Модуль – гібридні силові прилади

Тема 11. Тема 12

 

Силова електроніка (СЕ) (Power Electronics) використовується для перетворення параметрів електричної енергії певними методами та засобами керування за допомогою електронних приладів. Основным матеріалом для СЕ є кремній.

До перетворювачів електричної енергії (струму, напруги, частоти) відносять: випрямлячі, інвертори, перетворювачі частоти, регулятори постійного та змінного струму, імпульсні регулятори постійної напруги, комутатори кіл. перетворювачі є складовою частиною джерел вторинного електроживлення, мехатронних систем, приводів, систем безперебійного живлення і т. п. Системи керування при цьому будуються засобами інформаційної електроніки (ІЕ).

Критерії якості, згідно яких розробляються оптимальні системи силової та інформаційної електроніки дещо різні. Для СЕ – це потужність та частота комутації, для ІЕ – ступінь інтеграції (мініатюризації) та швидкодія, але в основі СЕ та ІЕ - електроний прилад (Electronic Device), який служить для перетворення, або переривання енергії струму, і являє собо. повністю, або не повнісю керований вентиль (діод, транзистор, тиристор, інтегральна схема (ІС)). Саме якісні показники приладу характеризують ступінь розвитку галузі, зокрема СЕ.

Серед приладів СЕ частіше за все використовуються, зокрема, в електроприводі MOSFET и IGBT, та інтегровані на їх основі модулі й потужні інтегральні схеми. Із появою приладів із покращеними показниками, розширились допустимі області використання практично на всі сфери життєдіяльності людини(промисловість, транспорт, побутова техніка, енергетичний комплекс і т.д.)

Традиційоні прилади СЕ (SCR, TRIAC, біполярні транзистори) все ще знаходять застосування там, (BPT), де відношення «комутуєма потужність/ціна» має велике значення, зокрема, в імпульсних джерелах живлення (SMPS).

 

5.1 Гібридні прилади – інтеграція польових та біполярних приладів в твердому тілі

Ефективна інтеграція властивостей польового управління та біполярності на виході: здійснена в біполярному транзисторі з ізольованим затвором (БТІЗ або IGBT), що є синергетичним поєднанням переваг МОНТ і БТ

На рис. 5.1, а наведена структура IGBT, на рис. 5.1, б – його еквівалентна схема, на рис. 5.1, в – графічна позначка. Як видно, структура IGBT практично повністю повторює структуру DNMOS, із тією лише різницею, що підложка має p+ провідність, та p+ області, які шунтуютьі емітер й базу еквівалентного n-p-n транзистора мають принципове значення, у відзнаку від МОНТ, де вони можуть бути відсутні. В IGBT ці області зменшують можливість спрацювання паразитного тиристора, утвореного чотирьохшаровою структурою, і, завдяки цьому, забезпечують повну керованість приладу. P+ підложка утворює із дрейфовою областю МОНТ p-n перехід, який у відкритому стані МОНТ інжектує неосновні носії у дрейфову область і модулює опір цієї області, багаторазово зменшуючи його значення (більш ніж у 10 разів), завдяки чому усувається основний недолік МОНТ.

 

а б в

Рисунок 5.1 – IGBT: а – структура; б - еквівалентна схема;

в - графічна позначка

 

У структурі IGBT є два зустрічно включених переходи П1 і П2 (рис.5.1,а), чим забезпечується блокування як позитивних, так і негативних напруг. У прямому напрямку блокування досягається переходом П1 при замкнутих емітері та затворі структури. Для відмикання структури необхідно подати на затвор позитивну напругу відносно емітера, яка створює канал n-типу на поверхні базової області під затвором, що забезпечує шлях струму між n+-емітером і дрейфовою областю, як у МОНТ.

Пряме зміщення колекторного переходу П» призводить до інжекції із p+області неосновних носіїв у дрейфову n область, які, маючи високу концентрацію, значно знижують опір цієї області. Отже, у включеному стані IGBT веде себе як прямо зміщений p-i-n діод й забезпечує більшу щільність струму, характерну для замикних тиристорів. У той же час, струмом через IGBT можна управляти зміною напруги на затворі. В зворотному включенні блокування напруги здійснюється переходом П2. Оскільки IGBT є результатом функціональної інтеграції МОН і біполярного транзисторів, він має властивості, аналогічні цим приладам.

Як МОН транзистор, IGBT управляється напругою і для перемикання його вимагається перезарядка вхідної ємності затвору. IGBT може бути зруйнований електростатичним зарядом. Як біполярний транзистор, IGBT в включеному стані характеризується залишковою напругою, яка мало залежить від струму колектора і в деяких випадках позитивною залежністю струму колектора від температури. При вимиканні потрібен деякий час для розсисання неосновних носіїв, накопичених у базі. Вплив внутрішніх шунтуючих зворотних діодів відсутній.

На рисунку 5.2 наведені структури (топологія) IGBT різних поколінь фірми IR []. Останні дві структури використовують технологію «втопленого затвора», або затвора у вигляді «траншеї» - Trеnch.

 

 

Рисунок 5.2 – Порівняльні топології IGBT фірми IR різних генерацій

 

IGBT є яскравим прикладом реалізації системного принципу синергії: поєднання переваг польових та біполярних приладів в твердому тілі дозволило в кілька разів підвищити щільність струмів через перетин кристалу порівняно із МОНТ аналогічного розміру та зменшити потужність драйверу в декілька разів порівняно із БТ.

Аналіз вихідних статичних характеристик, отриманих моделюванням, показує, що при однакових розмірах комірки структури NPT, IGBT має в п'ять разів вище значення струму колектора при фіксованій напрузі колектора, ніж відповідний струм стоку в DNMOS-структурі.

 

Рисунок 5.3 – Порівняльні ВАХ IGBT та МОНТ

 

5.1.1 Параметри IGBT

В якості основних параметрів в довідкових даних наводяться типові значення напруги колектор-емітер у блокованому стані та струм колектора у відкритому стані.

 

Серед максимально допустимих величин(які визначають межу, за якою прилад може бути пошкоджено, відповідно з IEC 60747): напруга колектор-емітер U_CES (перевищення, навіть на короткий час, може привести до пошкодження приладу), постійний струм колектора I_C (перевищення веде до надмірного нагріву приладу), амплітуда струму колектора I_CM (перевищення веде до відмови при вимиканні), абсолютний максимум напруги між затвором та емітером U_GES (перевищення веде до деградації оксиду затвору та, в кінцевому рахунку, до відказу приладу), загальна потужність розсіювання P_tot, прямий постійний струм I_F, амплітуда прямого струму I_FRM, ударний струм I_FSM та деякі інші.

Приводяться також: напруга пробою та насичення колектор-емітер (U_(BR)CES,U_CEsat), струми витоку колектора та затвору (I_CES, I_GES), порогова напруга затвор-емітер U_GE(TO), заряд затвора Q_GE, вхідна, вихідна та прохідна ємності C_ies, C_oe, C_res , втрати енергії при вмиканні та вимиканні (E_on, E_off), струм короткого замикання I_SC, паразитні параметри Lσ_CE (індуктивність розсіювання), R_CC’+EE’ (опір вивід-чип) та параметри захисного діоду [].

 

5.2 МСТ

Існує ще декілька засобів об'єднання тиристорного і МОН елементів для створення повністю керуємого приладу. На рис. 5.4, а наведена структура і еквівалентна схема (рис. 5.4. б) основного варіанту реалізації осередку тиристора, що управляється МОН-структурою. Є такі еквівалентні назви приладу, як MOSGTO (замикаємий тиристор із керуючою МОН- структурою) і MCT (Metal-Oxide-Semiconductor Controlled Thyristor - тиристор, що керується МОН - структурою).

Прилад МСТ містить МОН- структури із n та p каналами і четирьохшарову p-n-p-n тиристорну структуру (SCR). Відмикати МСТ можна як і тиристор SCR, так і по затвору n-канального МОН-транзистора. При відмиканні n- МОНТ починається інжекція із емітерної p+-області (аноду) в дрейфову n-область, в наслідок чого її опір значно зменшується.

а б Рисунок 5.4 - МСТ: а – структура; б - еквівалентна схема

 

Тривалості затримки вмикання і наростання струму МСТ можуть бути достатньо малими. При високому ступені розгалуження включаючого ПТ (майже незалежному конструктивному параметрі), тривалість вмикання буде приблизно дорівнювати часу прольоту в базі (десятки наносекунд), якщо воно не обмежене швидкодією схеми управління МСТ. Тривалість процесу спаду струму при виключенні МСТ, як і у IGBT, визначається часом рекомбінації і залежить від дози опромінювання.

Характеристики приладу у відкритому стані практичні такі ж, як у звичайного тиристора, тому він може працювати при більших щільностях струму, ніж IGBT (майже в 50 разів при прямих падіннях напруги порядку 2В).

 

5.3 ТЕК

Відомий силовий прилад на основі СІТ, так званий СІТ-тиристор [16] або тиристор з електростатичним керуванням (ТЕК) (рисунок 5.5, а). ТЕК - це p-n-n+ діод (n+-катод, p-анод), катодні області якого чергуються із областями сітки p+ типу.

При прикладанні зворотного зміщення затвор (сітка) - катод, області просторового заряду між ними розширюються, перекриваючи інжекційний струм, протікаючий від аноду до катоду зміщеного у прямому напрямку p-n-n+ діоду. Таким чином, ТЕК немов би складається із двох приладів: польового транзистора із керуючим p-n-переходом і БТ (рисунок 5.5, б). За своїм принципом побудови, ТЕК схожий на IGBT (порівняйте рис.5.1 та 5.5).

ТЕК відрізняється кращими властивостями транзистора та замикного тиристора: має високу швидкість перемикання (як у швидкодіючого біполярного транзистора), низьке падіння напруги в відкритому стані і високу пробивну напругу (як у тиристора). При цьому ТЕК не має негативної тенденції транзистора - переходити у вторинний пробій.

Такий прилад вважається перспективним для заміни потужних високовольтних звичайних і замикних тиристорів. При значних щільностях струму керованість тиристора погіршується. Однак, цей прилад може бути альтернативою IGBT.

 

Рисунок 5.5 – ТЕК: а) - структура; б) - схема заміщення

5.4 Порівняння приладів

На рисунку 5.6 наведені залежності прямої провідності гібридних приладів в порівнянні із БТ [4]. Криві наведені для шестісотвольтових приладів, що мають однакову площу кристала. Из рисунку видно, що на МОНТ створюється більше падіння напруги, ніж на БТ, в той же час як IGBT, завдяки більш ефективному використанню площі кристалу, порівняно із БТ може забезпечити майже в 5 раз більшу щільність струму при однаковій напрузі. В свою чергу, МСТ може переключати в 50 разів більший струм, ніж IGBT.

Рисунок 5.6 - Залежності прямої провідності приладів

Порівняти прилади, які мають однакові блокуючі напруги, можна по сумарній потужності втрат (P_S), на одиницю площі кристалу [7]:

 

Р_S= Р_ст + f*E_втр,

 

де Р_ст - втрати в провідному стані;

E_втр - енергія втрат за один період частоти f, що складається з втрат при перемиканні та статичних втрат.

Важливим фактором використання приладу, який можна оцінити технічно та економічно, є "простота застосування", яка виражається в тому, наскільки легко його можна реалізувати, яка розсіюється потужність в пристрої управління, які використовуються компоненти. Прилади із МОН керуванням перевищують за цим показником і БТ, і тиристори, та у більшій степені відповідають вимогам "ідеального" ключа (див. п.5.6), причому в сукупності дозволяють перекрыти весь діапазон напруг та струмів, що вимагаються в силовій електроніці [8], МОНТ - напруги - до 600В, струми - до 100А; IGBT - напруги 600 - 3500 В, струми - до 3000А, МСТ - напруги - вище 3500В, струми - більш 3000А [].

 

5.5 Складені СНП

Складені силові напівпровідникові прилади отримуються комбінацією дискретних приладів, хоча, їх можна поєднати і в твердому тілі, для зменшення паразитних параметрів. На рисунку 5.7 показані схеми можливого сполучення біполярних і польових транзисторів [1]. На рисунку 5.7, а приведена схема Дарлінгтона (або каскадна схема), на рисунку 5.7, б – схема з відкритим емітером (або каскодна схема), на рисунку 5.7, в – паралельна схема, на рисунку 5.7, г – схема біполярного транзистора, що стробується польовими транзисторами.

Схема (рисунок 5.7, а) працює подібно транзистору Дарлінгтона за винятком того, що задаючим пристроєм VT2 є польовий транзистор. За наявності діоду транзистор VT1 швидко вимикається, якщо пристрій керування забезпечує великий викид зворотного струму.

Рисунок 5.7 – Схеми складених приладів на основі МОН та БП - транзисторів

 

Каскодна схема вимагає двох керуючих сигналів, але має ряд суттєвих переваг: легке вимикання високовольтного біполярного транзистора; малий час вимикання; основний транзистор VT1 може працювати до напруги пробою переходу колектор-база без вторинного пробою.

Схема (рисунок 5.7, в) теж потребує двох керуючих сигналів, а також точної їх синхронизації. Польовий транзистор VT2 виконує роль активного амортизатора для біполярного транзистора VT1 як при вмиканні, так і при вимиканні. При включенні струм протікає через польовий транзистор раніше, ніж через БТ, а при вимиканні біполярний транзистор вимикається раніше, ніж польовий. Завдяки цьому біполярний транзистор не наражається на одночасний вплив високої напруги й великого струму.

Складений ключ, створений із двох польових транзисторів, потужного біполярного транзистора та стабілітрона, наведений на рисунку 5.7, г. Тут потужний біполярний транзистор управляється двома польовими транзисторами. Окрім того, що ця схема забезпечує просте управління, вона має й інші переваги: високу швидкість перемикання, можливість виключення вторинного пробою внаслідок замикання БТ по схемі з обірваним емітером, малу вхідну ємність затвору, тому що обидва керуючих ПТ мають кристали невеликих розмірів.

Досить реальні складені ключі по схемам рисунок. 5.7, б і 5.7, г, у яких як основний ключовий елемент використаний тиристор [37].

Прикладом ефективної комбінації МОНТ - БТ може бути Бі-МОН (Bi-MOS) прилад [6,7], який вже не є комбінацією дискретних транзисторів (блоку БТ і двох окремих блоків МОНТ), а є інтегральним приладом, до складу якого входить велика кількість осередків, кожен з яких складається з одного БТ і двох МОНТ. Еквівалентна схема наведена на рисунку 5.8. Його ще називають МЗТ (МОНТ, що замикається).

Рисунок 5.8 - Схема Бі-МОН -приладу

Вихідним каскадом схеми є БТ (VT1), а МОНТ (VT2 і VT3) призначені для керування БТ, вмикаючись та вимикаючись по черзі. Блокуючі напруги МЗТ дорівнюють напрузі пробою колектор-емітер. БТ VT1 є вертикальний n+p n- n+ транзистор із довгим емітером. МОНТ VT2 має структуру звичайного вертикального МОНТ, виготовленого по дифузійній самосполученій технології та призначений для обмеження високої зовнішньої напруги.

ПТ VT3 формується в базовому p-шарі VT1 й розміщується по периферії емітерної шини VT1 з метою попередження локалізації струму в період вимикання. Витоком VT3 служить n+ емітер VT1, що дозволяє зменшити площу кристалу і опір шунта між емітером і базою VT1. МЗТ не має паразитного тиристора в своєй структурі.

Ще одним складеним приладом можна вважати варіант композиції, в якому структура поділяється IGBT на два окремих монокристала: високовольтний p - і - n - діод з польовим управлінням (аналог тиристора з електростатичним керуванням - ТЕК) і низьковольтний керуючий МОПТ. У структурі ключа обидва монокристала з'єднані по гібридній технології (рис. 5.9), що і визначило його назву – гібридний IGBT (H- IGBT), або «складений IGBT».

Рисунок 5.9 - Структура гібридного (складеного) IGBT транзистора

 

Структура і технологія нового ключа були розроблені фахівцями ВЕІ і МЕІ в рамках державної програми "Національна технологічна база" [2, 3]. До випуску гібридного IGBT першого покоління в 2006 р. приступила компанія ВАТ НВО "Енергомодуль" (м. Троїцьк, Московська область).

На рисунку 5.10 наведені осцилограми вхідної напруги затвор –витік Ugs, вихідної напруги стік-витік Uds та вихідного струму стоку Id, отримані при дослідженні зразку H- IGBT. Малі значення залишкової напруги у відкритому стані та круті фронти вихідного струму та напруги, практична відсутність хвостового струму – переваги цього приладу.

Рисунок 5.10 - Включення при форсуванні заряду 150 нК:

1-Ugs (10B/дел), 2- Uds (100B/дел), 3- Id (5A/дел)

 

5.6 Тенденції розвитку напівпровідникових приладів (НП)

Напівпровідникові прилади безперервно вдосконалюються в напрямку наближення за своїми статичними та динамічними характеристиками до поняття "ідеального ключа", див. рисунок 5.11.

I

u_in

 

t

u_out-ideal

 

t

u_out-real

 

U

t

а б

 

Рисунок 5.11 - Характеристики ключа: а - статична ідеальна (ВАХ);

б - динамічні (осцілограми) ідеального та реального ключа

 

На статичній характеристиці товстими лініями показана ВАХ ідеального напівпровідникового приладу (НП). Як бачимо, при негативній напрузі струм відсутній (опір ключа нескінченно великий); при зміні полярності напруги на позитивну - струм зростає необмежено (опір ключа нескінченно малий). Такий прилад не має втрат потужності при будь-якій полярності напруги, отже, він не гріється, не переходить в стан теплового пробою, має необмежену область безпечної роботи (ОБР) (див. пряму ОБР реального приладу в логарифмічному масштабі на рисунку 5.12). Таким чином, керований ідеальний ключ може блокувати нескінчену напругу будь-якої полярності (не переходячи у відкритий стан при відсутності керуючого сигналу від драйверу).

Рисунок 5.12 - ОБР (FSOA) напівпровідникового приладу

 

Динамічні характеристики в схемі фазоінверсного ключа (рис.5.13) показані як реакція (u_out) на ідеалізований імпульс напруги u_in, середній графік - для ідеального ключа (перехід між станами «ввімкнено – on» та «вимкнено – off» здійснюється миттєво), нижній графік - для реального приладу (бачимо затримки вмикання та вимикання, остаточну напругу у відкритому стані, сам перехідний процес має експоненційний характер, оскільки прилад має паразитні ємності). Ідеальний НП також має нескінчені коефіцієнти підсилення по напрузі та струму.

 

 

1 3

 

Рисунок 5.13 - Структурна схема електронного ключа:

 

1 - драйвер (система керування, або попередній каскад);

2 - навантаження (наприклад, якірний ланцюг двигуна);

3 - снаббер/демпфер - захисний ланцюг, формувач траєкторії перемикання;

4 - джерело живлення (джерело постійного, або змінного струму).

 

Горизонтальний відрізок АВвизначає значення максимально допустимого вихідного струму приладу I_mах. Вертикальний відрізок СD, визначає значення максимально допустимої вихідної напруги U_max. Відрізок ВСхарактеризує обмеження за потужністю: тобто температура структури приладу не повинна перевищувати максимально допустимого значення T_jmax.

Реальна площа ОБР для польових транзисторів зменшується в області малих напруг (відрізок АВ нахиляється, тобто точка А рушає в область меньших струмів, що є наслідком значного, порівняно із біполярними приладами, остаточного опора у відкритому стані Rds_ON).

В імпульсних режимах межі ОБР розширюються за рахунок зрушення відрізку ВС, що пов'язано із інерційністю нагрівання структури приладу, прилад тим краще охолоджується, чим більша шпаруватість імпульсів (відношення тривалості періоду до тривалості імпульсу керування), тобто в паузі між імпульсами, прилад встигає охолонути.

Вибір приладу для пристрою - це оптимізаційна задача, оскільки існує протиріччя між його основними параметрами: так, частота комутації обмежується експоненційним зростанням розсіюваної потужності на приладі, інші протиріччя, властиві окремим видам приладів розглянуті вище.

Існують також протиріччя між основними показниками приладу при його проектуванні на рівні твердого тіла, наприклад, від довжини каналу залежить частота комутації та напруга пробою в польових транзисторах, товщина бази в біполярному транзисторі вибирається з міркувань забезпечення високого коефіцієнта передачі струму емітера та високої напруги проколу, що було розглянуто вище.

На рисунку 5.14 показаний розподіл силових напівпровідникових приладів по діапазонам частот та потужності та області їхнього застосування. Розвиток приладів йде шляхом розширення допустимих потужностей на підвищених частотах (10-50 кГц).

 

 

Рисунок 5.14 - Розподіл СНП по діапазонам частот та потужності

 

Оптимальний прилад має найкраще поєднання критеріїв низької вартості при високих функціональних якостях. Для створення такого вироба необхідне широке застосування систем автоматизованого проектування, зокрема із можливостями багатовимірного моделювання.

За останні роки суттєво збільшились вимоги як до потужності й частоти комутації, так і до надійності й масо-габаритних показників приладів та пристроїв силової електроніки. Об'єднання елементів схемотехніки перетворювачів (одноключових, напівмостів, мостів, готових перетворювачів, одноключових із драйверами, захисними й сигнальними ланцюгами) з охолоджувачами в єдиному корпусі називається інтелектуальними потужним модулем (IPM).ВIPM використовують революційні конструктивні рішення [] та принципи системної інтеграції – обєднання в єдиному конструктиві функцій силової та інформаційнної електроніки, датчиків, електричниих апаратів и т.п. Фірми Mitsubishi, Fuji, Hitachi, Semіkron виробляють різні види IPM: від силового ключа із захистом, до трифазних інверторів повної схемотехніки.

Застосування модулів дозволяє знизити масу, габарити та вартість перетворювачів, що покращує техніко-економічні показники обладнання в цілому, та змінює саму концепцію процесу проектування перетворювачів, розширює область застосування, полегшує вихід на ринок.

Найбільшим ринком для IPM, зокрема, на базі IGBT, є електропривод. Надійність модулів підвищуються за рахунок вдосконалення конструкцій та матеріалів, наприклад, деякі паяні та зварні контакти замінюються прижимними (в модулях SKiiP та SKiM фірми Semikron), використовуються технології зєднання матеріалів з однаковим коефіцієнтом температурного розширення (для підвищення термоциклостійкості), замість меді або алюмінія - композиційні матеріали AlSiC, Al₂O₃, AlN, DCB-кераміка (Direct Copper Bonding), AMB кераміка (Active Metal Brazing). Взагалі, напівпровідникові прилади, особливо потужні, генерирують теплові потоки, які необхідно ефективно відводити для попередження їхнього перегрівання, що призводить до погіршення характеристик і, навіть, до виходу з ОБР. Рівні потужності посередні – від десятків до сотен Вт, але щільності теплових потоків - суттєві (∼50 Вт/см²), а в твердотільних лазерах - до 2000 Вт/см², тому вдосконалення матеріалів і конструкцій для тепловідведення та пристроїв і алгоритмів автоматичної термостабілізації займає значне місце в проектуванні IPM із покращеними характеристиками.

Важливою проблемою системної інтеграції є стандартизація та уніфікація на кожному рівні, узгодження сигналів управління (интерфейсів), розвиток схемо технічних рішень.

Більш детально про розвиток, конструкції та особливості застосування IPM – в матеріалах [].

 

Контрольні питання

1. Структура, характеристики та принцип дії IGBT.

2. Структура, характеристики та принцип дії MOS GTO.

3. Структура, характеристики та принцип дії ТЕК.

4. Складені прилади: каскадна схема.

5. Складені прилади: каскодна схема.

6. Параметри IGBT.

7. Поріівняння приладів.

8. Тенденції розвитку СНП.

9. Характеристики ідеального ключа.

10. Bi-MOS.

11. IPM.

 

Питання до самостійної роботи

1. Еволюція IGBT фірми IR.

2. Еволюція IGBT фірми ABB.

3. IPM фірми Semikron.

4. Області застосування гібридних приладів.

5. Основні схеми включення складених приладів.

6. ТЕК - відмінності від СІТ.

7. Еквівалентна схема IGBT.

8. Вплив температури на роботу гібридних приладів.

9. Аналіз переваг та недоліків гібридних приладів.

10. Схеми захисту IGBT.

ТЕСТИ

 

1. Чим відділяється канал IGBT від затвору?

а) у IGBT канал відсутній;

б) шаром діелектрика;

в) шаром напівпровідника з іншим по відношенню до каналу типом провідності.

г) зворотно зміщеним р-n переходом;

д) прямо зміщеним р-n переходом;

 

2. Який ц цих приладів є гібридним твердотільним?

а) IGBT;

б) SIT;

в) BSIT;

г) Bi-MOS;

д) H-IGBT;