер и могут служить для реализации преобразователей мощностью не более 10 кВт. Диапазон рабочих токов IGBT расширяется до сотен ампер путем использования модульных конструкций отдельных, полумостовых и мостовых конфигураций. Новые технологии модульных ключей решают целый ряд задач. Одна из них связана с включением в модульную конструкцию согласованного с параметрами основного ключа демпферного диода FWD (Free Wheel Diode). Чтобы минимизировать потери мощности при включении IGBT, диод должен иметь малый заряд восстановления и мягкий пробой обратной ветви ВАХ. Динамические характеристики диода лежат в диапазоне 100...300 нс. по времени восстановления и 0.5...2.5 мкКл по накопленному заряду. Другая задача связана с минимизацией паразитных индуктивностей корпуса. Специальные конструкции токоподводящих выводов позволили понизить величину паразитную индуктивность до 20...30 нГн. Для 600В и 1200В IGBT-ключей актуальной остается задача снижения остаточных напряжений и повышения быстродействия. Для класса напряжений 1200В фирмой "Tokin" выпущены статические индукционные транзисторы с токами 60... 180 А., которые используются в схемах резонансных инверторов для СВЧ печей мощностью 10...20 кВт.

Высоковольтный диапазон от 1700 В. традиционно считался тиристорным. В 90-е годы были разработаны HV-структуры IGBT (High Voltage) на класс напряжений 1700 В. В основу ключа была положена гомогенная структура IGBT, выполненная по планарноэпитаксиальной технологии. Для защиты от пробоя использовалось поликристаллическое кремниевое охранное кольцо, которое уменьшало кривизну поверхностных полей. Для уменьшения остаточных напряжений в структуре оптимизировалось время жизни носителей. Ключи были разработаны в виде модулей на токи от 50 до 300 А и имели остаточное напряжение 2.5...4 В при частотах переключения до 50 кГц. Компания "Mitsubishi Electric" изготовила аналогичный ключ, используя эпитаксиальную структуру IGBT (рис. 12). Сравнение показало, что NPT-структуры имеют положительный температурный коэффициент во всей области рабочих токов, что позволяет создавать параллельные сборки на более высокие амплитуды тока. Однако РТ-структуры позволили при токе 400А уменьшить остаточные напряжения до 2.7В при аналогичных скоростях переключения.

Развитие полевых транзисторов с изолированным затвором МСТ, высоковольтных монолитных структур МСТ. на ток до 400 А. Данная структура содержит р-канальный отпирающий полевой транзистор (рис. 13). Такие ключи прерывают ток 100А, выдерживают dV/dt > 10000 В/мкс и продолжительность непрерывной работы более 100 часов при температуре перехода 250°С. Прямые падения напряжения в открытом состоянии при токе 400А составили 2.8 В. Динамические характеристики переключения по фронтам: около 200 не для включения и 600 не для выключения.

В конце 90-х годов появляются разработки HVIGBT и р-МСТ на напряжения 2500...3300 В. МСТ имели примерно двукратное преимущество по прямому падению напряжения. Энергия потерь при выключении IGBT на 30...50% меньше аналогичного показателя МСТ. Энергия потерь при включении определяется характеристикой демпферного диода. Для IGBT можно использовать последовательное сопротивление в цепи затвора, то МСТ не позволяет регулировать аналогичным образом скорость включения. Необходимо применять внешние защитные схемы, увеличивая дополнительные потери.

Полевые индукционные тиристоры - разработаны на токи 2200 А на основе кремниевой пластины диаметром 30 мм и способны блокировать напряжения 4000 В. В открытом состоянии индукционный тиристор работает как p-i-n-диод, он имеет меньшие прямые падения напряжения, чем другие тиристоры (при токе 400 А менее 2.3 В). Наступление комбинированных технологий на биполярные тиристоры. Заставило их двигаться дальше в область мегаваттных мощностей.

Рис. 12

Рис. 13

По многоячейковой технологии на шестидюймовой кремниевой пластине и в специальном корпусе с молибденовыми дисками, отделяющими пластину от оснований анода и катода, компания "Mitsubishi Electric" разработала GTO на ток 6000А и напряжение 6000В (рис. 14). Коэффициент запирания у данного тиристора равен примерно 5...6 единиц, а время выключения по току порядка 5 мкс. Тиристор выдерживает ударные токи до 40000А и имеет остаточные падения напряжения не более 6 В. Эти уникальные достижения оказались возможными благодаря оптимизации процесса шунтировки анодного p-n-перехода и созданию неравномерного распределения времени жизни в области широкой n-базы. Однооперационные тиристоры сегодня изготавливаются на основе сверхвысоковольтной технологии (Ultra High Voltage) и имеют мощностные параметры 8000 В и 3600 А для линий передачи постоянного тока и 12000 В и 1500 А для статических переключателей переменного тока. Управляются подобные структуры импульсом света по специальному световолоконному кабелю (рис. 15). Общая диаграмма современного уровня силовых полупроводниковых ключей в координатах предельных токов, напряжений и частот представлена на рис. 16.

Рис. 14

Вывод. Совершенства достигли МДП-транзисторы технологии этих приборов в области относительно низких напряжений. С помощью "Trench”-технологии разработаны ячейки с ультранизким сопротивлением открытого канала. Напряжение транзисторов (OPTIMOS,) 30...75 В и ток до 80 А. Они имеют низкое сопротивление открытого канала, обладают минимальным тепловым сопротивлением (до 0.45 К/Вт) и повышенной плотностью размещения ячеек на единицу площади (1235 тысяч элементов на см²). Они обладают практически всеми свойствами идеального ключа, за исключением уровня пробивных напряжений.

· Объединение отдельных дискретных транзисторов позволило разработать интегральные структуры комбинированной проводимости и получить такие приборы, как IGBT и МСТ.

Рис. 15

Рис. 16

Сейчас объединяют технологии. "Trench”-технология, вертикальное углубление затворных канавок начинает, применяется в мощных ключах. IGBT-ключей четвертого поколения. При этом размер элементарной ячейки был уменьшен до размеров менее одного микрона (рис. 17). Они обладают повышенной стойкостью к токовым перегрузкам, а их остаточные напряжения приближаются к параметрам диода (рис. 18). Модули транзисторов разработаны на токи 450 и 600 А для управления преобразователями лифтовых шахт. Замена МДП и биполярных модулей обеспечила уменьшение мощности потерь на 45%.

Рис. 17 Рис. 18

· Изготовленный с применением "Trench”-технологии FS-IGBT имеет остаточное напряжение менее 2 В и динамические потери на 20% меньшие по сравнению со стандартными аналогами

· Низковольтный и сильноточный n-канальный МДП-ключ с очень малым сопротивлением идеально подходит для структуры р-канального полевого тиристора в качестве запирающего элемента. Уже появились сообщения о разработке второго поколения МСТ на напряжение пробоя до 8000 В с плотностью анодного тока внутри структуры до 10000 А/см².

· Недостаток индукционных тиристоров - нормально открытое состояние - преодолен разработкой монолитной структуры мощного комбинированного ключа, MOS Composite Static Induction Thyristor

(рис. 19). Роль управляющего элемента структуры выполняет низковольтный сильноточный МДП-транзистор. Эквивалентная схема этого комбинированного ключа практически совпадает с эквивалентной схемой IGBT-транзистора.

· Компанией Toshiba разработан новый полупроводниковый ключ Injection Enhanced Gate Tran-sistor (IEGT) на класс 4500 В и 750... 1500 А. Этот прибор имеет прямые напряжения и плотности тока, свойственные GTO-тиристорам, а динамические показатели - характерные для IGBT. Данные характеристики обеспечиваются специальной структурой ячейки с широким затвором. В ближайшей перспективе - разработка IEGT на рабочее напряжение 6000 В. Планарная структура IEGT имеет площадь кристалла порядка 1.2 см². В корпусе прибора располагается 15 подобных кристаллов совместно с 6 кристаллами диодов. В качестве опытных образцов изготовлены IEGT с "Trench”-структурой и площадью кристалла 0.69 см² на тот же класс рабочих напряжений и токов (рис. 20).

Применение перспективного полупроводникового материала - карбида кремния позволит уменьшить сопротивление эпитаксиальных слоев и увеличить пробивные напряжения МДП-структур до 5000 В. На основе карбида кремния компанией "Siemens AG" разработана вертикальная структура полевого транзистора JFET (Junction Field Effect Transistor) (материал 4H-SiC) с блокирующим напряжением 1800В, а также структура n-канального МДП-транзистора (материал 6H-SiC). Каскадное соединение данного JFET с обычным низковольтным МДП-транзистором позволяет получить новый ключевой прибор с хорошими статическими и динамическими характеристиками (остаточное напряжение менее 1.5 В, время переключения менее 100 нс., рабочая температура более 250°С). Данный транзистор способен выдерживать токовую нагрузку в течение длительного времени (до 1 мс) (рис. 21). Обратный диод в структуре 6H-SiC МДП-транзистора обладает высокими динамическими характеристиками восстановления (обратный заряд менее 30 нКл и время восстановления обратного тока менее 20 нс.).

· Разработана технология CoolMOS С2 МПД-структур с новой геометрией затвора, позволившая в 3 раза повысить скорость выключения транзистора и уменьшить динамические потери на 50%.

· Переход мощных ключей на управление с поликремниевым затвором прослеживается и в новых разработках GTO-тиристоров.

В будущем GТО и МСТ, как самые мощные управляемые тиристорные ключи придут к единой структуре. Будут управляться мощным МДП-ключом. Например, IGBT и индукционные тиристоры. Для их управления с поликремниевым затвором надо отказаться от токового управления. Перейти от формирования запирающего тока при выключении GТО к простому выключению обратным смещением. Разработанные фирмой "Mitsubishi Electric" структуры с переключением тока, GCT-тиристоры (Gate Commutated Turn-off Thyristor). По своей структуре сходные с GTO-тиристорами, обладают возможностью переключать основной ток в цепи электрода управления с последующим запиранием основной структуры. Формирователь управления представляет собой конденсатор, разряд которого запирает ключ по затвору. Полное переключение тока GCT-тиристора позволяет отказаться от применения снабберов и ограничиться только схемой фиксации уровня. Общие потери понизились в 2 раза. Серия ключей FG4000HX-90DS имела предельные токи и напряжения 3000 А и 4500 В. Чтобы переключить такой уровень тока в цепь электрода управления, формирователь должен иметь на входе быстродействующий ключ с очень низким сопротивлением в открытом состоянии. Это еще один пример применения МДП-транзисторов при управлении ключами большой мощности. GCT сочетается с блоком формирования импульсов управления в единой конфигурации.

· Усложнение структуры силовых ключей и ряд требований по их управлению и защите привели к созданию специальных электронных схем согласования между логической частью устройств и входом самого прибора - драйверов или формирователями импульсов управления (Driver).

Успехи в области микронных технологий и развитие принципа управления по затвору стимулировали разработку "разумных" ключей (SMART-технология) и силовых интеллектуальных модулей IPM (Intelligent Power Modules).

На одном кристалле объединены силовой ключ и управляющая схема. Но только решение проблемы оптимизации размещения элементов на общей поверхности кремниевого кристалла, применение поверхностного монтажа, а также методов изоляции позволили разработать "разумные" ключевые устройства.

Таким образом, наиболее отработанная в области малых напряжений МДП-структура продолжает интеграцию в область больших мощностей в качестве управляющей.

Рис. 19, а

Совмещенная со структурой биполярного транзистора, эта конструкция позволила получить IGBT-прибор четвертого поколения с высокими динамическими характеристиками и напряжением открытого состояния, близким к диоду.

Современные технологии развития вновь приводят нас к диоду, но уже на более совершенной ступени, где диод является управляемым по поликремневому затвору.

Рис. 19, б

Рис. 20

Рис. 21
ТЕМА 1. Элементная база силовой электроники

Рассмотрение структуры мощных ключевых приборов позволяет более наглядно представить принцип действия самого ключа и тех физических процессов, которые лежат в основе его работы. Схемотехническое описание базовой ячейки в виде эквивалентной электрической схемы позволяет учесть взаимное влияние полупроводникового ключа и устройства применения, сформулировать основные принципы управления данным прибором и способы его защиты. Структуры элементарных ячеек рассматриваются в виде сочетания переходов различных слоев кремниевого полупроводникового материала с электронной (п) и дырочной (р) проводимостью.

Если концентрации основных носителей различаются более чем на порядок, переходы называются односторонними и обозначаются символами типа р⁺ -n, р-n⁺ и т.п., где знаки "+" и "-" указывают на высокую или, соответственно, низкую степень легирования полупроводникового слоя.

1.1 Вольтамперные характеристики электронных ключей в различных режимах работы.

Статические режимы работы ключей.

Статическим режимом работы ключа называется установившийся после переключения режим его работы в одном из следующих состояний: включенном (проводящем) или выключенном (непроводящем).

Динамические режимы работы ключей.

Динамическим режимом работы ключа называется его работа в процессе перехода из одного состояния (например, включенного) в другое (например, выключенного) и наоборот.

Динамические ВАХ называют также траекториями переключения (коммутации) электронного ключа. Переходные процессы в ключах зависят от быстродействия и параметров элементов электронной цепи.

Диаграммы напряжения и тока такой модели представлены выражениями:

;

,

где и – установившиеся значения напряжения и тока до и после коммутации соответственно; и – время включения и выключения электронного ключа (справочное).

Средняя мощность потерь в ключе может быть представлена двумя составляющими и . Составляющая соответствует статическому режиму, а - динамическому (т.е. переходу ключа S из одного состояния в другое). Эти составляющие, согласно Рис. 1.1, определяются следующими соотношениями:

;

.

Суммарные средние потери мощности в ключе, переходящие в тепловую энергию, будут равны сумме этих составляющих, т.е. и .

Рис. 1.1