Новое поколениетранзисторов
1.Новая технология РТ IGBT против мощных полевых МОП транзисторов
Последнеевремя пристальное внимание разработчиков, в области силовой электроники,сконцентрировано на стремительном развитии последних технологий биполярныхтранзисторов с изолированным затвором (IGBT), и в частности, возможности ихиспользования как недорогой альтернативы мощным полевым МОП транзисторам.
Вданной статье приводится сравнение динамических характеристик, потерь напереключение и проводимости мощных полевых МОП транзисторов и биполярныхтранзисторов с изолированным затвором PT (Punch Through) новой технологии IGBTAdvanced Power Technology Power MOS 7®. Также рассматривается использованиепоследних в некоторых типовых, наиболее распространенных схемах включения.
Мыпостараемся подробнее рассмотреть одно из направлений силовых полупроводниковыхприборов – линию дискретных биполярных транзисторов с изолированным затвором РТIGBT, выполненных по новой технологии Advanced Power Technology Power MOS 7®.
2.Структура РТ IGBT
Всемизвестно, что биполярные транзисторы с изолированным затвором обладаютпреимуществами легкого управления полевых МОП транзисторов и низкими потерямипроводимости, характерными для биполярных транзисторов. Традиционно IGBTиспользуют в применениях, где необходимо работать с высокими токами инапряжениями. Сегодня Advanced Power Technology представляет новое поколение РТIGBT, которое позволяет сбалансировать потери на переключение и проводимости, ииспользовать биполярные транзисторы с изолированным затвором в области высокихчастот, где обычно применяются полевые МОП транзисторы, одновременнообеспечивая высокий КПД.
Общаяструктура РТ IGBT представлена на рис. 1. Как видно из рисунка, структура РТIGBT практически идентична структуре других топологий биполярных транзисторов сизолированным затвором.
/>
Рисунок1 — Структура РТ IGBT
Особенностьюструктуры РТ IGBT является наличие комбинации инжектирующего слоя p+ ибуферного слоя n+. Благодаря высокой инжектирующей способности слоя p+,буферный слой контролирует коэффициент передачи транзистора при помощиограничения числа дырок, которые были изначально введены в область дрейфа. Всвязи с тем, что время жизни неосновных носителей в буферном слое намного ниже,чем в области дрейфа, буферный слой поглощает захваченные дырки в моментвыключения.
Вдополнение к работе буферного слоя n+, «хвостовой» ток в PT IGBT контролируетсяограничением общего времени жизни неосновных носителей до того, как онирекомбинируют. Это свойство называется управлением временем жизни неосновныхносителей. Облучение электронами в процессе производства создает дополнительныерекомбинационные центры во всем пространстве кристалла кремния, которыесущественно уменьшают время жизни неосновных носителей и, следовательно,хвостовой ток. Дырки быстро рекомбинируют, даже при условии отсутствиянапряжения в устройстве, характерного для режима мягкого переключения.
Устройстванового поколения PT IGBT Power MOS 7® выделяются среди прочих IGBT высокойскоростью переключений. Этому способствует металлическая полосковая топологиязатвора. В результате применения данной топологии, устройства обладают оченьнизким внутренним эквивалентным сопротивлением затвора (EGR), доли Ом; гораздоменьшим, чем у устройств с поликремниевым затвором. Низкое сопротивлениезатвора дает возможность быстрее осуществлять переключения и, следовательно,уменьшить потери. Полосковая металлическая топология обеспечивает равномерное ибыстрое возбуждение затвора, уменьшая нагрев при переходных процессах и повышаянадежность. И наконец, полосковая структура затвора более устойчива к дефектам,которые неизбежно возникают во время производства, и улучшает выносливость инадежность устройства, особенно в режиме работы транзистора при высоком токе ивысокой температуре.
УправлениеPT IGBT Power MOS 7® очень похоже на управление традиционными полевыми МОПтранзисторами. При прямой замене полевых транзисторов устройствами PT IGBTPower MOS 7® в высокочастотных применениях, можно использовать те же уровни,даже если они составляют всего 10В. Хотя, в этих случаях, рекомендуемыезначения управляющего напряжения затвора, для уменьшения потерь при включении,составляет 12 – 15В, как для биполярных транзисторов с изолированным затвором,так и для полевых МОП транзисторов.
3.Потери на переключение и потери проводимости
Динамическиехарактеристики включения биполярных транзисторов с изолированным затворомпрактически идентичны характеристикам полевых МОП транзисторов. При выключении,есть различия, связанные с наличием хвостового тока. Подавить хвостовой токполностью не удается, и поэтому у IGBT импульсная энергия выключения намногобольше энергии включения. Стремление получить высокие динамическиехарактеристики и сокращение потерь на переключение приводит к росту потерьпроводимости, поэтому перед разработчиками часто стоит проблема выбораоптимального соотношения. Чтобы уменьшить потери проводимости, импульснаяэнергия должна увеличиваться и наоборот, а снижение напряжения приводит к роступотерь на переключение.
/>
Рисунок2 — Зависимость импульсной энергии Eoff от напряжения VCE(on)
Рисунок2 изображает выбор оптимального соотношения между импульсной энергиейвыключения Еoff и напряжением коллектор-эмиттер в открытом состояниитранзистора VCE(on). Представлены зависимости для двух поколений IGBT:характеристика предыдущего поколения IGBT и характеристика нового поколенияAdvanced Power Technology РТ IGBT Power MOS 7®. При использовании устройствнового поколения РТ IGBT удается снизить энергию выключения на 30-50% беззначительного увеличения VCE(on). Результатом этого является повышение КПД вимпульсных источниках питания, использующих PT IGBT новой технологии AdvancedPower Technology Power MOS 7®.
4.Рабочие частоты и токи
Однимиз самых удобных методов сравнения производительности различных устройств,таких, например, как IGBT и полевые МОП транзисторы, является зависимостьрабочей частоты от тока. Удобство метода заключается в том, что можно увидетьне только потери проводимости, но и потери на переключение, и оценить тепловоесопротивление.
Нарисунке 3 изображены кривые зависимости частоты и тока для трех устройств:одного PT IGBT и двух мощных полевых МОП транзисторов. Все три устройстваявляются устройствами нового поколения Power MOS 7® производства АРТ.
/>
Рисунок3 — Зависимость рабочей частоты от тока
АРТ30GP60В– это биполярный транзистор с изолированным затвором нового семейства PT IGBTPower MOS 7®, с рабочим напряжением 600В и номинальным значением прямого токаIC2 = 49А в корпусе ТО-247. Устройства АРТ6038ВLL и АРТ6010В2LL – это полевыеМОП транзисторы APT Power MOS 7®, с рабочим напряжением 600В и номинальнымизначениями прямых токов ID = 17 и 54А соответственно. Транзистор АРТ6038ВLLвыполнен в корпусе ТО-247, а АРТ6010В2LL в корпусе Т-МАХ (схожий с ТО-247).
Вкачестве условий тестирования были выбраны следующие параметры: режим жесткогопереключения с индуктивной нагрузкой, рабочее напряжение 400В, температураперехода Tj=175С, температура корпуса TC=75С, рабочий цикл 50% и общеесопротивление затвора 5 Ом. Совместно с каждым устройством использовался диодсверхбыстрого восстановления на 15А, 600В в качестве фиксирующего диода.Тестируемая схема представляла собой типовую топологию для индуктивныхнагрузок.
УстройстваАРТ30GP60В и АРТ6038ВLL имеют одинаковые размеры кристалла, а размер кристаллаАРТ6010В2LL примерно в 3 раза больше. Обычно, стоимость устройства зависит отплощади кристалла, поэтому устройства с требуемыми характеристиками построенныена меньшем по площади кристалле, стоят, как правило, дешевле.
Предположим,что нам необходимо обеспечить импульсный ток 8А на частоте 200кГц. Исходя иззависимостей на рис. 3, становится ясно, что полевой МОП транзистор АРТ6038ВLL– наилучший выбор, т.к. он может работать со значительно большими частотами,чем другие устройства. Теперь предположим, что требуется обеспечить ток 20А начастоте 200кГц. Такой ток будет способен обеспечить как PT IGBT АРТ30GP60В, таки полевой МОП транзистор АРТ6010В2LL. Однако PT IGBT АРТ30GP60В будет стоить втри раза меньше, чем транзистор АРТ6010В2LL, в связи с уменьшенным размеромкристалла. Полевой МОП транзистор АРТ6038ВLL полностью отпадает. При токе свыше37А, PT IGBT имеет все преимущества, даже не смотря на то, что обладает меньшимразмером кристалла; при таких рабочих частотах температура перехода IGBT будетниже, чем у полевого МОП транзистора. Этот пример идет вразрез с общепринятыммнением, что полевые МОП транзисторы всегда работают эффективнее, чем IGBT, ивысокая эффективность подразумевает высокую стоимость.
Дляболее корректного анализа стоит сделать еще несколько замечаний.
Во-первых,значение прямого тока ID полевого МОП транзистора АРТ6038ВLL составляет 17А, нов нашем случае этот транзистор вряд ли сможет обеспечить ток более 10 А. Придругих условиях, таких, например, как короткий рабочий цикл, транзистор сможетобеспечить прямой ток близкий к номинальному значению. Номинальное значениепрямого тока не может показать нам реальное значение тока для нашегоприменения, т.к. измеряется оно в непрерывном режиме (без потерь напереключение) и при определенной температуре. В основном номинальное значениепрямого тока показывает относительную величину тока и потери проводимости вустройстве.
Во-вторых,общее сравнение показывает, что значение прямого тока ID полевого МОПтранзистора АРТ6010В2LL (при непрерывном режиме с температурой корпуса 25С)близко к значению прямого тока IC2 IGBT АРТ30GP60В (при непрерывном режиме стемпературой корпуса 110С), 54 и 49 А соответственно. Эти характеристики весьмасхожи между собой, производительность этих двух устройств тоже практическиодинаковая. Оба устройства могут работать на частоте 200кГц при рабочих токах вполовину меньших номинальных значений тока.
В-третьих,биполярные транзисторы обладают большей плотностью тока, чем полевые МОПтранзисторы, благодаря чему IGBT используют кристаллы меньшего размера с тем жеуровнем мощности, что и МОП транзисторы. Из-за значительного увеличениясопротивления в открытом состоянии, полевые МОП транзисторы обладают гораздоменьшей плотностью тока при рабочих напряжениях свыше 300В. И здесь гораздоцелесообразнее использовать IGBT.
Взавершении, надо отметить что необходимо понимание относительной эффективноститого или иного устройства при применении в различных условиях. На высокихчастотах и сравнительно низких токах, предпочтение отдается, как правило,полевым МОП транзисторам (или же РТ IGBT малых размеров). IGBT является лучшимрешением в применениях, где требуется больший ток, так как потери проводимостиумеренно увеличиваются с увеличением тока, в то время как значения потерь проводимостимощного полевого МОП транзистора пропорциональны квадрату значения тока. Вбольшинстве частотных и токовых диапазонов могут применяться различныеустройства, однако, последнее поколение PT IGBT Power MOS 7® выступает каксамое недорогое решение для разработчиков.
5.Температурные эффекты
Скоростьвключения в импульсном режиме работы и потери для биполярных транзисторов сизолированным затвором и полевых МОП транзисторов практически не зависят оттемпературы. Между тем, в режиме жесткого переключения, обратный токвосстановления диода увеличивается с увеличением температуры, что увеличиваетпотери на переключение. Скорость выключения полевых МОП транзисторов также, всущности, не связана с температурой, но скорость выключения IGBT ухудшается ипотери на переключение, соответственно, увеличиваются с ростом температуры. Темне менее в транзисторах PT IGBT Power MOS 7® потери сохраняются практически напрежнем уровне, благодаря контролю над временем жизни неосновных носителей.
Однимиз основных недостатков обычных IGBT-транзисторов является отрицательныйтемпературный коэффициент (ТК) по напряжению насыщения (VCE(on)), что нарушаетбаланс токов при параллельном соединении транзисторов.
Нарис.4 представлены зависимости, характеризующие температурный коэффициент IGBTAPT65GP60B2.
/>
Рисунок4 — Температурный коэффициент IGBT APT65GP60B2
Изрисунка видно, что температурный коэффициент слегка меняется в зависимости оттока коллектора, от отрицательного значения при токе меньше 65А (нулевому ТКсоответствует ток 75А на рис. не показан) до положительного при токе большем75А. На это свойство специально был сделан упор при разработке PT IGBT AdvancedPower Technology Power MOS 7® нового поколения. Данное свойство позволяетдостаточно просто осуществлять параллельное включение устройств.
Вотличие от PT IGBT полевые МОП транзисторы обладают жестким положительным температурнымкоэффициентом, что приводит к потере проводимости при соединении более чем двухустройств, при условии их работы в температурном диапазоне 25-125С.
Применениев системах импульсных источников питания (SMPS). Усилительный преобразователь врежиме жесткого переключения.
/>
Рисунок5 — Исполнение в схеме SMPS. Зависимость частоты усиления от тока
Нарис 5. дано сравнение зависимостей рабочей частоты и прямого тока устройств PTIGBT АРТ15GP60В (IC2 = 27А) и полевого МОП транзистора АРТ6029BLL (ID = 21А).Условия были выбраны те же, что и ранее: режим жесткого переключения синдуктивной нагрузкой, рабочее напряжение 400В, температура перехода Tj=175? С,температура корпуса TC=75С, рабочий цикл 50% и общее сопротивление затвора 5Ом. Совместно с каждым устройством использовался диод сверхбыстроговосстановления на 15А, 600В в качестве фиксирующего диода. Из приведенныхзависимостей видно, что каждое устройство может работать с частотой 200 кГц итоком 14 А. При более высоких токах, более привлекательной альтернативойявляется использование IGBT, т.к. при этом его рабочая частота выше, чемполевого МОП транзистора. IGBT АРТ15GP60В обладает меньшими размерамикристалла, и соответственно дешевле. При значениях тока ниже 14А, полевой МОПтранзистор может работать с более высокой частотой, и это означает, чтоиспользование полевого МОП транзистора в этих условиях эффективнее, чемиспользование IGBT.
6.Фазосдвигающий мост
Нарисунке 6 приведена зависимость максимальной рабочей частоты и тока дляустройств, схожих с предыдущими. АРТ6029BFLL – это транзистор из семействаFREDFET (полевой МОП транзистор со встроенным быстрым диодом) и АРТ15GP60BDF1 –COMBI IGBT (IGBT со встроенным диодом быстрого восстановления). Оба устройствамогут использоваться в построении мостовых схем.
/>
Рисунок6 — Зависимость рабочей частоты от тока для фазосдвигающего моста
Анализируемаясхема представляет собой ключ нулевого напряжения, что характерно для режимажесткого переключения. Из рисунка 6 видно, что кривые зависимости частоты оттока просто смещены в область более высоких значений тока, если сравнивать срисунком 5 для усилительного преобразователя в режиме жесткого переключения. Насамом деле необходимо отметить, что кривые IGBT смещены дальше, чем кривыеполевого МОП транзистора. Это обусловлено тем, что IGBT обладает меньшимипотерями проводимости, чем полевой МОП транзистор. При рабочем токе свыше 13А,основные потери полевого МОП транзистора обусловлены потерями проводимости. Призначении тока 15А, у полевого МОП транзистора АРТ6029BLF теряется 75 Втмощности в связи с потерями проводимости, в то время как у PT IGBTАРТ15GP60BDF1 около 14 Вт. Потери на переключение преобладают над потерямипроводимости IGBT вплоть до уровня рабочего тока 40А. При токе свыше 40А,потери проводимости IGBT становятся больше чем потери на переключение.
Когдазначение рабочей частоты ниже 300кГц, IGBT обладает преимуществом режимамягкого включения в схеме фазосдвигающего моста, т.к. допустимое максимальноезначение рабочего тока больше, чем у полевого МОП транзистора. Малые потери напереключение IGBT в результате мягкого переключения, дополнены малыми потерямипроводимости. Таким образом, семейство Power MOS 7® PT IGBT находит своеприменение как в схемах мягкого, так и жесткого переключения.
Заключение
Новоепоколение транзисторов с изолированным затвором Advanced Power Technology PTIGBT Power MOS 7® обладает совокупностью значительно улучшенных динамическиххарактеристик, малыми потерями проводимости и универсальной способностьюмягкого переключения. Дополнив эти преимущества немаловажным фактором –невысокой стоимостью – новое поколение транзисторов PT IGBT Power MOS 7®действительно может заменить полевые МОП транзисторы в применениях импульсногоэлектропитания. Теперь уже трудно сказать, насколько долго продержатьсявысоковольтные полевые МОП транзисторы в составе устройств питания. Скореевсего, в будущем, биполярные транзисторы с изолированным затвором займут ихместо.