Без жодного перебільшення можна сказати, що зявилися не надто давно транзистори типу MOSFET і IGBT, становлять сьогодні основу силової перетворювальної техніки Більше того, без використання цих типів транзисторів немислима розробка скільки-надійного статичного перетворювача, що відповідає сучасним вимогам Тому дану главу, присвячену основний елементній базі силової електроніки, ми почнемо з розповіді саме про ці електронних елементах

Польові транзистори зявилися в силовий схемотехнике значно пізніше своїх старших побратимів – біполярних транзисторів Тим не менш, сьогодні вони стрімко відтісняють «біполярнікі» на другий план, обгрунтовано прагнучи зайняти лідируюче положення в класах силової перетворювальної техніки, що працюють з напруги мидо 300 В Чим принципово транзистор MOSFET відрізняється від біполярного транзистора Польовий транзистор за принципом управління – не струмовий, а потенційний прилад Для того, щоб перевести польовий транзистор з відкритого стану в закрите і навпаки, потрібно прикласти до затвора (щодо витоку) певну напругу При цьому струм в ланцюзі затвора протікає тільки в моменти комутації, тобто дуже незначний проміжок часу: для підтримки відкритого стану цього транзистору струм не потрібен – управління здійснюється електричним полем

Транзистори типу MOSFET порівняно з біполярними транзисторами мають безліч незаперечних переваг, серед яких основними є наступні:

• оскільки MOSFET управляти не струмом, а електричним полем, ця обставина дозволяє значно спростити схему управління і знизити затрачиваемую на управління потужність

• в польових транзисторах відсутня так звана інжекція неосновних носіїв у базову область, тому вони можуть перемикатися з набагато більш високою швидкістю

• оскільки польові транзистори термостійкий, тобто з ростом температури збільшується опір їх каналу, це дозволяє реалізовувати паралельне зєднання MOSFET для збільшення навантажувальної здібності

• в польових транзисторах відсутня вторинний пробій, тому область їх безпечної роботи ширше, ніж у біполярних транзисторів

Втім, і у транзисторів MOSFET є деякі недоліки Коротенько назвемо їх:

• у відкритому стані канал транзистора MOSFET являє собою активний опір (ЛЛоп), Яке невелика тільки у транзисторів з допустимою напругою «стік-витік» (Udsmatx) Не більше 250 .. 300 В, а далі, з підвищенням цієї допустимої напруги, спостерігається його значне зростання, що змушує зєднувати прилади паралельно, обмежувати струм, який припадає на один транзистор, тобто «недогружать» прилад

• істотний недолік транзисторів MOSFET повязаний з технологією їх виготовлення, оскільки до теперішнього часу технологічно не вдається виготовити їх без деяких паразитних елементів, одним з яких є внутрішній паразитний біполярний транзистор

• наявність паразитних міжелектродних ємностей викликає ефект «гальмування» транзистора при перемиканні, і чим потужніший транзистор, тим складніше забезпечити його швидкодіючий перемикання

Деякі розробники помилково вважають цей діод спеціально вбудовуваним захисним елементом, називаючи його швидкодіючим діодом Шотткі Дійсно, графічне накреслення вже

Рис 211 Позначення паразитних діодів в технічній документації

У довідковій документації по польових транзисторів MOSFET в символічному позначенні транзистора часто зустрічається символ діода, включеного паралельно ланцюга «стік-витік», як показано на рис 211

дуже схоже на згаданий діод, і в переважній більшості випадків у силових перетворювальних схемах існує необхідність шунтування транзисторів швидкими діодами Але, на жаль, в даному випадку поява діода повязано з технологією виготовлення потужних «полевиков» Чому – на жаль Тому, що характеристики цього паразитного діода, званого integral reverse p-njunction diode (інтегральний зворотний діод р-п-переходу), стосовно до використання в схемах перетворювальних пристроїв залишають бажати кращого Іншими словами, вбудований діод виявляється занадто повільним, тому доводиться затрачати додаткову енергію на його закривання, що веде до нагрівання транзистора в цілому

Провідні світові виробники елементної бази постійно ведуть небезуспішну боротьбу за поліпшення характеристик швидкодії зворотних діодів, і їх вплив стає все менш помітним, проте переважна більшість випускаються на сьогоднішній момент польових транзисторів все ще мають паразитні діоди з досить великим часом зворотного відновлення До речі, насправді вбудований діод виходить з технологічного біполярного транзистора, включеного паралельно силовим електродів корисного польового транзистора так, як показано на рис 212

Рис 212 Паразитний діод у складі польового транзистора

З представленого малюнка видно, що база біполярного транзистора VT підключена до технологічного основи, на якій розташований р-п-перехід Це технологічне підставу називається підкладкою Між підкладкою і витоком є ​​деяка омічний опір R, між підкладкою і стоком – паразитний конденсатор С Місткість цього конденсатора, на щастя, невелика, але її величини виявиться достатньо для включення паразитного транзистора за умови швидкого спаду або зростання напруги «стік-витік» Відбутися таке явище може, наприклад, при комутації струмів великої величини Чим це загрожує для електричної схеми, зрозуміти неважко: в той момент, коли ми вважаємо транзистор закритим, він знову відкривається, що найчастіше може стати передумовою до виникнення наскрізних струмів і вигорання силової схеми

Для забезпечення нормальної роботи польового транзистора виробники елементної бази повинні вживати заходів до виключення паразитного біполярного транзистора вже на стадії виготовлення Підключення підкладки до витоку технологічної провідної перемичкою вдається гарантовано виключити небезпека неконтрольованого поведінки паразитного елемента Однак так зявляється паразитний діод з дуже середніми динамічними властивостями

Справедливості заради відзначимо, що діоди Шоттки в складі транзисторів MOSFET таки зустрічаються, проте це ніяк не повязано з поліпшенням технології їх виготовлення Даний діод, показаний на рис 212, в, просто вбудовується на етапі складання транзисторів як окремий бескорпусной елемент При роботі транзистора в конкретній схемі діод Шоттки «бере» на себе зворотний струм, оскільки відкривається швидше, ніж технологічний паразитний діод

Думка про польовому транзисторі як про безінерційних приладі, який може перемикатися практично миттєво, на жаль, часто побутує серед початківців розробників, однак воно значною мірою помилково Звичайно, порівнюючи біполярний і польовий транзистори по своїх динамічних характеристиках, легко визнати MOSFET майже ідеальним приладом для силових перетворювальних схем Насправді польовий транзистор витрачає деякий час на включення, а також на вимикання Існування затримки обумовлено наявністю паразитних ємностей, які показані на рис 213

Рис 213 Паразитні ємності у складі польового транзистора

На малюнку ці ємності умовно показані постійними, але в реальному приладі кожна ємність складається з декількох більш дрібних, з різним характером поведінки Крім того, величина цих ємностей сильно залежить від напруги між їх «обкладками»: вона велика при малому напрузі «стік-витік», і швидко зменшується з його зростанням На рис 241 показаний характер зміни міжелектродних ємностей із зростанням напруги «Стік-витік» для малопотужного тран-

Рис 214 Залежність величини міжелектродних ємностей від величини напруги «стік-витік»: а – для IRF740 б – для FB180SA10

зістора типу IRF740, а на рис 214, б – для потужного транзистора типу FB180SAi0

Щоб наочно продемонструвати ступінь впливу паразитних ємностей на швидкість перемикання транзистора, подамо його у вигляді, зображеному на рис 215 Згідно з наведеним малюнку, транзистор працює в режимі ключа, коммутіруя навантаження з опором Лн Вхідна ємність транзистора представлена ​​елементом Звх

Щоб гарантовано відкрити транзистор, необхідно зарядити його вхідну емкостьдо напруги 12 .. 15 В Зробити цей процес досить швидким – завдання непросте, оскільки швидкому заряду ємності буде заважати так званий ефект Міллера Виробники транзисторів витрачають на боротьбу з впливом ефекту Міллера досить багато інтелектуальних сил і фінансових коштів, тому що чим сильніше цей ефект буде пригнічений, тим вище виявиться швидкість перемикання транзистора

Наявність ефекту Міллера обумовлює існування ємності Cgd, Яка утворює негативний зворотний звязок між входом і виходом транзистора Сам прилад в цьому випадку потрібно розглядати як підсилювальний каскад, вихідний сигнал якого знімається з навантаження RH в ланцюзі стоку У такому каскаді вихідний сигнал буде инвертирован щодо вхідного сигналу Зворотній звязок у вигляді конденсатора Cgd настільки сильно зменшує амплітуду вхідного

де Ky – коефіцієнт посилення каскаду

сигналу, що по відношенню до нього вхідні ємність транзистора виявляється більше, ніж вона є насправді:

Визначити коефіцієнт посилення каскаду на польовому транзисторі можна за відомою простої формули:

де S – крутизна транзистора (наводиться в довідкових даних)

Простий розрахунок красномовно свідчить про те, наскільки сильно ефект Міллера впливає на величину вхідний ємності Нехай C ^ = 35 пФ, Cgd= 6 пФ, S = 250 мА / В, RH = 200 Ом Тоді величина ємності Сїх, Розрахована з урахуванням формул (211) і (212), складе 341 пФ Іншими словами, ефект Міллера здатний звести до нульових очевидні переваги швидкості перемикання польових транзисторів Але, на щастя, сьогодні цей ефект значно мінімізований в серійно випускаються транзисторах і не викликає серйозних побоювань

А тепер поговоримо про режим перемикання силових приладів як про основному режимі їх роботи у складі перетворювальної техніки Враховуючи це, нам просто необхідно розглянути специфіку процесів, що відбуваються в транзисторах MOSFET при їх роботі в силових схемах

На рис 216 показаний типовий польовий транзистор, що працює в ключовому режимі

Рис 216 До розрахунку часу перемикання транзистора MOSFET

Напруга Ug, Що прикладається до затвора транзистора VT від імпульсного генератора, має вигляд, зображений на рис 217, а У ланцюг затвора включений резистор з невеликим опором Rg, Який ми надалі будемо називати затворним резистором При подачі прямокутного імпульсу від джерела Ug спочатку відбувається заряд ємності Cgc (Ділянка «1» на рис 217, б) Але транзистор в цей час закритий – він почне відкриватися тільки при досягненні напруги Ugc деякого значення, званого пороговою напругою (що видно з рис 217, в Величина порогового напруги в довідковій документації позначається як Ugs(thy Типове значення порогового напруги для польових транзисторів становить

2.                     5 В

Рис 217 Тимчасові діаграми комутаційних процесів в транзисторах

типу MOSFET

Легко помітити, що має місце тимчасова затримка включення транзистора Час, що витрачається на цей процес, носить назву часу затримки включення (turn-on delay time) і позначається в технічній документації як tdion)

При досягненні Ugs порогового рівня «спрацьовує» ефект Міллера, вхідна ємність різко збільшується, що ілюструється ділянкою «2» на рис 217, 6, а значить, швидкість відкриття транзистора сповільнюється «Повільний» ділянку триватиме до тих пір, поки транзистор повністю не відкриється, або, іншими словами, поки опір відкритого р-п-переходу не досягне значення ЛЛ (оп) Протягом часу відкриття транзистора спостерігається падіння напруги Uds до мінімально-можливої ​​величини Процес відкривання займає час, зване в технічній документації часом наростання (rise time) і що позначається як tr Після того, як транзистор повністю відкриється, зворотній звязок обривається і вхідна ємність знову стає рівною Cgs (Ділянка «3» на рис 217, 6) У результаті на затворі встановиться напруга U ^ рівна напрузі генератора Ug На ділянці «4» транзистор знаходиться в стані тривалого статичного насичення

Процес вимкнення транзистора протікає в зворотному порядку (ділянки «5», «6», «7» на рис 217, б На ділянці «5» відбувається зниження напруги U ^ до порогового рівня, що займає час td(o(r) Це час носить назву часу затримки вимкнення (turn-off delay time) На ділянці «6» знову вступає в дію ефект Міллера, уповільнюючий процес виключення, і напруга «стік-витік» стає рівним Un Час, що витрачається на цей процес, називається часом спаду (fall time) і позначається як tf

Іноді в технічній документації, особливо у вітчизняній, не наводяться окремо час затримки включення, час наростання, час спаду і час затримки вимкнення, а даються сумарні параметри Наприклад, час включення tUKJl і час виключення /вик У табл 211 наводяться для порівняння часові параметри для деяких поширених типів транзисторів MOSFET

Таблиця 2 LI Тимчасові параметри деяких транзисторів MOSFET

Необхідно обмовитися, що оскільки час комутаційних процесів в транзисторах MOSFET повязано з процесом заряду-розряду паразитних ємностей, на часові параметри істотний вплив чинитиме величина резистора Rg – Чим більше його опір, тим більший час доведеться затрачати на комутацію Тому виробники вказують, при якій величині Rg і Ug наводяться довідкові дані Користуватися ними потрібно лише при початковому виборі елементів, повторне обчислення розробнику потрібно виробляти, виходячи з режиму роботи в конкретній схемою

Отже, в результаті процесу включення імпульс струму стоку затримується щодо імпульсу управління на час /вкл, А вимикання

транзистора розтягується на час /вик Час комутації прямо повязане з величиною теплових втрат на напівпровідниковому приладі: чим швидше ми зможемо перемикати транзистор, тим менше буде теплових втрат на ньому, тим кращі показники ККД схеми ми отримаємо і тим менші габарити охолоджуючих конструкцій слід очікувати

На жаль, через складного характеру процесу заряду затвора і нелінійності паразитних ємностей ми не в праві вважати час заряду вхідний ємності математичним методом, прийнятним для звичайної інтегрує RC-ланцюга Справа в тому, що проста RC-ланцюг підпорядковується експоненціальним законом наростання і спаду струмів і напруг, в той час як зміна реального напруги U&amp має більш складний характер Тому відомі виробники польових транзисторів не рекомендують користуватися в розрахунках значеннями паразитних ємностей Мається інший шлях розрахунку часу перемикання, повязаний з переходом до інтегральної характеристиці, званої зарядом затвора

Заряд затвора визначається з наступної формули:

де ig(T) – функція струму затвора

Який фізичний зміст виразу (213) Інтегрування, як зазвичай, призводить до необхідності підсумовувати твори струму затвора протягом коротких проміжків часу, протягом яких струм можна умовно вважати постійним У результаті ми отримуємо так зване «кількість електрики», яке треба передати вхідний ємності транзистора, щоб відкрити (або закрити) його Ми можемо зробити це швидко, тоді нам необхідно забезпечити великий зарядний струм, або затягти час відкриття за рахунок зменшення зарядного струму

Знаючи величину заряду затвора (яку пристойні фірми-виробники вказують у технічній документації), легко обчислити час включення (виключення) транзистора MOSFET Ці величини визначаються так:

Але як визначити величину заряду затвора для транзистора конкретного типу Природно, з технічної документації, в якій зазвичай наводиться значення, зване «загальним зарядом затвора» (total gate charge) Крім цього, виробники наводять також криву заряду затвора (рис 218)

Рис 218 Типові криві заряду затвора транзисторів MOSFET: а – IRFP250 б IRL3103D1 в FBI80SA10

Рис 219 Порівняльні характеристики заряду RC-ланцюжка і вхідний ємності затвора MOSFET

На малюнку 219 показані характеристики, що відображають зміну струму затвора ig в процесі комутації транзистора і порівняльне зміна струму заряду стандартної інтегруючого RC-ланцюжка

У реальних схемах силової перетворювальної техніки затворами транзисторів управляють спеціальні пристрої, звані драйверами Ми будемо говорити про рекомендовані для застосування у складі силової перетворювальної техніки драйверах трохи пізніше, а зараз звернемо увагу читача на те обставина, що при розробці схеми управління транзисторами завжди важливо визначити потужність, яку потрібно витратити на управління транзистором Використовуючи значення величини заряду затвора, неважко розрахувати середню величину потужності драйвера:

де / – частота комутації

Як показує практика, зазвичай ця потужність складає соті частки відсотка від потужності силової частини схеми (за умови використання транзисторів MOSFET або IGBT, розповідь про яких – попереду)

Розробнику силової перетворювальної техніки дуже часто доводиться стикатися з так званими аварійними режимами роботи, коли виникає коротке замикання або порушується електричний контакт (Відбувається розрив ланцюга) В аварійних режимах, як правило, спостерігається різке і неконтрольоване зміна струмів і напруг, в результаті чого прилад може просто вийти з ладу Тому дуже важливо спроектувати вузол керування перетворювачем так, щоб силові елементи (які, як правило, є дорогими виробами) були схильні до небезпеки виходу з ладу в аварійному режимі До однією з таких передумов потенційно-аварійних режимів можна віднести вибір занадто великого опору затворного резистора Покажемо на прикладі, якими будуть наслідки в цьому випадку

де (dUJdi) – гранична швидкість зміни напруги «стокісток» в одиницю часу /ком – Час комутації

Як видно з рис 216, паразитні ємності Cgd і Cgs утворюють ємнісний дільник напруги Якщо опір затворного резистора велике, а зміна напруги «стік-витік» в одиницю часу (швидкість наростання) відбувається швидко, то, зробивши деякі допущення (які ми тут опустимо, тому що вони самі по собі не дуже цікаві), можна дійти цікавого співвідношенню:

Різка зміна напруги «стік-витік» може виникнути в різних ситуаціях, наприклад, при первісному включенні живлення силового кола самого ключового транзистора, або при включенні іншого елемента схема, що працює у звязці з даними транзистором Покажемо, наскільки небезпечна для силового транзистора занадто висока швидкість комутації Для розрахунку приймемо типове співвідношення Cgd/Cgs= 1/4, dUJdt = 250 В / мкс, /ком = 1 мкс Тоді t ^ = 50 В, що становить значно вищу величину в порівнянні з безпечною зоною порогового напруги, і, мало того, вище гранично-безпечного рівня напруги на затворі Отже, транзистор може, по-перше, самостійно відкритися наведеною напругою в той момент, коли ми навіть і не намагалися подавати на нього відкриває імпульс управління, а по-друге, він може просто вийти з ладу із-за пробою затвора високою напругою

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