Файл: Electron_SE.pdf

76

ÅËÅÊÒÐÎͲÊÀ ² Ì²ÊÐÎÑÕÅÌÎÒÅÕͲÊÀ

æèòòÿ íîñ³¿â, êëþ÷³ áóëè ðîçðîáëåí³ íà ñòðóìè äî 300 À ³ ìàëè çàëèø-

êîâó íàïðóãó (2,5–4) Â çà ÷àñòîòè ïåðåìèêàíü äî 50 êÃö. Àíàëîã³÷í³

êëþ÷³ áóëî ðîçðîáëåíî ³ íà îñíîâ³ âèêîðèñòàííÿ åï³òàêñ³àëüíî¿ ñòðóêòó-

ð蠖 PT-ñòðóêòóðè IGBT, ùî äàëî ìîæëèâ³ñòü çìåíøèòè çàëèøêîâó

íàïðóãó äî 2,7 Â ïðè ñòðóì³ 400 À. Âæå íàïðèê³íö³ 90-õ ðîê³â ç’ÿâèëèñÿ

ðîçðîáêè HV-IGBT íà íàïðóãè 2500–3000 Â.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0

100

200

300

400

500

600

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0

100

200

300

400

500

600

700

IGBT I 

IGBT II 

IGBT III 

I

C

 = 100 A 

V

CC

 = 300 

Â

V

GE

 = ±15 Â

T

j

 = 25°C 

t

f

, íñ

V

CE

(sat)

, Â

t

f

, íñ

I

C

 = 50 A 

V

CC

 = 600 

Â

V

GE

 = ±15 Â

T

j

 = 25°C 

IGBT I 

IGBT II 

IGBT III 

4,5 
4,0 
3,5 
3,0 
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5 
0 

4,5 
4,0 
3,5 
3,0 
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5 

0 

à)

á)

V

CE

(sat)

, Â

Ðèñ. 2.48 – Çàëåæí³ñòü íàïðóãè íàñè÷åííÿ IGBT-êëþ÷³â ð³çíèõ ïîêîë³íü â³ä ÷àñó

ñïàäó êîëåêòîðíîãî ñòðóìó: à) – êëàñ íàïðóãè 600 Â; á) – êëàñ íàïðóãè 1200 Â

Íàïðèê³íö³ 90-õ ðîê³â êîìïàí³ÿ Mitsubishi Electric ðîçðîáèëà íîâó òåõ-

íîëîã³þ ÷åòâåðòîãî ïîêîë³ííÿ äëÿ ïðèëàä³â PT-IGBT íà îñíîâ³ âåðòè-

êàëüíîãî çàòâîðó Trench Gate. Ãîëîâíèì ðåçóëüòàòîì âèêîðèñòàííÿ Trench-

òåõíîëî㳿 ñòàëî ³ñòîòíå çìåíøåííÿ ñòàòè÷íèõ âòðàò IGBT ³ âèõ³ä íà

77

2. ÍÀϲÂÏÐβÄÍÈÊβ ÏÐÈËÀÄÈ ÒÀ ¯Õ ÑÒÈÑËÀ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÀ

íîâèé ð³âåíü çàëèøêîâèõ íàïðóã: 1,6 Â äëÿ ïðèëàä³â íà 600 Â ³ 1,8 Â äëÿ

ïðèëàä³â íà 1200 Â (äèâ. ðèñ. 2.49). Êð³ì òîãî, ó ö³ ïðèëàäè (ñå𳿠F) áóëî

äîäàòêîâî ââåäåíî ñõåìó çàõèñòó òðàíçèñòîðà â³ä êîðîòêîãî çàìèêàííÿ

RTC (Real Time Control Circuit), ïðèçíà÷åíó äëÿ ìèòòºâîãî çìåíøåííÿ

íàïðóãè íà çàòâîð³ ç³ ñòàíäàðòíèõ 15 äî 11 Â. Ïðîòå, ñë³ä çàçíà÷èòè, ùî

çá³ëüøåííÿ ãóñòèíè ïàêóâàííÿ âåðòèêàëüíèõ îñåðåäê³â ïðèçâåëî äî ³ñòîò-

íîãî çðîñòàííÿ âõ³äíî¿ ºìíîñò³ ïðèëàäó, ùî, ñâîºþ ÷åðãîþ, ï³äâèùèëî

ïîòóæí³ñòü êåðóâàííÿ êëþ÷åì ³ çíèçèëî éîãî øâèäêîä³þ.

Ðèñ. 2.49 – Ïîð³âíÿííÿ ÂÀÕ IGBT-êëþ÷³â ð³çíèõ ïîêîë³íü

ç õàðàêòåðèñòèêîþ ä³îäà

Íàðåøò³, â 2004 ðîö³ âñå òà æ êîìïàí³ÿ Mitsubishi Electric ïðåäñòàâè-

ëà ï’ÿòå ïîêîë³ííÿ IGBT ç íàçâîþ CSTBT (Carrier Stored Trench Gate

Bipolar Transistor), òîáòî á³ïîëÿðí³ òðàíçèñòîðè ç ³çîëüîâàíèì âåðòè-

êàëüíèì Trench-çàòâîðîì ç íàêîïè÷åíèìè íîñ³ÿìè. Òðàíçèñòîðè ìà-

þòü äîäàòêîâèé n-øàð, ùî ñòâîðþº áàð’ºð, ÿêèé ïåðåøêîäæຠïðîõîä-

æåííþ ä³ðîê ç áàçîâîãî åï³òàêñ³àëüíîãî øàðó â p-åì³òåð. Öå ñïðèÿº

íàêîïè÷åííþ íîñ³¿â â áàçîâîìó øàð³ IGBT íà ìåæ³ ç åì³òåðîì ³ çíèæåí-

íþ çàëèøêîâî¿ íàïðóãè äî 1,8–2,0 Â. Òåïåð íå çàñòîñîâóºòüñÿ ã³áðèäíà

RTC-ñõåìà äëÿ îáìåæåííÿ ñòðóìó êîðîòêîãî çàìèêàííÿ, îñê³ëüêè ïðî-

áëåìó ñòðóìîâîãî ïåðåâàíòàæåííÿ áóëî âèð³øåíî â ñàìîìó êðèñòàë³

IGBT çàâäÿêè íîâ³é òåõíîëî㳿 Plugget Celf Merget (PCM), çà ÿêî¿ çàáåç-

ïå÷óºòüñÿ îïòèì³çàö³ÿ «êðîêó» âåðòèêàëüíèõ îñåðåäê³â çàòâîðà çàâäÿêè

ï³äêëþ÷åííþ ò³ëüêè íåîáõ³äíî¿ ¿õíüî¿ ê³ëüêîñò³, ùî çàáåçïå÷óº â³äíîñíî

íèçüêèé ñòðóì íàñè÷åííÿ ïðè ïåðåâàíòàæåíí³ ³ çíèæåííÿ âõ³äíî¿ ºìíîñò³.

78

ÅËÅÊÒÐÎͲÊÀ ² Ì²ÊÐÎÑÕÅÌÎÒÅÕͲÊÀ

Òàêèì ÷èíîì, ïðîòÿãîì îñòàíí³õ äåñÿòèë³òü çóñèëëÿ ðîçðîáíèê³â

IGBT-êëþ÷³â áóëî ïîñò³éíî ñïðÿìîâàíî íà çíèæåííÿ çàëèøêîâî¿ íàïðó-

ãè, ï³äâèùåííÿ øâèäêî䳿 òà ñò³éêîñò³ ïåðåìèêàííÿ ïðè âñå çðîñòàþ÷èõ

çíà÷åííÿõ ñòðóì³â ³ áëîêóþ÷èõ íàïðóã ïðèëàäó. Ïðè÷îìó ïîñòàâëåí³

çàâäàííÿ âèð³øóþòüñÿ ç êîæíèì ðîêîì âñå á³ëüø ÿê³ñíî. Òàê, ô³ðìà

Toshiba Semiconductor ðîçðîáèëà á³ïîëÿðíèé òðàíçèñòîð ç ³çîëüîâàíèì

çàòâîðîì  ³  ï³äâèùåíîþ  ³íæåêö³ºþ  IEGT  (Injection  Enhanced  Gate

Transistor). Â³í ìຠïðÿìó (çàëèøêîâó) íàïðóãó ³ ãóñòèíó ñòðóìó, ùî

â³äïîâ³äàþòü ïîòóæíèì á³ïîëÿðíèì (çâè÷àéíèì) òèðèñòîðàì, à äè-

íàì³÷í³ ïàðàìåòðè ïåðåìèêàííÿ õàðàêòåðí³ äëÿ IGBT. Çàðàç âèðîá-

ëÿºòüñÿ ê³ëüêà òèï³â IEGT-ìîäóë³â ïðèòèñêíî¿ òà ïàÿíî¿ êîíñòðóêö³é, ó

òîìó ÷èñë³ ³ íàäïîòóæíèõ íà ñòðóì 750 À ³ íàïðóãó 6,5 êÂ.

Òåõíîëîã³÷íà ðåâîëþö³ÿ 80-õ ðð. XX ñò. íå ìîãëà íå òîðêíóòèñÿ òè-

ðèñòîðíî¿ êëþ÷îâî¿ åëåêòðîí³êè, ùî ñòî¿òü äåùî îñòîðîíü íà íåïîõèò-

íèõ ïîçèö³ÿõ âåëèêî¿ ïîòóæíîñò³ . Äî ñåðåäèíè 80-õ ðîê³â öåé êëàñ ïðè-

ëàä³â ïîïîâíþºòüñÿ ñòðóêòóðàìè ç ïîëüîâèì âìèêàííÿì, íàçâàí³ MCT

(Mos Controlled Thyristor). Âîíè â³äïèðàþòüñÿ òà çàïèðàþòüñÿ ïîëåì

çà äóæå âèñîêî¿ ãóñòèíè ñòðóìó (ïîíàä 2000 À/ñì

2

). Ïðîòå ðîçðîáêà

öèõ ïåðñïåêòèâíèõ ïðèëàä³â ç³òêíóëàñÿ ç ñåðéîçíîþ ïðîáëåìîþ – ð³çêèì

çíèæåííÿì äîïóñòèìî¿ ãóñòèíè ñòðóìó ç³ çðîñòàííÿì ÷èñëà ñòðóêòó-

ðîóòâîðþþ÷èõ åëåìåíò³â. Çíà÷íèõ óñï³õ³â íà òîé ïåð³îä äîñÿãëà òåõíî-

ëîã³ÿ òèðèñòîð³â, ùî çàïèðàþòüñÿ, àáî äâîîïåðàö³éíèõ òèðèñòîð³â – GTO

(Gate Turn-Off Thyristor). Õî÷à òåîðåòè÷íèé ïðèíöèï çàïèðàííÿ p-n-p-

n-ñòðóêòóðè çà åëåêòðîäîì êåðóâàííÿ áóâ â³äîìèé ùå ç ïî÷àòêó 60-õ

ðð. XX ñò., àëå ò³ëüêè ðîçðîáêà ³íòåãðàëüíèõ áàãàòîîñåðåäêîâèõ ñòðóê-

òóð äàëà çìîãó íàëàãîäèòè ïåðø³ ñåð³éí³ âèïóñêè ïîòóæíèõ GTO äî

ñåðåäèíè 70-õ ðîê³â. Òåõíîëîã³÷í³ óñï³õè 80-õ ðîê³â äàëè ìîæëèâ³ñòü

ô³ðìàì-âèðîáíèêàì ìàéæå ó 100 ðàç³â ï³äâèùèòè ïîòóæí³ñòü, ùî ïå-

ðåìèêàºòüñÿ GTO (äî 2,5 êÀ çà ñòðóìîì ³ 4,5 ê çà íàïðóãîþ). Çàëåæ-

íî â³ä áëîêîâàíî¿ çâîðîòíî¿ íàïðóãè, ðîçð³çíÿþòü ñòðóêòóðè áåç øóíòó-

âàííÿ àíîäíîãî ïåðåõîäó ³ ç øóíòóâàííÿì, à òàêîæ ñòðóêòóðè ç âáóäî-

âàíèì çâîðîòíèì ä³îäîì. Äâ³ îñòàíí³ ìàþòü ìåíøó çàëèøêîâó íàïðó-

ãó, ³ õî÷à îêðåì³ òèïè äâîîïåðàö³éíèõ òèðèñòîð³â áóëî ðîçðîáëåíî äëÿ

âèñîêî÷àñòîòíèõ ñõåì ñåðåäíüî¿ ïîòóæíîñò³, îñíîâíå âèêîðèñòàííÿ

GTO – â ïîòóæíèõ êîëàõ ñåðåäíüî¿ íàïðóãè, äå íå ìîæóòü áóòè âèêîðè-

ñòàí³ á³ïîëÿðí³ ³ ïîëüîâ³ òðàíçèñòîðè. Íàïðèêëàä, äî ñåðåäèíè 80-õ ðîê³â

79

2. ÍÀϲÂÏÐβÄÍÈÊβ ÏÐÈËÀÄÈ ÒÀ ¯Õ ÑÒÈÑËÀ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÀ

íà GTO áóëî ðîçðîáëåíî ³íâåðòîðè íàïðóãè äëÿ äâèãóí³â åëåêòðîâîç³â.

Öå äàëî çìîãó çàì³íèòè íà çàë³çíè÷íîìó òðàíñïîðò³ äâèãóíè ïîñò³éíî-

ãî ñòðóìó íà á³ëüø åêîíîì³÷í³ ³ íàä³éí³ äâèãóíè çì³ííîãî ñòðóìó. Ï³ñëÿ

óñï³õ³â ó òåõíîëî㳿 GTO ãàëóç³ çàñòîñóâàííÿ çâè÷àéíèõ òèðèñòîð³â

(SCR) ³ñòîòíî çâóæóþòüñÿ. ¯õí³é ðîçâèòîê éäå øëÿõîì ï³äâèùåííÿ ðî-

áî÷èõ ñòðóì³â ³ íàïðóã ³ äî ê³íöÿ 80-õ ðîê³â ¿õ âæå âèðîáëÿþòü íà ãðà-

íè÷í³ ñòðóìè äî 3 êÀ ³ íàïðóãè äî 6 êÂ.

Êîíêóðåíö³þ äâîîïåðàö³éíèì òèðèñòîðàì ñêëàäàþòü ³íäóêö³éí³ òè-

ðèñòîðè (SITh-Static Induction Thyristor), ùî çàñòîñîâóþòüñÿ â òèõ æå

êëàñàõ âåíòèëüíèõ ïåðåòâîðþâà÷³â  ³ âèêîíóþòüñÿ çà êîìá³íîâàíîþ

òåõíîëî㳺þ. Âàæëèâîþ ïåðåâàãîþ ³íäóêö³éíèõ òèðèñòîð³â (²Ò) ïîð³âíÿíî

ç GTO º íèçüêå ïðÿìå ïàä³ííÿ íàïðóãè çà â³äíîñíî âèñîêèõ ðîáî÷èõ

íàïðóã. Ïðîòå òàê³ ¿õí³ íåäîë³êè, ÿê çäàòí³ñòü ïðîâîäèòè ñòðóì ïðè íó-

ëüîâîìó çì³ùåíí³ íà çàòâîð³, à òàêîæ ñêëàäíà ³ äîðîãà òåõíîëîã³ÿ âèãî-

òîâëåííÿ ïîêè ñòðèìóþòü øèðîêå çàñòîñóâàííÿ.

Íàñòóï êîìá³íîâàíèõ òåõíîëîã³é íà ïîçèö³¿ á³ïîëÿðíèõ òèðèñòîð³â,

ùî ââàæàëèñÿ íåïðèñòóïíèìè, çìóøóº ðîçðîáíèê³â öèõ ïðèëàä³â ðóõà-

òèñÿ äàë³ â îáëàñòü ìåãàâàòíèõ ïîòóæíîñòåé. Òàê, êîìïàí³ÿ Mitsubishi

Electric ðîçðîáèëà GTO íà ñòðóì 6 êÀ ³ íà íàïðóãó 6 êÂ, âèêîíàíèé çà

áàãàòîîñåðåäêîâîþ òåõíîëî㳺þ íà øåñòèäþéìîâ³é êðåìí³ºâ³é ïëàñ-

òèí³ â ñïåö³àëüíîìó êîðïóñ³ ç ìîë³áäåíîâèìè äèñêàìè (òåðìîêîìïåí-

ñàòîðàìè), ùî â³ää³ëÿþòü ïëàñòèíó â³ä ì³äíèõ ÷àñòèí àíîäà ³ êàòîäà.

Êîåô³ö³ºíò çàïèðàííÿ ó íüîãî äîð³âíþº ïðèáëèçíî (5–6), à ÷àñ âèìè-

êàííÿ – áëèçüêî 5 ìêñ. Òèðèñòîð âèòðèìóº óäàðí³ ñòðóìè äî 40 êÀ ³

ïðè öüîìó ìຠçàëèøêîâó íàïðóãó íå á³ëüøå 6 Â. Ö³ óí³êàëüí³ äîñÿã-

íåííÿ ñòàëè ìîæëèâèìè çàâäÿêè îïòèì³çàö³¿ ïðîöåñó øóíòóâàííÿ àíîä-

íîãî p-n-ïåðåõîäó ³ ñòâîðåííþ íåð³âíîì³ðíîãî ðîçïîä³ëó òåðì³íó æèò-

òÿ íîñ³¿â â îáëàñò³ øèðîêî¿ n-áàçè, à òàêîæ ââåäåííþ äîäàòêîâîãî âè-

ñîêîëåãîâàíîãî n+-øàðó â ïðèàíîäíó ÷àñòèíó n-áàçè (òàê çâàíà ñòðóê-

òóðà p-n-v-p-n).

Íàäïîòóæí³ îäíîîïåðàö³éí³ òèðèñòîðè çàðàç âèðîáëÿþòüñÿ íà îñíîâ³

íàäâèñîêîâîëüòíî¿ òåõíîëî㳿 (Ultra High Voltage) ³ ìàþòü ïàðàìåòðè

ïîòóæíîñò³ 8 ê ³ 3,6 êÀ äëÿ ë³í³é ïåðåäà÷³ ïîñò³éíîãî ñòðóìó òà 12 êÂ

³ 1,5 êÀ äëÿ ñòàòè÷íèõ ïåðåìèêà÷³â çì³ííîãî ñòðóìó. Êåðóâàííÿ ïîä-

³áíèìè ñòðóêòóðàìè âèêîíóºòüñÿ ñâ³òëîâèì ³ìïóëüñîì ïî ñïåö³àëüíî-

ìó îïòè÷íîìó êàáåëþ.

80

ÅËÅÊÒÐÎͲÊÀ ² Ì²ÊÐÎÑÕÅÌÎÒÅÕͲÊÀ

 ê³íö³ 90-õ ðîê³â ò³ºþ æ ô³ðìîþ áóëè ðîçðîáëåí³ òèðèñòîðí³ ñòðóê-

òóðè  ç  êîìóòàö³ºþ  ñòðóìó  â  çàòâîð  êåðóâàííÿ,  íàçâàí³  GCT  (Gate

Commutated turn-off Thyristor). Ñë³ä çàçíà÷èòè, ùî ðîáîòà GCT ìîæëè-

âà ò³ëüêè çà ñïåö³àëüíî¿ êîíñòðóêö³¿ êîðïóñó, ùî çàáåçïå÷óº çíèæåííÿ

³íäóêòèâíîñò³ âèâîä³â  êåðóâàííÿ äî (2–4) ìêÃí. Öÿ ïðîáëåìà ëåãêî

ðîçâ’ÿçóºòüñÿ ïðè ïîºäíàíí³ GCT ³ ïðèñòðîþ ôîðìóâà÷à ³ìïóëüñ³â êå-

ðóâàííÿ â ºäèí³é êîíñòðóêö³¿, ùî ìຠíàçâó ³íòåãðîâàíèé GCT àáî IGCT.

Ñüîãîäí³ ö³ ïðèëàäè âèðîáëÿþòüñÿ ô³ðìàìè ABB Semiconductors ³

Mitsubishi Electric ó êîðïóñàõ òàáëåòîê ïðèòèñêíî¿ êîíñòðóêö³¿ ³ ðîçðà-

õîâàí³ íà íàïðóãó 6 ê òà íà ñòðóì 4,5 êÀ.

Çàãàëüíó ä³àãðàìó ñó÷àñíîãî ð³âíÿ ðîçãëÿíóòèõ ñèëîâèõ ÍÊ â êîîð-

äèíàòàõ ïðåäñòàâëåíèõ ñòðóì³â, íàïðóã ³ ÷àñòîò íàâåäåíî íà ðèñ. 2.50,

à òåõí³÷í³ õàðàêòåðèñòèêè äîñèòü äåòàëüíî îïèñàí³ â äîâ³äêîâèõ êàòà-

ëîãàõ òà ³íøèõ ³íôîðìàö³éíèõ ìàòåð³àëàõ ïðîâ³äíèõ ô³ðì, ùî çàéìà-

þòüñÿ ðîçðîáêîþ ³ âèïóñêîì öèõ âèðîá³â, ïåðåäóñ³ì Infinion Technologies,

Mitsubishi Electric, Semicron òà Motorola.

Ðèñ. 2.50 – Ä³àãðàìà ñó÷àñíîãî ð³âíÿ ðîçâèòêó ñèëîâèõ ÍÊ