Презентация "Силовые полупроводниковые приборы" – проект, доклад

Силовые полупроводниковые приборы

Силовые п/п приборы – управляемые приборы, используемые в различных силовых устройствах: электроприводе, источниках питания, мощных преобразовательных установках. Для снижения потерь эти приборы в основном работают в ключевом режиме. Основные требования: Малые потери при коммутации; Большая скорость переключения из одного состояния в другое; Малое потребление по цепи управления; Большой коммутируемый ток и высокое рабочее напряжение. Разработаны приборы на токи до 1000 А и рабочее напряжение свыше 6 кВ, работают на частотах до 1 МГц. Значительно снижена мощность управления силовыми ключами.

IGBT–транзисторы

Транзисторы по принципу действия делятся на биполярные (управляемые током), униполярные (управляемые электрическим полем или полевые) и IGBT–транзисторы. Аббревиатура IGBT – это сокращение названия Insulated gate bipolar transistor. В переводе это значит биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ). В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей зарядов обоих знаков: электронов и дырок, поэтому они называются биполярными. В полевых транзисторах ток определяется шириной проводящего канала, по которому движутся носители зарядов одного знака, отсюда их другое название – униполярные. IGBT–транзисторы являются гибридными, в них сочетаются положительные свойства биполярных и полевых транзисторов.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) или, как они сокращенно называются по-английски IGBT, представляют собой гибрид биполярного транзистора и ПТИЗ, сочетающий их лучшие свойства. БТИЗ – это сложная многослойная структура и процессы в ней весьма сложны. Поэтому на рис. 2.17 приведена очень упрощенная схема замещения. При подаче на затвор З напряжения, положительного относительно точки Э, ПТИЗ открывается и начинает проходить ток от точки К через эмиттерно-базовый переход биполярного транзистора и открытый ПТИЗ к точке Э. При этом открывается биполярный транзистор, через который проходит ток от точки К к точке Э. Буквами Э, К, З обозначены эмиттер, коллектор и затвор БТИЗ. БТИЗ могут работать только в ключевом режиме. БТИЗ в настоящее время получили наибольшее распространение в устройствах силовой электроники при мощностях от сотен Вт до тысячи кВт.

При изготовлении ПТИЗ, имеющих вертикальный канал, образуется паразитный БТ, который не находил практического применения. На рис VT - ПТИЗ, Т1 – паразитный БТ, R1 – последовательное сопротивление канала ПТ, R2 – сопротивление, шунтирующее переход база-эмиттер БТ Т1. благодаря сопротивлению R2 БТ заперт и не оказывает влияния на VT.

Структура IGBT аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена еще одним p-n-переходом, благодаря которому в схеме замещения появляется еще один p-n-p-транзистор Т2. Образовавшаяся структура из двух транзисторов Т1 и Т2 имеет глубоко внутреннюю положительную обратную связь, так как ток коллектора транзистора Т2 влияет на ток базы транзистора Т1, а ток коллектора транзистора Т1 определяет ток базы транзистора Т2. Ток стока или Ток IGBT транзистора Эквивалентная крутизна эквивалентная крутизна превышает крутизну ПТИЗ, регулировать их значения можно за счет R1 и R2.

ВАХ схем замещения IGBT транзистора

Область безотказной работы БТИЗ

На ОБР отсутствует участок вторичного пробоя, характерный для БТ. Поскольку в основу транзисторов типа IGBT положены ПТИЗ с индуцированным каналом, то напряжение, подаваемое на затвор должно быть больше порового напряжения, которое имеет значение 5-6 В. Быстродействие БТИЗ несколько ниже быстродействия ПТ, но значительно выше быстродействия БТ. Время вкл и выкл не превышает 0,5 -1,0 мкс.

Характеристики БТИЗ

Выходные характеристики БТИЗ похожи на характеристики ПТИЗ, но на участке насыщения они идут значительно круче. Это обуславливает значительно меньшее падение напряжения в клю-чевом режиме. Передаточные характеристики аналогичны.

схемы, обеспечивающие работу транзисторов разных типов в ключевом режиме

Схемы транзисторных ключей (а, б, в), их выходные ВАХ (г, д, е) и ВАХ идеального транзисторного ключа (ж)

В ключевом режиме все транзисторы в открытом состоянии работают на вертикальной части выходной ВАХ (малое падение напряжения), а в закрытом – на нижней горизонтальной ВАХ (малый ток). Все транзисторные ключи не допускают приложения обратного напряжения и, поэтому, как правило, шунтируются обратными диодами (рис. 2.23 а – в).

Основные параметры ПТИЗ и БТИЗ

Основные параметры ПТИЗ и БТИЗ практически одинаковы, только взамен названий электродов сток и исток употребляются термины коллектор и эмиттер. По току стока: - максимально допустимый ток стока Iс.max при заданной температуре корпуса (достигает 100 А у ПТИЗ и 2000 А у БТИЗ); - ток стока отсечки (через запертый транзистор) Iотс. По напряжению на стоке: - максимально допустимое напряжение сток-исток Uси.max при токе базы равном нулю (достигает 900 В у ПТИЗ и 4500 В у БТИЗ); Iс.max и Uси.max не могут достигать одновременно максимальных значений. По сопротивлению: сопротивление сток-исток в открытом состоянии при заданном токе стока и напряжении затвор-исток Rси (от десятков мОм до единиц Ом). По мощности: максимальная мощность рассеяния на стоке Pс.max при заданной температуре корпуса. По управлению: - крутизна передаточной характеристики - максимально допустимое напряжение затвор-исток Uзи.max (до 20 В); - пороговое напряжение затвор-исток UЗ0 (2 – 5 В). Тепловые параметры: - тепловое сопротивление переход-корпус (при применении охладителя) RТ(П-К); - тепловое сопротивление переход-окружающая среда (при отсутствии охладителя) RТ(П-С). Параметры для БТИЗ практически те же, но вместо параметра сопротивление сток-исток Rси в открытом состоянии используется напряжение насыщения коллектор-эмиттер Uкэ.нас, которое определяется при заданном токе коллектора и напряжении затвор-эмиттер (1,5 – 3,5 В).