Раніше ми називали транзистори MOSFET майже ідеальними приладами для використання у виробах силової електроніки Зараз настав час повторити одне суттєве застереження, також зроблену нами вище: справедливість слів про ідеальність транзисторів MOSFET не ставиться під сумнів, якщо робоча напруга силових ланцюгів перетворювачів не перевищує 250 .. 300 (максимум – 400) В При подальшому підвищенні робочої напруги доводиться вибирати транзистори з більш високою величиною напруги «стік-витік», а це означає, що нам буде важко знайти в номенклатурі серійно випускаються приладів такий тіпономінала, який при високих допустимих напругах «стік-витік» матиме низький опір каналу у відкритому стані, і, відповідно, високий струм стоку Максимальна величина допустимого напруги «стік-витік» більшості серійних транзисторів MOSFET сьогодні складає близько 800 В, але опір каналу у відкритому стані у них вимірюється вже одиницями Ом Справедливості заради відзначимо, що іноді все-таки можна зустріти прилади з допустимою напругою «стік-витік» порядку 1000 .. 1200 В, але це – знову ж таки «штучний товар», не знаходить практичного застосування, а тому потихеньку зникаючий з ринку силових напівпровідників Як же бути розробнику у разі розробки високовольтного потужного статичного перетворювача Знову повертатися до біполярним транзисторам Ні в якому разі

Виявляється, на етапі виготовлення транзистора можливо обєднати такі переваги біполярних приладів, як велика допускаемая величина напруги «колектор-емітер», і польових транзисторів – як мінімальні витрати енергії на управління Обєднання цих чудових властивостей відбувається завдяки спеціально розробленим технологічним прийомам, в результаті чого виходить біполярний транзистор з ізольованим затвором Провідні світові фірми розробили безліч технологічних прийомів отримання таких транзисторів, з різними внутрішніми струк-

турами, проте на сьогоднішній день найбільшого поширення набули комбіновані транзистори епітаксільной структури PT (punchthrough) і однорідної структури NPT (nonpunch-through) Сьогодні дані транзистори обєднані загальним найменуванням IGBT (insulated gate bipolar transistor), який виголошує на слух як «ай-джі-бі-ти» (рис 2129) Саме в структурі типу IGBT найбільш вдалим чином вдалося зєднати позитивні властивості чистих польових і біполярних приладів, що працюють у ключовому режимі

Давайте згадаємо, що на етапі виробництва полевихтранзісторов MOSFET в їх структурі обовязково зявляється паразитний біполярний транзистор, який не знаходить практичного застосування, а часто просто погіршує позитивні динамічні властивості польового транзистора Проведені дослідження показали, що можливо ввести в структуру транзистора кілька нових елементів, завдяки яким він перетвориться в абсолютно новий прилад з унікальними властивостями, а паразитний елемент як би зникне у внутрішній структурі і не впливатиме на динамічні процеси, що протікають в силовий ланцюга На рис 2130 умовно показано внутрішній устрій IGBT транзистора, причому на рис 2130, а приведені всі «технологічні» елементи, що зявляються на етапі виготовлення Тут ми бачимо знайомий нам вхідний транзистор типу MOSFET VT1, ланцюг «стік-витік» якого зашунтувати паразитним біполярним р-п-р-транзистором VT3 з резистором Rb в його власній ланцюга «база-емітер» Нові елементи – біполярний транзистор структури npn VT2 і польовий транзистор з керуючим р-п-переходом VT4 Останній транзистор виконує роль динамічного опору, який зменшується у включеному стані і пропускає струм через базову область транзистора VT2

Перший крок до спрощення еквівалентної схеми IGBT транзистора зроблений на рис 2130, б, де транзистор VT4 замінений умовним резистором зі змінним опором Rmod Тепер, глянувши на схему, можна побачити, що утворилася структура з біполярних транзисторів VT2 і VT3 може мати позитивний зворотний звязок, тому що струм колектора VT2 найбезпосереднішим чином впливає на струм бази VT3, і навпаки Взагалі дана структура сильно нагадує 4-х шарову тиристорну структуру, а значить, можлива поява неприємного ефекту замикання цієї р-п-р-п-структури, що часто спостерігалося в перших зразках IGBT приладів До чого може привести защелкивание, довго пояснювати не потрібно – транзистор втрачає управління у відкритому стані, і силова схема може просто вийти з ладу

Дослідженню ефекту замикання 4-х шарових структур IGBT транзисторів було присвячено безліч наукових робіт, і сьогодні цей вельми неприємний ефект, завдяки розвитку технологій виробництва, можна вважати що пішли в історію даних приладів Виробники навчилися з ним успішно боротися, керуючи величиною Rb і Rmod, А також коефіцієнтами посилення VT2 і VT3 на стадії виготовлення Дослідження також показали, що стійкість 4-х шарових структур до защелкивание знижується при збільшенні швидкості зміни напруги «Колектор-емітер» в одиницю часу, тобто защелкивание проявляється в моменти комутації ключів в силовій схемі, а значить, можна вжити заходів з обмеження швидкості наростання струмів Додамо, що провідні світові фірми-виробники транзисторів IGBT («International Rectifier», «IXYS», «Motorola», «Intersil», «Semikron», «Mitsubishi», «Eupec», «Dynex» тощо) гарантують відсутність «замикання» біполярних структур, тому в їх технічної документації часто наводиться спрощена еквівалентна схема IGBT приладів, показана на рис 2130, в

На рис 2131 представлений розріз внутрішньої структури типового IGBT приладу Біполярний транзистор утворюється тут шарами р+ (Емітер), n (база), p (колектор), а польовий транзистор – шарами напівпровідника n (витік), п+ (Стік) і металевою пластиною (затвор) Напівпровідникові шари р+ і p мають зовнішні висновки, за допомогою яких транзистор підключається до електронній схемі

Для розробки статичних перетворювачів електроенергії на основі транзисторів IGBT немає необхідності детально знайомитися з параметрами складових елементів напівпровідникового приладу Досить уявити IGBT прилад у вигляді звичайного трьохелектродної елементу, що має типові параметри та характеристики, які можна отримати з технічної документації конкретного тіпономінала Саме тому ми більш не зупинятимемося на розгляді різних внутрішніх структур IGBT приладів, а пе-

Рис 2131 Внутрішня структура IGBT транзистора

Рейди до питань практичного використання цих транзисторів в пристроях перетворювальної техніки

У першу чергу розробника пристроїв силової електроніки повинен цікавити наступне питання: «Яке положення по швидкодії, тобто швидкості включення і виключення, займає транзистор IGBT по порівняно з транзисторами MOSFET і класичними біполярними транзисторами »Однозначно можна сказати, що транзистор MOSFET перемикається швидше транзистора IGBT, але в разі порівняння з біполярним транзистором не можна зробити ствердну висновок на користь того чи іншого приладу, і ось чому

Обмеження швидкості перемикання біполярних транзисторів з ізольованим затвором, як і простих біполярних транзисторів, визначається кінцевим часом життя неосновних носіїв в їх базових областях Якщо включення транзисторів відбувається досить швидко, то необхідність виділення деякого часу на розсмоктування неосновних носіїв у базовій області уповільнює процес відновлення їх непровідного стану (виключення) Для IGBT, процес виключення якого в цілому схожий на аналогічний процес для транзистора типу MOSFET, значна затримка вимкнення повязана з так званим «струмовим хвостом», коли залишковий струм колектора продовжує здійснювати коливальні рухи, наближаючись до нульового значення Причина «токового хвоста» криється в накопиченні заряду базовою областю і його поступовому розсмоктуванні при остаточному переході внутрішнього MOSFET в режим відсічення Чим небезпечний «струмовий хвіст» Тим, що він веде до збільшення теплових втрат і вимагає збільшення так званого «мертвого часу» (dead time) для полумостовой і мостових силових схем в проміжках між фазами провідності ключових елементів

Фірми-виробники елементної бази зробили чимало зусиль для оптимізації процесів розсмоктування неосновних носіїв у базовій області IGBT приладів, однак це завдання виявилося настільки суперечливою по діючих факторів, що вирішувати її довелося комплексно, тобто не тільки покращувати технологію виробництва, а й застосовувати схемотехнічні хитрощі Звичайно, виробники елементної бази могли б залишити розробникам перетворювальної техніки можливість управління процесами розсмоктування неосновних носіїв, якби вивели назовні базу внутрішнього біполярного транзистора VT2 Але цей шлях знизив би споживчі якості транзисторів: надто складно тоді бьшо б застосовувати їх у конкретних схемах До того ж, як виявилося, виграш від такого рішення не настільки значний, тому цей базовий висновок традиційно роблять недоступним ззовні Крім цього, вдалося виробити особливі технологічні прийоми, що дозволяють прискорити процес рекомбінації носіїв базової області, серед яких – зниження коефіцієнта посилення транзистора VT2

На жаль, в процесі оптимізації переключающих властивостей IGBT приладів виникло ще одне істотне протиріччя: зниження коефіцієнта посилення значною мірою зменшує «струмовий хвіст», але збільшує напруга насичення відкритого транзистора, а значить, і статичні втрати у відкритому стані (втрати провідності) Збільшення коефіцієнта посилення, навпаки, знижує напругу насичення, але призводить до зростання «токового хвоста», а значить, і до зростання втрат перемикання (динамічних втрат) Надмірне ж збільшення коефіцієнта може привести до різкого підвищення ймовірності виникнення замикання До деякої міри з небезпечним ефектом вдається боротися, варіюючи опору Rb і Rmod Але перелічені проблеми цікавлять тільки виробників, а розробникам перетворювальної техніки важливі тільки результати їх вирішення

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил