Силовые (мощные) полупроводниковые приборы. Составные транзисторы. Побисторы. MGT-схема. Схема с коммутируемым эмиттером.

Тиристоры и силовые диоды пока остаются основными приборами в области преобразования сверхвысоких мощностей (до нескольких гигавольт-ампер), например, в высоковольтных линиях электропередачи постоянного тока. Новые приборы находят широкое применение в агрегатах бесперебойного питания, электропривода, вторичных источниках питания, си­ловых электронных аппаратах и др.

Рис. 1.12. Характерные предельные параметры силовых полупроводниковых приборов: 1 —тиристоры; 2 —запираемые тиристоры; 3 —биполярные транзисторы; 4 —транзисторы с изолированным затвором; 5 — МОП-транзисторы.

На рис. 1.12 приведены области характерных параметров основных типов новых силовых полупроводниковых приборов, выпускаемых в настоящее время. Среди новых приборов — мощные МОП-транзисторы, запираемые тиристоры, транзисторы с изолированным затвором [5]. Эти транзисторы применяются в большинстве типов преобразователей средней мощности, применяемых в качестве источников питания силовых электронных регуляторов для электропривода.

Составной транзистор, или как его ещё называют - транзистор Дарлингтона, - это два транзистора, соединённые таким образом, чтобы ток, усиленный первым транзистором, поступал на базу второго и усиливался им. Это, по сути, последовательное соединение транзисторов, при котором их коэффициенты усиления перемножаются. Таким образом, у составного транзистора получается очень высокий коэффициент усиления, например 10000. Транзисторы Дарлингтона (составные транзисторы) изготавливаются в обычном транзисторном корпусе, внутри которого содержатся два транзистора. Они имеют три вывода (B, C и E), которые эквивалентны одноимённым выводам обычного одинарного транзистора.

Схема составного транзистора

Можно собрать свой составной транзистор из двух отдельных транзисторов, соединив их как показано на схеме. Например:

· Для TR1 используется транзистор с коэффициентом усиления = 200

· Для TR2 используется транзистор с коэффициентом усиления = 50

Общий коэффициент усиления Дарлингтонской пары будет 200 x 50 = 10000 Максимальный ток коллектора будет равен максимальному току коллектора транзистора TR2 а максимальный ток базы - току базы транзистора TR1Таким образом, составные транзисторы применяются в тех схемах, где требуется большой коэффициент усиления. Например, в стабилизаторах блоков питания.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором(IGBT или побисторы). Достоинства и недостатки силовых биполярных транзисторов и МОП-транзисторов обусловили поиск решений в области создания новых силовых транзисторов. Работы в этом направлении, начавшиеся на основе гибридной технологии, в целях объединения двух приборов в одном кристалле в дискретном виде не принесли значительных успехов. Поэтому были начаты исследования по обеспечению стандартных функций этих приборов в одном кристалле. В результате был создан новый прибор — биполярный транзистор с изолированным затвором[1]. Этот новый тип транзистора сочетает высокое входное сопротивление МОП-транзисторов с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном состоянии биполяр­ных транзисторов. Структура этого транзистора аналогична структуре силового МОП-транзистора за исключением того, что имеет дополнительный слой со стороны стока с соответствующим типом проводимости. Первые образцы этих приборов имели относительно низкое быстродействие. Однако использование специальных технологических операций по упра­влению временем жизни неосновных носителей позволило уменьшать время переключения до десятых долей микросекунды. В результате были созданы промышленные образцы транзисторов на напряжение до 800 В и токи до 50 А, способные эффективно работать на повышенных частотах. При этом новые приборы обладают такими положительными качествами, как малая мощность сигнала управления, способность выдерживать высокие обратные напряжения и хорошие температурные характеристики.

Интенсивное освоение промышленностью этих приборов и тенденция улучшения технических характеристик' позволяют прогнозировать их лидирующее положение в области силовых транзисторов.

В транзисторе, включенном по схеме ОЭ, зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора Iб = f1(Uбэ) называют входной или базовой вольт-амперной характеристикой (ВАХ) транзистора. Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированных значениях тока базы Iк = f2(Uкэ), Iб – const называют семейством выходных (коллекторных) характеристик транзистора.

Входная и выходная ВАХ биполярного транзистора средней мощности типа n-p-n приведены на рисунке:

Как видно из рисунка, входная характеристика практически не зависит от напряжения Uкэ. Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения Uкэ.

Зависимость Iб = f(Uбэ) представляет собой экспоненциальную зависимость, характерную для тока прямосмещённого p-n перехода. Поскольку ток базы – рекомбинационный, то его Iб величина в β раз меньше, чем инжектированный ток эмиттера Iэ. При росте коллекторного напряжения Uк входная характеристика смещается в область больших напряжений Uб. Это связано с тем, что вследствие модуляции ширины базы (эффект Эрли) уменьшается доля рекомбинационного тока в базе биполярного транзистора. Напряжение Uбэ не превышает 0,6…0,8 В. Превышение этого значения приведет к резкому увеличению тока, протекающего через открытый эмиттерный переход.

Зависимость Iк = f(Uкэ) показывает, что ток коллектора прямопропорционален току базы: Iк = B · Iб

7 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 рю 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 Рк 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.

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.