|
2
2
Нове покоління транзисторів
1. Нова технологія РТ IGBT проти могутніх польових МОП транзисторів
Останнім часом багато хто розробників, в області силової електроніки, сконцентровано на стрімкий розвиток останніх технологій біполярних транзисторів з ізольованим затвором (IGBT), і зокрема, можливості їх використання як недорогий альтернативи потужним польовим МОП транзисторів.
У даній статті наводиться порівняння динамічних характеристик, втрат на перемикання і провідності потужних польових МОП транзисторів і біполярних транзисторів з ізольованим затвором PT (Punch Through) нової технології IGBT Advanced Power Technology Power MOS 7®. Також розглядається використання останніх в деяких типових, найбільш поширених схемах включення.
Ми постараємося докладніше розглянути один із напрямів силових напівпровідникових приладів - лінію дискретних біполярних транзисторів з ізольованим затвором РТ IGBT, виконаних за новою технологією Advanced Power Technology Power MOS 7®.
2. Структура РТ IGBT
Всім відомо, що біполярні транзистори з ізольованим затвором володіють перевагами легкого управління польових МОП транзисторів і низькими втратами провідності, характерними для біполярних транзисторів. Традиційно IGBT використовують в цілях, де необхідно працювати з високими струмами і напругами. Сьогодні Advanced Power Technology представляє нове покоління РТ IGBT, яке дозволяє збалансувати втрати на перемикання і провідності, і використовувати біполярні транзистори з ізольованим затвором в області високих частот, де зазвичай застосовуються польові МОП транзистори, одночасно забезпечуючи високий ККД.
Загальна структура РТ IGBT представлена на рис. 1. Як видно з малюнка, структура РТ IGBT практично ідентична структурі інших топологій біполярних транзисторів з ізольованим затвором.
Малюнок 1 - Структура РТ IGBT
Особливістю структури РТ IGBT є наявність комбінації інжектується шару p + і буферного шару n +. Завдяки високій инжектируются здатності шару p +, буферний шар контролює коефіцієнт передачі транзистора за допомогою обмеження числа дірок, які були спочатку введені в область дрейфу. У зв'язку з тим, що час життя неосновних носіїв в буферному шарі набагато нижче, ніж в області дрейфу, буферний шар поглинає захоплені дірки в момент вимикання.
На додаток до роботи буферного шару n +, «хвостовій» ток в PT IGBT контролюється обмеженням загального часу життя неосновних носіїв до того, як вони рекомбінують. Це властивість називається управлінням часом життя неосновних носіїв. Опромінення електронами в процесі виробництва створює додаткові рекомбінаційні центри у всьому просторі кристала кремнію, які суттєво зменшують час життя неосновних носіїв і, отже, хвостовий струм. Дірки швидко рекомбінують, навіть за умови відсутності напруги в пристрої, характерного для режиму м'якого перемикання.
Пристрої нового покоління PT IGBT Power MOS 7® виділяються серед інших IGBT високою швидкістю перемикань. Цьому сприяє металева Полоскова топологія затвора. В результаті застосування даної топології, пристрої володіють дуже низьким внутрішнім еквівалентним опором затвора (EGR), частки Ом; набагато меншим, ніж у пристроїв з полікремнієвих затвором. Низький опір затвора дає можливість швидше здійснювати перемикання і, отже, зменшити втрати. Полоскова металева топологія забезпечує рівномірне і швидке збудження затвора, зменшуючи нагрів при перехідних процесах і підвищуючи надійність. І нарешті, Полоскова структура затвора більш стійка до дефектів, які неминуче виникають під час виробництва, і покращує витривалість і надійність пристрою, особливо в режимі роботи транзистора при високому струмі і високій температурі.
Управління PT IGBT Power MOS 7® дуже схоже на управління традиційними польовими МОП транзисторами. При прямій заміні польових транзисторів пристроями PT IGBT Power MOS 7® в високочастотних застосуваннях, можна використовувати ті ж рівні, навіть якщо вони складають всього 10В. Хоча, в цих випадках, рекомендовані значення керуючої напруги затвора, для зменшення втрат при включенні, становить 12 - 15В, як для біполярних транзисторів з ізольованим затвором, так і для польових МОП транзисторів.
3. Втрати на перемикання і втрати провідності
Динамічні характеристики включення біполярних транзисторів з ізольованим затвором практично ідентичні характеристикам польових МОП транзисторів. При виключенні, є відмінності, пов'язані з наявністю хвостового струму. Придушити хвостовій струм повністю не вдається, і тому у IGBT імпульсна енергія виключення набагато більше енергії включення. Прагнення отримати високі динамічні характеристики і скорочення втрат на перемикання призводить до зростання втрат провідності, тому перед розробниками часто стоїть проблема вибору оптимального співвідношення. Щоб зменшити втрати провідності, імпульсна енергія повинна збільшуватися і навпаки, а зниження напруги призводить до зростання втрат на перемикання.
Малюнок 2 - Залежність імпульсної енергії E off від напруги V CE (on)
Малюнок 2 зображує вибір оптимального співвідношення між імпульсної енергією виключення Еoff і напругою колектор-емітер у відкритому стані транзистора VCE (on). Представлені залежності для двох поколінь IGBT: характеристика попереднього покоління IGBT і характеристика нового покоління Advanced Power Technology РТ IGBT Power MOS 7®. При використанні пристроїв нового покоління РТ IGBT вдається знизити енергію виключення на 30-50% без значного збільшення VCE (on). Результатом цього є підвищення ККД в імпульсних джерелах живлення, що використовують PT IGBT нової технології Advanced Power Technology Power MOS 7®.
4. Робочі частоти і струми
Одним з найбільш зручних методів порівняння продуктивності різних пристроїв, таких, наприклад, як IGBT і польові МОП транзистори, є залежність робочої частоти від струму. Зручність методу полягає в тому, що можна побачити не тільки втрати провідності, але і втрати на перемикання, і оцінити тепловий опір.
На малюнку 3 зображені криві залежності частоти і струму для трьох пристроїв: одного PT IGBT і двох потужних польових МОП транзисторів. Всі три пристрої є пристроями нового покоління Power MOS 7® виробництва АРТ.
Малюнок 3 - Залежність робочої частоти від струму
АРТ30GP60В - це біполярний транзистор з ізольованим затвором нового сімейства PT IGBT Power MOS 7®, з робочою напругою 600В і номінальним значенням прямого струму IC2 = 49А в корпусі ТО-247. Пристрої АРТ6038ВLL і АРТ6010В2LL - це польові МОП транзистори APT Power MOS 7®, з робочою напругою 600В і номінальними значеннями прямих струмів ID = 17 і 54А відповідно. Транзистор АРТ6038ВLL виконаний в корпусі ТО-247, а АРТ6010В2LL в корпусі Т-МАХ (схожий з ТО-247).
В якості умов тестування було обрано такі параметри: режим жорсткого перемикання з індуктивним навантаженням, робоча напруга 400В, температура переходу Tj = 175С, температура корпусу TC = 75С, робочий цикл 50% і загальний опір затвора 5 Ом. Спільно з кожним пристроєм використовувався діод надшвидкого відновлення на 15А, 600В в якості фіксуючого діода. Тестована схема представляла собою типову топологію для індуктивних навантажень.
Пристрої АРТ30GP60В і АРТ6038ВLL мають однакові розміри кристала, а розмір кристала АРТ6010В2LL приблизно в 3 рази більше. Зазвичай, вартість пристрою залежить від площі кристала, тому пристрої з необхідними характеристиками побудовані на меншому за площею кристалі, стоять, як правило, дешевше.
Припустимо, що нам необхідно забезпечити імпульсний струм 8А на частоті 200кГц. Виходячи з залежностей на рис. 3, стає ясно, що польовий МОП транзистор АРТ6038ВLL - найкращий вибір, тому що він може працювати зі значно більшими частотами, ніж інші пристрої. Тепер припустимо, що потрібно забезпечити струм 20А на частоті 200кГц. Такий струм буде здатний забезпечити як PT IGBT АРТ30GP60В, так і польовий МОП транзистор АРТ6010В2LL. Однак PT IGBT АРТ30GP60В буде коштувати в три рази менше, ніж транзистор АРТ6010В2LL, в зв'язку з зменшеним розміром кристала. Польовий МОП транзистор АРТ6038ВLL повністю відпадає. При струмі понад 37А, PT IGBT має всі переваги, навіть не дивлячись на те, що володіє меншим розміром кристала; при таких робочих частотах температура переходу IGBT буде нижче, ніж у польового МОП транзистора. Цей приклад йде врозріз із загальноприйнятою думкою, що польові МОП транзистори завжди працюють ефективніше, ніж IGBT, і висока ефективність має на увазі високу вартість.
Для більш коректного аналізу варто зробити ще кілька зауважень.
По-перше, значення прямого струму ID польового МОП транзистора АРТ6038ВLL становить 17А, але в нашому випадку цей транзистор навряд чи зможе забезпечити струм більше 10 А. При інших умовах, таких, наприклад, як короткий робочий цикл, транзистор зможе забезпечити прямий струм близький до номінального значення. Номінальне значення прямого струму не може показати нам реальне значення струму для нашого застосування, тому що вимірюється воно в безперервному режимі (без втрат на перемикання) і при певній температурі. В основному номінальне значення прямого струму показує відносну величину струму і втрати провідності в пристрої.
По-друге, загальне порівняння показує, що значення прямого струму ID польового МОП транзистора АРТ6010В2LL (при безперервному режимі з температурою корпусу 25С) близько до значення прямого струму IC2 IGBT АРТ30GP60В (при безперервному режимі з температурою корпусу 110С), 54 і 49 А відповідно. Ці характеристики дуже схожі між собою, продуктивність цих двох пристроїв теж практично однакова. Обидва пристрої можуть працювати на частоті 200кГц при робочих токах в половину менших номінальних значень струму.
По-третє, біполярні транзистори мають більшою щільністю струму, ніж польові МОП транзистори, завдяки чому IGBT використовують кристали меншого розміру з тим же рівнем потужності, що і МОП транзистори. Через значне збільшення опору у відкритому стані, польові МОП транзистори мають набагато меншою щільністю струму при робочих напругах понад 300В. І тут набагато доцільніше використовувати IGBT.
На завершення, треба відзначити що необхідне розуміння відносної ефективності того чи іншого пристрою при застосуванні в різних умовах. На високих частотах і порівняно низьких токах, перевага віддається, як правило, польовим МОП транзисторів (або ж РТ IGBT малих розмірів). IGBT є кращим рішенням в застосуваннях, де потрібен більший струм, так як втрати провідності помірно збільшуються зі збільшенням струму, в той час як значення втрат провідності потужного польового МОП транзистора пропорційні квадрату значення струму. У більшості частотних і струмових діапазонів можуть застосовуватися різні пристрої, однак, останнє покоління PT IGBT Power MOS 7® виступає як саме недороге рішення для розробників.
5. Температурні ефекти
Швидкість включення в імпульсному режимі роботи і втрати для біполярних транзисторів з ізольованим затвором і польових МОП транзисторів практично не залежать від температури.Тим часом, в режимі жорсткого перемикання, зворотний струм відновлення діода збільшується зі збільшенням температури, що збільшує втрати на перемикання. Швидкість виключення польових МОП транзисторів також, по суті, не пов'язана з температурою, але швидкість виключення IGBT погіршується і втрати на перемикання, відповідно, збільшуються з ростом температури. Проте в транзисторах PT IGBT Power MOS 7® втрати зберігаються практично на колишньому рівні, завдяки контролю над часом життя неосновних носіїв.
Одним з основних недоліків звичайних IGBT-транзисторів є негативний температурний коефіцієнт (ТК) по напрузі насичення (VCE (on)), що порушує баланс струмів при паралельному з'єднанні транзисторів.
На рис.4 представлені залежності, що характеризують температурний коефіцієнт IGBT APT65GP60B2.
Малюнок 4 - Температурний коефіцієнт IGBT APT65GP60B2
З малюнка видно, що температурний коефіцієнт злегка змінюється в залежності від струму колектора, від від'ємного значення при струмі менше 65А (нульового ТК відповідає струм 75А на рис. Не показаний) до позитивного при струмі більшому 75А. На це властивість спеціально був зроблений упор при розробці PT IGBT Advanced Power Technology Power MOS 7® нового покоління. Дана властивість дозволяє досить просто здійснювати паралельне включення пристроїв.
На відміну від PT IGBT польові МОП транзистори володіють жорстким позитивним температурним коефіцієнтом, що призводить до втрати провідності при з'єднанні більш ніж двох пристроїв, за умови їх роботи в температурному діапазоні 25-125С.
Застосування в системах імпульсних джерел живлення (SMPS). Підсилювальний перетворювач в режимі жорсткого перемикання.
Малюнок 5 - Виконання в схемі SMPS. Залежність частоти посилення від струму
На рис 5. дано порівняння залежностей робочої частоти і прямого струму пристроїв PT IGBT АРТ15GP60В (IC2 = 27А) і польового МОП транзистора АРТ6029BLL (ID = 21А). Умови були обрані ті ж, що і раніше: режим жорсткого перемикання з індуктивним навантаженням, робоча напруга 400В, температура переходу Tj = 175 ° С, температура корпусу TC = 75С, робочий цикл 50% і загальний опір затвора 5 Ом. Спільно з кожним пристроєм використовувався діод надшвидкого відновлення на 15А, 600В в якості фіксуючого діода. З наведених залежностей видно, що кожен пристрій може працювати з частотою 200 кГц і струмом 14 А. При більш високих токах, більш привабливою альтернативою є використання IGBT, тому що при цьому його робоча частота вище, ніж польового МОП транзистора. IGBT АРТ15GP60В володіє меншими розмірами кристала, і відповідно дешевше. При значеннях струму нижче 14А, польовий МОП транзистор може працювати з більш високою частотою, і це означає, що використання польового МОП транзистора в цих умовах ефективніше, ніж використання IGBT.
6. Фазосдвігающій міст
На малюнку 6 приведена залежність максимальної робочої частоти і струму для пристроїв, схожих з попередніми. АРТ6029BFLL - це транзистор із сімейства FREDFET (польовий МОП транзистор з вбудованим швидким діодом) і АРТ15GP60BDF1 - COMBI IGBT (IGBT з вбудованим діодом швидкого відновлення). Обидва пристрої можуть використовуватися в побудові мостових схем.
Малюнок 6 - Залежність робочої частоти від струму для фазосдвигающей моста
Анализируемая схема являє собою ключ нульової напруги, що характерно для режиму жорсткого перемикання. З малюнка 6 видно, що криві залежності частоти від струму просто зміщені в область більш високих значень струму, якщо порівнювати з малюнком 5 для підсилювального перетворювача в режимі жорсткого перемикання. Насправді необхідно відзначити, що криві IGBT зміщені далі, ніж криві польового МОП транзистора. Це обумовлено тим, що IGBT має меншими втратами провідності, ніж польовий МОП транзистор. При робочому струмі понад 13А, основні втрати польового МОП транзистора обумовлені втратами провідності. При значенні струму 15А, у польового МОП транзистора АРТ6029BLF втрачається 75 Вт потужності в зв'язку з втратами провідності, в той час як у PT IGBT АРТ15GP60BDF1 близько 14 Вт. Втрати на перемикання переважають над втратами провідності IGBT аж до рівня робочого струму 40А. При струмі понад 40А, втрати провідності IGBT стають більше ніж втрати на перемикання.
Коли значення робочої частоти нижче 300кГц, IGBT має перевагу режиму м'якого включення в схемі фазосдвигающей моста, тому що припустиме максимальне значення робочого струму більше, ніж у польового МОП транзистора. Малі втрати на перемикання IGBT в результаті м'якого перемикання, доповнені малими втратами провідності. Таким чином, сімейство Power MOS 7® PT IGBT знаходить своє застосування як в схемах м'якого, так і жорсткого перемикання.
висновок
Нове покоління транзисторів з ізольованим затвором Advanced Power Technology PT IGBT Power MOS 7® володіє сукупністю значно поліпшених динамічних характеристик, малими втратами провідності і універсальної здатністю м'якого перемикання. Доповнивши ці переваги важливим фактором - невисокою вартістю - нове покоління транзисторів PT IGBT Power MOS 7® дійсно може замінити польові МОП транзистори в застосуваннях імпульсного електроживлення. Тепер уже важко сказати, наскільки довго протриматися високовольтні польові МОП транзистори в складі пристроїв харчування. Швидше за все, в майбутньому, біполярні транзистори з ізольованим затвором займуть їх місце.
|