Силовые (мощные) полупроводниковые приборы

Силовые (мощные) полупроводниковые приборы

1.8.1. Силовые (мощные) биполярные транзисторы

Силовые транзисторы предназначены для управления большими токами (в еденицы, десятки ампер и более) и большими напряжениями (в десятки, сотни вольт и больше). Силовые транзисторы были разработаны вскоре после изобретения в 1948 г. биполярных транзисторов. Современные силовые биполярные транзисторы обычно являются кремниевыми.

По принципу действия, характеристикам и параметрам мощные транзисторы, естественно, подобны маломощным, однако имеют определенные особенности. Эти особенности необходимо учитывать при проектировании как самих силовых устройств, так и их систем управления.

Силовые модули. В схемах силовой электроники часто используют типовые узлы (фрагменты), состоящие из некоторого количества (обычно измеряемого единицами) соединенных определенным образом мощных приборов. К примеру, часто используют узел, состоящий из транзистора и диода. Оказалось удобным размещать такие узлы в одном корпусе. Соответствующее устройство принято называть силовым модулем. Использование силовых модулей часто упрощает конструирование и улучшает многие параметры различных устройств силовой электроники.

Основная схема включения силового транзистора - схема с общим эмиттером. Для этой схемы, как следует из изложенного выше, и входной (управляющий) ток (ток базы), и входное (управляющее) напряжение (напряжение между базой и эмиттером) достаточно малы. Поэтому сравнительно легко формировать необходимый управляющий сигнал.

Составной транзистор (схема Дарлингтона).Часто на одной полупроводниковой пластине формируют структуры двух транзисторов, включенных по схеме Дарлингтона (рис. 1.146).

Эти два транзистора в совокупности называют составным транзистором. В общих чертах составной транзистор подобен обычному, но, естественно, имеет и свои отличия.

Легко заметить, что дифференциальный коэффициент передачи базового тока β для составного транзистора определяется равенством

где β₁,β₂ - дифференциальные коэффициенты передачи базового тока соответственно транзисторов Т₁ и Т₂.

Даже для сравнительно небольших значений коэффициентов β₁ и β₂ значение коэффициента β составляет тысячи. Таким образом, для составного транзистора управляющий ток (ток базы) может быть в тысячи раз меньше тока нагрузки (тока коллектора). Это значительно упрощает управление составным транзистором.

По существу в составном транзисторе силовым является только транзистор Т₂, так как ток его коллектора во много раз больше тока коллектора транзистора Т₁ (отношение этих токов определяется коэффициентом β₂).

Входное напряжение составного транзистора, обеспечивающее его включенное состояние (режим насыщения) больше соответствующего напряжения обычного транзистора, так как равно сумме входных напряжений двух транзисторов. Тем не менее оно остается достаточно малым (не более нескольких вольт).

Напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения составного транзистора также превышает соответствующее напряжение обычного транзистора. Причина в том, что по существу в режиме насыщения работает только транзистор Т₁, а транзистор Т₂ остается в активном режиме. Напряжение между коллектором и базой транзистора Т₂ (т. е. напряжение между коллектором и эмиттером транзистора Т₁) остается положительным и в режиме насыщения транзистора Т_}. Однако и для составного транзистора напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения невелико (обычно не более 2 В).

Силовые интегральные схемы. Рассматривая составной транзистор, легко усвоить важное понятие современной силовой электроники - понятие силовой интегральной схемы.

В ряде случаев на одной полупроводниковой пластине, кроме двух транзисторов, формируют дополнительные элементы (рис. 1.147).

Резисторы R₁ и R₂ увеличивают максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером, уменьшают время выключения.

Диод Д обеспечивает протекание тока по направлению от эмиттера к коллектору составного транзистора при запертых транзисторах Т₁ и Т₂. Он необходим во многих схемах силовой электроники.

Подобные устройства силовой электроники, содержащие в одном корпусе и силовые, и слаботочные элементы, называют силовыми интегральными схемами.

Интеллектуальные силовые интегральные схемы. Слаботочные элементы могут образовывать электронные системы, не уступающие по сложности интегральным микросхемам. Эти системы выполняют многие функции по управлению, защите и диагностике силовых интегральных схем. Такие устройства по существу являются устройствами информативной (информационной) электроники, которые предназначены не для управления большими токами и напряжениями, а для преобразования и передачи электрических сигналов, содержащих некоторую информацию.

Силовые интегральные схемы, оснащенные электронными системами информативной электроники, называют интеллектуальными (Smart Power Integrated Circuit).

Интеллектуальные приборы. Если в одном корпусе находится только один силовой прибор (транзистор), дополненный системой информативной электроники, то говорят об интеллектуальном приборе.

Интеллектуальный прибор обладает кардинальными преимуществами по сравнению с обычным. К примеру, если интеллектуальный прибор обнаруживает, что он начинает перегреваться, он может "принять решение" выключиться и тем самым избежать выхода из строя.

Интеллектуальные силовые модули. Системы информативной электроники, естественно, могут размещаться и в силовых модулях. Такие модули называют интеллектуальными (Intelligent Power Modulus).

Особенности режимов работы силовых транзисторов. Силовые транзисторы обычно приходится использовать в тяжелых режимах, достаточно близких к предельным. В противном случае стоимость силовых устройств, их вес и габаритные размеры оказываются чрезмерно большими. Температура кремниевого кристалла, составляющего основу транзистора, может достигнуть 200°С и более. Основная доля мощности выделяется в области коллекторного перехода и его температура наибольшая. Максимально допустимая температура коллекторного перехода часто указывается в справочниках и используется в тепловых расчетах. Часто, говоря о температуре коллекторного перехода, прилагательное "коллекторный" опускают (и поэтому в справочниках фигурирует температура перехода).

В некоторых устройствах силовой электроники транзистор работает в активном режиме (например, в рассматриваемых ниже усилителях мощности). Однако в этом режиме и ток коллектора, и напряжение между коллектором и эмиттером велики, и поэтому велика мощность p_к, выделяющаяся в коллекторном переходе. Это, во-первых, снижает коэффициент полезного действия устройства, и, во-вторых, создает проблемы с охлаждением транзистора.

Наиболее эффективным способом снижения мощности р_к является переход на ключевой режим работы транзистора (режим переключения). При этом транзистор подавляющую долю времени или закрыт (работает в режиме отсечки, причем ток коллектора практически равен нулю), или полностью открыт (работает в режиме насыщения или в близком к нему режиме, причем напряжение между коллектором и эмиттером близко к нулю), В обоих случаях мощность, выделяющаяся в коллекторном переходе, мала. Только в короткие отрезки времени, соответствующие переключению, указанные ток и напряжение одновременно велики и мощность значительна. Но среднее значение мощности остается малым и оно тем меньше, чем более быстродействующим является транзистор и чем меньше частота его переключения.

Мощность в режиме отсечки обычно значительно меньше мощности в режиме насыщения. Поэтому при расчетах мощность в режиме отсечки часто не учитывают.

Ниже (в главе 3) ключевой режим работы рассмотрен подробнее.

Конечно, разработчик силовых устройств, ориентируясь на ключевой режим работы, сталкивается со многими специфическими проблемами. Однако указанное преимущество режима настолько велико, что только он используется в достаточно мощных устройствах.

Силовые транзисторы, как правило, предназначаются для работы именно в ключевом режиме. Поэтому для них важными являются следующие параметры:

·  U_кэ.нас - напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения при заданном токе коллектора и заданном токе базы;

·  параметры, определяющие быстродействие, в том числе время включения и время выключения (подробнее рассмотрены в главе 3).

Пробой транзистора. Говоря о пробое транзистора и не делая уточнений, обычно имеют в виду пробой коллекторного p-n-перехода. Будем следовать этой традиции. Естественно, принципиально возможен пробой и эмиттерно-го p-n-перехода. Однако для большинства случаев практического применения биполярных транзисторов проблема предотвращения пробоя эмиттерного перехода является существенно менее сложной (и поэтому ниже не рассматривается). Так как коллекторный и эмиттерный переходы сильно взаимодействуют, на процесс развития пробоя коллекторного перехода сильно влияет режим работы эмиттерного (т. е. режим работы цепи база-эмиттер). Ниже этот вопрос рассмотрен подробнее. Но уже здесь необходимо уяснить, что в общем случае пробой транзистора - это пробой одного перехода (коллекторного), сильно взаимодействующего с другим (эмиттерным).

В настоящем пункте рассматривается "обычный" пробой, подобный уже изученному пробою p-n-перехода диода. Такой пробой называют также первичным. В биполярных транзисторах может иметь место и так называемый вторичный пробой, который описывается ниже.

Явление пробоя будем рассматривать, главным образом, применительно к схеме с общим эмиттером - основной схеме включения силового транзистора.

При чрезмерном увеличении напряжения и_кэ между коллектором и эмиттером (подавляющая доля которого приложена к коллекторному переходу, смещенному в обратном направлении) транзистор входит в режим пробоя. В этом режиме ток коллектора резко возрастает, что может привести к выходу транзистора из строя.

Существуют различные механизмы пробоя. Наиболее распространенными являются лавинный и тепловой (термический). Эти механизмы пробоя рассмотрены выше при изучении р-п-перехода.

Обычно вначале возникает лавинный пробой, который может перейти в тепловой.

Рассмотрим явление возникновения пробоя транзистора, работающего в режиме отсечки (с малыми токами коллектора) при достаточно низкой температуре коллекторного перехода. В этих условиях обычно имеет место лавинный пробой.

Предварительно обратимся к схеме (рис. 1.148), по существу являющейся схемой с общей базой (хотя в ней отсутствует источник напряжения в цепи база-эмиттер).

В этой схеме режим отсечки обеспечивается тем, что эмиттер отключен от внешних цепей и ток эмиттера равен нулю. Эмиттер транзистора такой схемы называют оборванным.

В схеме с оборванным эмиттером используется только коллекторный переход. Эмиттерный переход не влияет на его режим работы и анализ режима пробоя упрощается. Поэтому такой анализ удобно начинать именно с этой схемы.

Пробой коллекторного перехода в схеме с оборванным эмиттером совершенно аналогичен пробою р-п-перехода диода.

В соответствии с изложенным выше, в рассматриваемой схеме, без учета эффекта Эрли, i_к =I_ко.

Как следует из первого закона Кирхгофа, при этом i_б = -i_К = - 1_ко , т. е. ток базы для используемого условно положительного направления является отрицательным.

Изобразим выходную характеристику для схемы с общей базой, соответствующую оборванному эмиттеру, в крупном масштабе (рис. 1. 149).

Эта характеристика подобна обратной ветви вольтам-перной характеристики диода (но в соответствии с используемыми условно положительными направлениями тока i_к и напряжения и_кб расположена не в третьем, а в первом квадранте).

Через и_{кбо.проб} обозначено напряжение пробоя. В обозначении буква "о" указывает на оборванный эмиттер.

Вследствие того, что эмиттерный переход не влияет на режим работы коллекторного, в схеме с оборванным эмиттером транзистор выдерживает наибольшее напряжение E_к источника питания. В этом отношении схему можно рассматривать как недостижимый идеал для схемы с общим эмиттером, в которой пробой транзистора наступает при меньших напряжениях Е_к.

Теперь обратимся к схеме с общим эмиттером (рис. 1.150), в которой режим отсечки обеспечивается отключением базы от внешних цепей (т. е. используется оборванная база).

В схеме с оборванной базой взаимодействие коллекторного перехода с эмиттерным проявляется в полной мере. Как следует из изложенного выше, в рассматриваемой схеме, без учета эффекта Эрли, i_к = I'_ко, причем

Полезно вспомнить, что этот результат был получен формально на основе выражения i_K = а_ст · 1_Э + 1_К0, отражающего взаимодействие переходов и связывающего токи транзистора в схеме с общей базой. Дополнительные рассуждения о физике явления при этом не понадобились. Основным исходным был тот факт, что коэффициент α_ст близок к единице (так как почти все электроны, инжектированные эмиттером, достигают коллектора). Вследствие этого коэффициент β_ст значительно больше единицы (β_СТ= α_СТ/(1 - α_СТ)).

Естественно, коллекторный и эмиттерный переходы взаимодействуют и при развитии пробоя, что имеет следствием значительный рост тока коллектора при напряжениях, меньших напряжения и_{кбо.проб}

Изобразим выходную характеристику транзистора для схемы с общим эмиттером с оборванной базой (i_б = 0) (рис. 1.151). На этой же координатной плоскости условно и в соответствии со сложившейся традицией изобразим выходную характеристику для схемы с оборванным эмиттером (i_э = 0).

Кроме указанных характеристик на этом же рисунке изображены выходные характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером при других режимах работы цепи база-эмиттер. Там же указаны соответствующие напряжения пробоя.

Характеристика X соответствует случаю, когда режим отсечки создается с помощью напряжения Е_х, запирающего эмиттерный переход (рис. 1.152).

Характеристика К соответствует короткому замыканию входной цепи (база и эмиттер соединяются закороткой).

Характеристика R относится к схеме, в которой база и эмиттер соединены резистором с сопротивлением R.

Из рисунка 1.151 следует, что в схеме с общим эмиттером транзистор выдерживает наибольшее напряжение при использовании запирающего напряжения во входной цепи. Соответствующее напряжение пробоя U_{кэх.проб} может быть достаточно близким к напряжению U_{кбо.проб}

Как напряжение U_{кэх.проб}, так и другие напряжения пробоя для схемы с общим эмиттером могут зависеть от времени действия напряжения и_кэ (для более коротких импульсов допустимым является большее напряжение).

Напряжение U_{кэх.проб}, соответствующее оборванной базе, является наименьшим. Поэтому схему с оборванной базой не рекомендуется использовать на практике.

Вторичный пробой. Уже в начале практического использования транзисторов наблюдались катастрофические отказы, которые не находили объяснения. Ситуация обострилась с появлением мощных транзисторов. В 1958 г. впервые был описан эффект, ответственный за многие такие отказы и введен термин "вторичный пробой".

Для вторичного пробоя характерно резкое уменьшение напряжения между коллектором и эмиттером при росте тока коллектора.

Часто вторичный пробой возникает при запирании транзистора в процессе перехода из режима насыщения в режим отсечки.

Интересно, что ограничение коллекторного тока с помощью внешних цепей при вторичном пробое часто не предотвращает выход транзистора из строя.

Явление вторичного пробоя достаточно сложное. Часто в качестве причины пробоя указывают неравномерное распределение электрического тока под эмиттером, вызывающее локальное повышение напряженности электрического поля. Из-за этого начинается лавинный пробой, который затем переходит в тепловой. В результате может произойти даже расплавление полупроводника.

Для вторичного пробоя характерен локальный разогрев полупроводника, т. е. разогрев малой его области. При этом образуется так называемый шнур - канал с повышенной температурой и проводимостью, по которому протекает все большая доля всего коллекторного тока.

Рассмотрим явление образования шнура (которое называют также шнурованием тока) подробнее. Если по каким-либо причинам плотность тока в некоторой области коллекторного перехода оказалась повышенной, то это приведет к повышению температуры этой области. В свою очередь, рост температуры увеличит проводимость и плотность тока и т. д. Произойдет локальный саморазогрев полупроводника.

Диаметр шнура очень мал (он может составлять единицы микрометров), поэтому шнур может возникнуть уже при малом токе и малой мощности, выделяющейся в коллекторном переходе, которой было бы явно недостаточно для разогрева всей полупроводниковой пластины. Инерционность теплового пробоя при шнуровании тока также может быть очень незначительной. Пробой может

развиться в течение времени, меньшего микросекунды. Лавинный пробой развивается еще быстрее (в течение наносекунд).

Область безопасной работы. Выше область безопасной работы была определена без учета явления вторичного пробоя. Для силовых транзисторов такой учет необходим.

Область безопасной работы для силового транзистора принято изображать, используя логарифмический масштаб как для оси напряжения и_кэ между коллектором и эмиттером, так и для оси тока i_K коллектора.

Легко показать, что в логарифмическом масштабе линия, ограничивающая область безопасной работы по максимально допустимой мощности Р_к.макс, является прямой (в линейном масштабе эта линия - гипербола).

Линию, ограничивающую область безопасной работы по вторичному пробою, в логарифмическом масштабе обычно изображают также в виде прямой.

Максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером, использующееся при определении области безопасной работы, соответствует оборванной базе как наиболее опасному случаю. Обозначим это напряжение через U_{кэо.макс} .

Изобразим типичную область безопасной работы (рис. 1.153) для статического режима.

В импульсном режиме область безопасной работы расширяется. При сокращении длительности импульсов тока коллектора отрезок АВ смещается вверх, а отрезки ВС и CD - вверх и вправо. Для достаточно коротких импульсов область безопасной работы может стать прямоугольной и ограничиваться только максимально допустимым импульсным током коллектора и напряжением U_{кэо.макс}.

Иногда область безопасной работы дополняют подобластью, определяющей допустимые токи и напряжения для такого режима входной цепи, который обеспечивает режим отсечки более надежно, чем оборванная база. К примеру, такая подобласть может соответствовать наличию резистора, соединяющего базу и эмиттер и имеющего сопротивление, не превышающее заданное значение. Изобразим область безопасной работы с такой подобластью (рис. 1.154).

Выход точки, характеризующей состояние транзистора (с абсциссой и_кэ и ординатой i_к), за область безопасной работы вообще нежелателен, но особенно опасен при больших напряжениях и, соответственно, малых токах (в частности, в области ограничения по вторичному пробою).

Часто к силовому транзистору подключают дополнительные цепи (снабберы - от английского Snubber), которые препятствуют выходу траектории точки за область безопасной работы при его переключениях.

Параллельное включение транзисторов. Такое включение приходится использовать при больших токах нагрузки. Для предотвращения перегрузки током одних транзисторов (при недостаточной загрузке других) рекомендуется в цепях эмиттеров использовать резисторы (рис. 1.155).