Сравнение силовых электронных ключей

Основными показателями, определяющими область применения приборов являются величина коммутируемой мощности (определяется допустимым током и напряжением) и быстродействие. Условно можно разделить коммутирующую мощность на три диапазона – низкую (до 100 кВт), среднюю (100 кВт – 10 МВт) и высокую (от 10 МВт – свыше 100 МВт). Соответственно по быстродействию можно выделить диапазоны рабочих частот – низкочастотные (до 3 кГц), среднечастотные (до 20 кГц) и высокочастотные (до 1 МГц и выше).

Наиболее быстродействующим прибором в нижнем диапазоне мощностей является МОП-транзистор. При токах до 50 А и напряжениях до 250 В он полностью вытеснил остальные виды ПП ключей благодаря способности переключаться с частотой до 1 МГц. Его мощность ограничена величиной номинального напряжения (обычно не превышает 800 В), так как повышение последнего связано с увеличением сопротивления транзистора в открытом состоянии и как следствие с ограничением допустимого тока. В то же время разработчики транзисторов постоянно уменьшают величину этого сопротивления (например, HEXFET-структуры), что открывает возможности повышения их коммутируемой мощности.

В области средней мощности в настоящее время лидирует транзистор IGBT. Модульное исполнение этого прибора позволяет поднять рабочее напряжение до 3,5 кВ при токе 1200 А и более. Поэтому IGBT является основным прибором для преобразователей частоты в системах электропривода и для систем бесперебойного электроснабжения средней мощности. Создание высоковольтного модуля (HVIGBT) выдвинули этот тип прибора в разряд мощных ключей. Модули HVIGBT конкурентоспособны с наиболее мощными приборами для создания преобразователей в энергетике, в частности, для «вставок» постоянного тока в линиях электропередачи и для тягового электротранспорта.

В области очень большой мощности (при низких частотах) вне конкуренции остаются тиристоры.

Система обозначений СПП

Отечественные СПП выпускаются электротехнической промыш­ленностью Þ другие отраслевые стандарты. Система обозначений менялась несколько раз. И сейчас еще можно встретить обозначения В25 или Т160 (диод или тиристор и максимальный прямой ток).

С 1980 введен стандарт на единую унифицированную серию (действующая редакция – ГОСТ 20859.1-89). Стандарт содержит требования к конструкции, электрическим параметрам, надежности, правила приемки и испытаний, и в том числе систему обозначений.

Первый элемент – одна или несколько букв, обозначающих вид, подвид, модификацию прибора:

Д – диод, ДЛ – диод лавинный, ДШ – диод Шоттки, ДЧ – быстровосстанавливающийся;

Т – тиристор, ТЛ – тиристор лавинный, ТБ – быстродействующий, ТС – симметричный, ТС – запираемый, ТО – оптотиристор, и др.;

ТК – биполярный транзистор, ТКД – биполярный составной по схеме Дарлингтона, ТКП – полевой транзистор;

М – модуль, МДД – модуль диод-диод, МТД – модуль тиристор-диод, МТОТО – две тиристорных оптопары в корпусе, и др. сочетания.

Второй элемент – три цифры, обозначающие вид конструкции.

Первая: порядковый номер модификации конструкции.

Вторая: цифра в зависимости от размера шестигранника под ключ (для штыревых) или диаметра корпуса (для таблеточных).

Третья: конструктивное исполнение прибора: 1 – штыревой с гибким выводом, 2 – штыревой с жестким выводом, 3 – таблеточный, 4 – под запрессовку, 5 – фланцевый.

Третий элемент – максимально допустимый средний прямой ток (или импульсный. или действующий).

Четвертый элемент – класс прибора: допустимое напряжение в закрытом состоянии, выраженное в сотнях вольт.

Пятый элемент – условные цифры, обозначающие группу прибора по параметрам (разные в зависимости от типа прибора). Например, для тиристоров это: группа по критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии (от 0 – не нормируется, до 9 – не менее 2500 В/мкс); группа по времени включения, группа по времени выключения. Для транзисторов: группа по времени включения, по времени выключения, по напряжению насыщения, по статическому коэффициенту передачи тока.

Пример обозначения: ТБ131-63-6-445 – тиристор быстродейству­ющий, первого конструктивного исполнения, размер шестигранника под ключ 27 мм, конструктивное исполнение штыревое с гибким выводом, средний ток в открытом состоянии 63 А, напряжение в закрытом состоянии 600 В, критическая скорость нарастания напряжения 200 В/мкс, время выключения не более 32 мкс, время включения не более 1,6 мкс.

Тенденции развития СПП

Совершенствование характеристик силовых электронных ключей за последние годы имеет очень высокую динамику. При этом основой этих процессов являются в основном новые технические решения в области структур приборов и развитие электронных технологий, позволяющих их реализовать.

В настоящее время практически все силовые электронные ключи выполняются на основе кристаллов кремния с добавкой различных примесей, изменяющих характер проводимости структур приборов. В то же время многолетние научные исследования показывают, что есть материалы, позволяющие значительно улучшить характеристики СПП. В качестве потенциальных заменителей кремния рассматриваются арсенид галлия, разновидности карбида кремния и алмаз. По ряду своих характеристик, они значительно превосходят кремний.

Арсенид галлия позволяет получить меньшее сопротивление в проводящем состоянии, повысить быстродействие, пробивное напряжение и рабочую температуру полупроводниковых приборов. Однако механические свойства затрудняют создание пластин кристалла большого диаметра, необходимого для мощных приборов.

Карбид кремния имеет значительные преимущества перед кремнием в части стойкости к пробивному напряжению и способности работать при высоких температурах. Однако его механические свойства не позволяют пока создавать пластины диаметром более 1 дюйма.

Алмаз имеет очень привлекательные свойства для создания полупроводниковых приборов, в настоящее время еще не создана технология выращивания таких кристаллов.

«Разумные» силовые интегральные схемы. Развитие высоких технологий в области силовой электроники привело к концу 80-х годов к созданию новой элементной базы, получившей название «разумные» силовые интегральные схемы или «интеллектуальных» силовых интегральных схем (ИСИС). По существу ИСИС являются электронными модулями, объединяющими в одном кристалле (или корпусе) как силовые электронные компоненты, например силовые транзисторы, так и схемы их управления, защиты, диагностики состояния модуля, а также различные интерфейсы. Последние позволяют обеспечить функционирование модуля в системе более высокого уровня. ИСИС можно определить как устройство, функционально и конструктивно объединяющее элементы силовой и информационной электроники на основе высоких технологий их интеграции.

Основой ИСИС стали МОП-структуры. В качестве силовых ключей в таких модулях получили распространение силовые МОП-транзисторы и IGBT-транзисторы. Логические схемы и аналоговые схемы управления реализуются также на основе МОП-технологий.

Большинство современных ИСИС имеют собственную защиту силовых ключей по току, напряжению и температуре. Основой такой защиты являются датчики, контролирующие эти параметры. В качестве датчиков используют маломощные измерительные транзисторы, включаемые таким образом, чтобы минимизировать потери мощности при измерении и обеспечить максимальное быстродействие защиты.

Сигналы различных датчиков сравниваются с допустимыми (эталонными) значениями. При выходе за допустимые пределы блокируется поступление импульсов управления на силовые транзисторы. Одновременно информация об аварии может поступать через интерфейс во внешние управляющие устройства.

В отдельных случаях ИСИС содержит собственный микропроцессор, обеспечивающий управление силовыми ключами по определенному закону, а также диагностику его состояния при возникновении неисправности. Микропроцессорные ИСИС начинают применять в самых различных областях техники, существенно повышая технико-экономическую эффективность содержащих их систем. Такой, наиболее обширной, областью является электропривод.

Основными преимуществами применения ИСИС являются: существенное улучшение массогабаритных показателей управляющих устройств, минимизация монтажных соединений, программное изменение функций и высокие технические характеристики.

Глава 8. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

 

Интегральная микросхема (ИМС) – это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования сигналов, имеющее высокую плотность расположения элементов, выполненное в едином технологическом процессе таким образом, что при поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.

[В литературе равно употребляют термины: микросхема, интегральная схема]

Электронная аппаратура на ИМС обладает следующими большими преимуществами:

1) Высокая надежность и технологичность, поскольку ИМС изготовляют на специализированных предприятиях на основе хорошо автоматизированной современной технологии. При создании аппаратуры на ИМС резко снижаются затраты труда на сборку и монтаж аппаратуры, уменьшается число паяных соединений, которые являются одним из наименее надежных элементов электронных узлов. Поэтому аппаратура на ИМС намного надежнее, чем аппаратура на дискретных элементах, меньше вероятность ошибок при монтаже. Только ИМС обеспечили высокую надежность, необходимую для создания систем управления космическими аппаратами и современных больших вычислительных систем.

2) Малые масса и габариты.

3) При создании аппаратуры из готовых ИМС резко сокращается время на разработку изделия, так как используются готовые узлы и блоки, упрощается внедрение в производство.

4) Применение аппаратуры на ИМС массового выпуска снижает стоимость изделия, так как уменьшаются расходы на монтаж и наладку устройства, да и сами микросхемы стоят дешевле заменяемых ими схем на дискретных компонентах, так как выпускаются по совершенной и производительной технологии.

5) Создание аппаратуры на ИМС упрощает организацию производства за счет уменьшения числа операций и сокращения числа комплектующих изделий.

В настоящем курсе нам предстоит изучить самые разнообразные электронные устройства: усилители, генераторы, преобразователи сигналов и т. п. Как только какое-либо устройство получает массовое распространение, его становится коммерчески выгодно выпускать в виде ИМС. Практически все современные устройства информационной электроники создаются на базе ИМС.

Интегральную схему или сборку можно получить либо в пластине твердого материала, либо на ее поверхности. В первом случае в теле полупроводникового материала создают слои резисторов, структуры транзисторов, диодов и конденсаторов, выполняющих заданные электронные функции. Такие ИС называются полупроводниковыми.

Во втором случае все элементы интегральной схемы (кроме активных) наносят на диэлектрическую пластину (подложку) в виде поликристаллических или аморфных слоев (пленок), выполняющих заданные функции пассивных элементов. Полученную ИС при необходимости помещают в корпус с внешними выводами. Активные элементы (диоды и транзисторы) «навешивают» на пленочную схему, в результате чего получают смешанную (пленочно-дискретную) ИС, которую называют гибридной. Гибридная ИС (ГИС) — это гибкий, дешевый, оперативно проектируемый тип ИС, хорошо приспособленный к решению специальных частных задач. Спецификой ГИС могут быть либо высокие номиналы резисторов и конденсаторов, недостижимые в полупроводниковых ИС, либо прецизионность резисторов, обусловленных тем, что их номиналы можно подгонять до завершения технологического цикла и помещения ГИС в корпус, либо повышенная функциональная сложность.

Однако наиболее распространены на практике и перспективны полупроводниковые ИС, так как они позволяют создавать надежные и достаточно сложные в функциональном отношении электронные устройства малых размеров при незначительной их стоимости.

Характерной особенностью полупроводниковой ИС является отсутствие среди ее элементов катушки индуктивности и тем более трансформатора. Это объясняется тем, что до сих пор не удалось использовать в твердом теле какие-либо физические явления, экви­валентные электромагнитной индукции. Поэтому при разработке ИС стараются реализовать необходимую функцию без использования индуктивностей или применяют навесные индуктивные элементы. В качестве резисторов и конденсаторов в полупроводниковых ИС используют соответственно сопротивление и зарядную емкость р-n-перехода, что позволяет обеспечить единый технологический цикл изготовления структур транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов при производстве полупроводниковых ИС.

По назначению различают цифровые и аналоговые ИМС. Цифровые предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции, аналоговые – сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.

По технологии различают два класса полупроводниковых ИС: биполярные ИС и МДП-ИС. Основной элемент биполярных ИС – n-р-n-транзистор, а МДП-ИС – МДП-транзистор с индуцированным каналом. Все остальные элементы схемы (диоды, резисторы и конденсаторы) изготовляют на базе основного элемента и одновременно с ним.

Биполярные ИС. В биполярных ИС более широко используются транзисторы n-р-n типа, так как из-за различий технологических процессов, в которых применяются бор и фосфор, изготовление n-p-n транзисторов оказывается более простым, чем p-n-p транзисторов.

Появление ИС стало возможным благодаря тому, что в полупроводниковом кристалле можно изготавливать одними и теми же методами не только транзисторы и диоды, но также резисторы и конденсаторы. После изготовления этих элементов и их изоляции производится осаждение алюминия на всю пластину и фоторезистивным методом ненужные участки алюминия удаляются. Оставшаяся часть алюминиевой металлизации обеспечивает необходимые соединения между элементами, составляющими схему, и служит внешними контактами.

Резисторы. В ИС резисторы изготовляют из того же полупроводникового материала: чем меньше содержанием легирующей примеси, тем выше удельное сопротивление. Наиболее употребительная форма интегральных резисторов представляет собой тонкую полоску типа р, изготовляемую методом диффузии. С обоих концов полоски имеются металлические контакты. Сопротивление такой полоски пропорционально ее длине и обратно пропорционально ширине. Диапазон сопротивлений резисторов, изготовляемых диффузионным методом, ограничен площадью пластинки, на которой размещена ИС, и, как правило, типовые сопротивления составляют от 10 Ом до 30 кОм с допуском до 20%.

Другим методом изготовления интегральных резисторов является применение тонкопленочной технологии. Этот метод заключается в осаждении металлической пленки, обычно из нихрома, на слой двуокиси кремния и последующем травлении до получения необходимой формы резистора, а следовательно, и заданного сопро­тивления. Затем металлический резистор покрывается изолирующим слоем, в котором проделываются отверстия для формирова­ния в них омических контактов. Тонкопленочные резисторы позволяют получать сопротивления вплоть до 50 кОм.

Конденсаторы. Для изготовления конденсаторов в ИС используется емкость обратно смещенного p-n перехода. Таким методом получают максимальную емкость до 400 пф. При использовании тонкопленочной технологии можно получить емкость приблизительно в 2 раза больше. Тонкопленочный конденсатор представляет собой алюминиевую пленку, которая является одной обкладкой конденсатора, осаждаемую на слой двуокиси кремния. Другой обкладкой служит полупроводниковый материал, а слой двуокиси кремния между ними является диэлектриком.

Изоляция. Отдельные элементы, образующие ИС, необходимо каким-то образом электрически изолировать между собой. Один из возможных методов, называемый методом диодной изоляции, заключается в том, что каждый элемент ИС окружается областью из полупроводникового материала, имеющего противоположный тип проводимости. Подачей обратного смещения на сформированный таким образом p-n переход осуществляется электрическая изоляция элементов схемы p-n между собой.

Типы схем, изготовляемых методом биполярной технологии, ограничены по своей сложности. Причиной этого является сложная технология изготовления биполярных транзисторов. Тем не менее постоянно разрабатываются новые типы ИС. В настоящее время достигнут следующий уровень биполярной технологии: порядка 7000 элементов, изготовленных на монолитной пластинке площадью 0,4 см².

МОП-ИС. В процессе производства транзисторов МОП-типа число технологических этапов достигает 35, в то время как для изготовления биполярных транзисторов число этапов превышает 140. Уменьшение количества технологических этапов в производстве МОП транзисторов сопровождается более высоким процентом выхода годных приборов и, следовательно, более низкой их стоимостью. Размеры схемы с МОП-транзисторами оказываются значительно меньшими по сравнению с аналогичной интегральной схемой на биполярных транзисторах. Или, иначе говоря, на пластинке кремния данной площади можно разместить больше МОП-транзисторов, чем биполярных.

Функциональную сложность ИС принято характеризовать сте­пенью интеграции, к-рая определяется числом N элементов в ИС. В качестве элементов обычно учитываются транзисторы. Слоилась следующая терминология: малая ИС – менее 100 элементов, средняя ИС (СИС) – N от 100 до 1000 для ЦИС и от 100 до 500 для АИС; большая ИС (БИС) – N > 1000 для ЦИС и N > 500 для АИС; сверхбольшая ИС (СБИС) содержит свыше 10 000 элементов. Приведенное деление ИС является приближенным и может корректироваться по мере развития микроэлектроники.

История прогресса ИС. Первая патентная заявка на прототип ИС была подана в 1953, но реализация не состоялась из-за недостаточного развития технологий. Примерно в 1959 произошел технологический прорыв, связанный с изобретением способа электрической изоляции элементов, находящихся на одном кристалле, с помощью p-n-перехода, и с изобретением способа электрического соединения элементов (металлизация алюминием). В 1962 в результате новых схемотехнических идей были созданы первые образцы логических устройств, на десятилетия ставшие эталоном в цифровой микросхемотехнике, а в 1964-65 аналогичный прорыв был совершен в аналоговой технике (Видлар) созданием ОУ.

В последующие годы происходил бурный рост микроэлектроники, который выражался в увеличении числа транзисторов на кристалле, а это можно сделать за счет увеличения площади кристалла, но главное – за счет уменьшения размера транзисторов.

В 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы) один из основателей Intel Гордон Мур обнаружил закономерность: количество транзисторов в ИС удваивается каждый год. Это наблюдение получило название закона Мура, который проявляется в вычислительной технике (именно здесь количество транзисторов растет наиболее быстро и является решающим). В 1975 году Гордон Мур внёс в свой закон коррективы, согласно которым удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года. В целом этот закон до 2011 года продолжал действовать.

По поводу закона Мура, как-то было приведено такое сравнение: если бы авиация в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как средства вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом 19 л топлива. Приведенные цифры весьма наглядно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ.

Однако в 2007 году Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества: не может же транзистор иметь размеры меньше атома (кремний – 0,24 нм)!

Развитие технологии с 2000 года:

2002 – 2003 – Технологический процесс с проектной нормой 90 нм

2006 – 2007 – Технологический процесс с проектной нормой 45 нм

2009 – 2012 – Технологический процесс с проектной нормой 22 нм

2015 – Intel начинает продажи 14-нм процессоров Celeron и Pentium.

В начале 2017 года фирма Intel выделила 7 млрд долларов на установку и наладку оборудования для технологического процесса 7 нм. На завершение работ планируется ещё 3–4 года.

Система обозначений ИМС. Аналоговые и цифровые микросхемы разрабатываются и выпускаются в виде серий. Каждая серия содержит несколько разновидностей микросхем, которые могут отличаться функциями, но чаще всего выполняются по одной технологии, совместимы конструктивно и электрически. Зачастую ИМС одной серии выполняют одинаковые функции и отличаются параметрами. Во многих случаях ИМС одной серии предназначены для совместного применения. В больших сериях м/б более сотни типономиналов.

Примеры: серия стабилизаторов напряжения 142, цифровых микросхем 155, АЦ- и ЦА-преобразователей 572.

Условное обозначение ИМС состоит из четырех элементов. [ Изобразить пример 590КН8Б ]

Первый элемент – цифра, указывает конструктивно-технологическую группу. 1, 5-7 – полупроводниковые (7 – бескорпусные); 2, 4, 8 – гибридные; 3 – прочие.

Второй элемент – две-три цифры, порядковый номер разработки. Первый и второй элементы образуют номер серии.

Третий элемент – две буквы. Первая соответствует группе по функциональному назначению, вторая конкретизирует функцию. Примеры групп: А - формирователи (например, импульсов или токов); В – вычислительные средства, Г – генераторы сигналов, К – коммутаторы и ключи, Л – логические элементы, У – усилители. Вторая буква показывает вид ИМС в данной группе. Примеры двухбуквенных обозначений: ВЕ – микроЭВМ, КН – коммутатор напряжения, ЛА – элемент И-НЕ, УН – УНЧ.

Четвертый элемент – порядковый номер разработки данного вида в серии (так как в серии м/б несколько ИМС одного вида).

Могут быть добавлены:

в конце буква, определяющая технологический разброс параметров (590КН8А коммутирует до 20 В, Б – до 30 В);

перед номером буква К – для устройств широкого применения;

перед номером буква Р – пластмассовый корпус DIP, или М – металлокерамический корпус DIP, или Б – бескорпусный (тогда через дефис – модификация конструктивного исполнения: Б553ЛА1-2).