Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 9

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 

 

 

 

VCC = 600 В

cc

 

 

 

 

 

VGE = ±15 В

 

 

 

IGBT III

T, = 25°C

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

tf, HC

6)

Рис. 2.48 - Залежність напруги насичення IGBT-ключів різних поколінь від часу спаду колекторного струму: а) - клас напруги 600 В; б) - клас напруги 1200 В

Наприкінці 90-х років компанія Mitsubishi Electric розробила нову тех­нологію четвертого покоління для приладів PT-IGBT на основі верти­кального затвору Trench Gate. Головним результатом використання Trench-технології стало істотне зменшення статичних втрат IGBT і вихід на

0

100

000

000

000

500

600

0

100

000

000

000

500

600

70новий рівень залишкових напруг: 1,6 В для приладів на 600 В і 1,8 В для приладів на 1200 В (див. рис. 2.49). Крім того, у ці прилади (серії F) було додатково введено схему захисту транзистора від короткого замикання RTC (Real Time Control Circuit), призначену для миттєвого зменшення напруги на затворі зі стандартних 15 до 11В. Проте, слід зазначити, що збільшення густини пакування вертикальних осередків призвело до істот­ного зростання вхідної ємності приладу, що, своєю чергою, підвищило потужність керування ключем і знизило його швидкодію. І, АІсьїі

0   0,25 0,5  0,75   1    1,25  1,5   1,75   2   2,25 2,5  2,75 3"СБ°

Рис. 2.49 - Порівняння ВАХ IGBT-ключів різних поколінь з характеристикою діода

Нарешті, в 2004 році все та ж компанія Mitsubishi Electric представи­ла п'яте покоління IGBT з назвою CSTBT (Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor), тобто біполярні транзистори з ізольованим верти­кальним Trench-затвором з накопиченими носіями. Транзистори ма­ють додатковий n-шар, що створює бар'єр, який перешкоджає проход­женню дірок з базового епітаксіального шару в p-емітер. Це сприяє накопиченню носіїв в базовому шарі IGBT на межі з емітером і знижен­ню залишкової напруги до 1,8-2,0 В. Тепер не застосовується гібридна RTC-схема для обмеження струму короткого замикання, оскільки про­блему струмового перевантаження було вирішено в самому кристалі IGBT завдяки новій технології Plugget Celf Merget (PCM), за якої забез­печується оптимізація «кроку» вертикальних осередків затвора завдяки підключенню тільки необхідної їхньої кількості, що забезпечує відносно низький струм насичення при перевантаженні і зниження вхідної ємності.

Таким чином, протягом останніх десятиліть зусилля розробників IGBT-ключів було постійно спрямовано на зниження залишкової напру­ги, підвищення швидкодії та стійкості перемикання при все зростаючих значеннях струмів і блокуючих напруг приладу. Причому поставлені завдання вирішуються з кожним роком все більш якісно. Так, фірма Toshiba Semiconductor розробила біполярний транзистор з ізольованим затвором і підвищеною інжекцією IEGT (Injection Enhanced Gate Transistor). Він має пряму (залишкову) напругу і густину струму, що відповідають потужним біполярним (звичайним) тиристорам, а ди­намічні параметри перемикання характерні для IGBT. Зараз вироб­ляється кілька типів IEGT-модулів притискної та паяної конструкцій, у тому числі і надпотужних на струм 750 А і напругу 6,5 кВ.

Технологічна революція 80-х рр. XX ст. не могла не торкнутися ти­ристорної ключової електроніки, що стоїть дещо осторонь на непохит­них позиціях великої потужності . До середини 80-х років цей клас при­ладів поповнюється структурами з польовим вмиканням, названі MCT (Mos Controlled Thyristor). Вони відпираються та запираються полем за дуже високої густини струму (понад 2000 А/см2). Проте розробка цих перспективних приладів зіткнулася з серйозною проблемою - різким зниженням допустимої густини струму зі зростанням числа структу-роутворюючих елементів. Значних успіхів на той період досягла техно­логія тиристорів, що запираються, або двоопераційних тиристорів - GTO (Gate Turn-Off Thyristor). Хоча теоретичний принцип запирання p-n-p-n-структури за електродом керування був відомий ще з початку 60-х рр. XX ст., але тільки розробка інтегральних багатоосередкових струк­тур дала змогу налагодити перші серійні випуски потужних GTO до середини 70-х років. Технологічні успіхи 80-х років дали можливість фірмам-виробникам майже у 100 разів підвищити потужність, що пе­ремикається GTO (до 2,5 кА за струмом і 4,5 кВ за напругою). Залеж­но від блокованої зворотної напруги, розрізняють структури без шунту­вання анодного переходу і з шунтуванням, а також структури з вбудо­ваним зворотним діодом. Дві останні мають меншу залишкову напру­гу, і хоча окремі типи двоопераційних тиристорів було розроблено для високочастотних схем середньої потужності, основне використання GTO - в потужних колах середньої напруги, де не можуть бути викори­стані біполярні і польові транзистори. Наприклад, до середини 80-х рокіна GTO було розроблено інвертори напруги для двигунів електровозів. Це дало змогу замінити на залізничному транспорті двигуни постійно­го струму на більш економічні і надійні двигуни змінного струму. Після успіхів у технології GTO галузі застосування звичайних тиристорів (SCR) істотно звужуються. їхній розвиток йде шляхом підвищення ро­бочих струмів і напруг і до кінця 80-х років їх вже виробляють на гра­ничні струми до 3 кА і напруги до 6 кВ.

Конкуренцію двоопераційним тиристорам складають індукційні ти­ристори (SITh-Static Induction Thyristor), що застосовуються в тих же класах вентильних перетворювачів і виконуються за комбінованою технологією. Важливою перевагою індукційних тиристорів (ІТ) порівняно з GTO є низьке пряме падіння напруги за відносно високих робочих напруг. Проте такі їхні недоліки, як здатність проводити струм при ну­льовому зміщенні на затворі, а також складна і дорога технологія виго­товлення поки стримують широке застосування.

Наступ комбінованих технологій на позиції біполярних тиристорів, що вважалися неприступними, змушує розробників цих приладів руха­тися далі в область мегаватних потужностей. Так, компанія Mitsubishi Electric розробила GTO на струм 6 кА і на напругу 6 кВ, виконаний за багатоосередковою технологією на шестидюймовій кремнієвій плас­тині в спеціальному корпусі з молібденовими дисками (термокомпен­саторами), що відділяють пластину від мідних частин анода і катода. Коефіцієнт запирання у нього дорівнює приблизно (5-6), а час вими­кання - близько 5 мкс. Тиристор витримує ударні струми до 40 кА і при цьому має залишкову напругу не більше 6 В. Ці унікальні досяг­нення стали можливими завдяки оптимізації процесу шунтування анод­ного p-n-переходу і створенню нерівномірного розподілу терміну жит­тя носіїв в області широкої n-бази, а також введенню додаткового ви-соколегованого n+-шару в прианодну частину n-бази (так звана струк­тура p-n-v-p-n).

Надпотужні одноопераційні тиристори зараз виробляються на основі надвисоковольтної технології (Ultra High Voltage) і мають параметри потужності 8 кВ і 3,6 кА для ліній передачі постійного струму та 12 кВ і 1,5 кА для статичних перемикачів змінного струму. Керування под­ібними структурами виконується світловим імпульсом по спеціально­му оптичному кабелю.во

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

В кінці 90-х років тією ж фірмою були розроблені тиристорні струк­тури з комутацією струму в затвор керування, названі GCT (Gate Commutated turn-off Thyristor). Слід зазначити, що робота GCT можли­ва тільки за спеціальної конструкції корпусу, що забезпечує зниження індуктивності виводів керування до (2-4) мкГн. Ця проблема легко розв'язується при поєднанні GCT і пристрою формувача імпульсів ке­рування в єдиній конструкції, що має назву інтегрований GCT або IGCT. Сьогодні ці прилади виробляються фірмами ABB Semiconductors і Mitsubishi Electric у корпусах таблеток притискної конструкції і розра­ховані на напругу 6 кВ та на струм 4,5 кА.

Загальну діаграму сучасного рівня розглянутих силових НК в коор­динатах представлених струмів, напруг і частот наведено на рис. 2.50, а технічні характеристики досить детально описані в довідкових ката­логах та інших інформаційних матеріалах провідних фірм, що займа­ються розробкою і випуском цих виробів, передусім Infinion Technologies, Mitsubishi Electric, Semicron та Motorola.

10 \-

Tupucmopu

1,0

0,1

Двоопераційні тиристори GTO, GCT

HV-IGBT, MCT, SITh

IGBT

Біполярні транзистори

0,5^-

u, kb

Рис. 2.50 - Діаграма сучасного рівня розвитку силових НК

В1

Насамкінець зазначимо, що дуже хороші перспективи в розвитку сучасних керованих НК відкриваються у зв'язку з використанням но­вих напівпровідникових матеріалів, перш за все карбіду кремнію (SiC), що дозволяє істотно зменшити струми витоку і опір приладу у відкри­тому стані, а також підвищити робочу температуру кристалу до 600°С проти (150-200)°С для кремнію.

Таким чином, в результаті динамічного розвитку електронних тех­нологій, особливо в останні два десятиріччя, було створено надпотужні як напівкеровані, так і повністю керовані НК, що за своїми параметра­ми все більше наближаються до ідеальних ключів. Це забезпечило наявність широкої пропозиції вказаних НК на світовому ринку компо­нентів силової електроніки, що характеризуються доступною ціною й високою якістю.

Контрольні запитання

1. Вкажіть, як класифікують напівпровідникові електронні при­лади?

2. Поясніть основні властивості напівпровідникових резисторів. Наведіть їхні умовні позначення.

3. Поясніть принцип дії випрямного діода, стабілітрона, фото-і світлодіода, варикапа. Наведіть їхні умовні позначення.

4. Поясніть, у чому полягають особливості роботи високочас­тотних та імпульсних діодів.

5. Що таке біполярний транзистор? Поясніть його будову та принцип дії. Наведіть умовні позначення.

6. Як можна вмикати біполярний транзистор і який вигляд при цьому мають його вольт-амперні характеристики?

7. Що таке h-параметри біполярного транзистора?

8. Як будується динамічна характеристика транзистора? У яких режимах може працювати транзистор?

9. Поясніть будову і принцип дії одноперехідного транзистора.

10. Що таке польовий транзистор? Які є різновиди польових тран­зисторів? Поясніть їхню будову і принцип дії, наведіть умовні позначення.

11. Поясніть будову і принцип дії БТІЗ.

В2

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

1 2. Що таке тиристор, диністор, триністор, симістор, оптрон-ний тиристор, двоопераційний тиристор. Наведіть їхні умовні позначення.

13. Наведіть і поясніть структуру і вольт-амперні характерис­тики диністора. Що таке зона негативного опору ВАХ? 1 4. Як увімкнути і як вимкнути тиристор?

15. У чому полягає принцип регулювання напруги змінного стру­му тиристорним регулятором?

1 6. Вкажіть переваги електростатичних тиристорів та запірних тиристорів з МОН-керуванням.

1 7 . Що таке інтегральна мікросхема? Які види інтегральних мікро­схем Ви знаєте?

1 8. У чому полягають переваги інтегральних мікросхем перед елек­тронними пристроями на дискретних елементах?вз

РОЗДІЛ 3

ПІДСИЛЮВАЧІ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ. ПІДСИЛЮВАЧІ НАПРУГИ ЗМІННОГО СТРУМУ

3.1. Загальні відомості про підсилювачі та їх класифікація

Електронним підсилювачем називається пристрій, призначений для підсилення потужності електричного сигналу без спотворення його форми і частоти (для лінійного підсилювача).

Необхідність у підсилювачі виникає тоді, коли потужність джерела сигналу менша за потужність навантаження. У такому разі, як було зазначено в пп. 2.4.1, послідовно з навантаженням вмикають джерело живлення і підсилюючий елемент ПЕ. Джерело сигналу діє не безпо­середньо на навантаження, а на вхід ПЕ і, змінюючи провідність остан­нього, забезпечує пропорційні вхідному сигналу зміни струму у колі навантаження. В результаті у навантаженні виділяється необхідне зна­чення потужності за рахунок енергії джерела живлення (див. рис. 2.9).

Як ПЕ у сучасних підсилювачах зазвичай використовують транзис­тори (біполярні або польові), рідше - електронні лампи.

Загальна структурна схема підсилювача наведена на рис. 3.1.

Джерело живлення (постійної напруги)

дж \ивх

(2)

Reux

ПЯвх   Q ЄвиХ

■ івих (3)

-о—

~(4)

Rh

Рис. 3.1 - Структурна схема підсилювача Вхідний сигнал від керуючого джерела енергії єдж (джерела вхідного сигналу) подається на вхідні клеми (1)-(2) підсилювача через внутрішній

В4

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

опір джерела R Потужність джерела вхідного сигналу виділяється на вхідному опорі підсилювача R Навантаження підмикається до клем (3)-(4). Вхідний малопотужний сигнал керує кількістю енергії, що подається у навантаження від джерела живлення значно більшої потужності (підсилювальні властивості вихідного кола представлені за допомогою додаткової електрорушійної сили e ). Таким чином, завдяки використанню ПЕ і зовнішнього джерела живлення, стає мож­ливим підсилення малопотужного вхідного сигналу. Підсилювачі класифікуються за такими ознаками:

1) призначення;

2) частота сигналу, що підсилюється;

3) форма сигналу;

4) характер змін з часом сигналу, що підсилюється. Усі ці ознаки накладають специфічні вимоги до побудови конкретних

схем підсилювачів.

За призначенням підсилювачі поділяються на підсилювачі напруги, струму та потужності. Тобто вони забезпечують на виході необхідний рівень напруги, струму або потужності (хоча за своєю суттю усі вони є підсилювачами потужності).

У підсилювача напруги Rd;)K« Rex; Reux<< RH і, в результаті, віднос­но великі зміни напруги на навантаженні забезпечуються при незнач­них змінах вхідного та вихідного струмів.

У підсилювача струму R, >> R ; R >> R і протікання струму необхідного значення у вихідному колі відбувається за малих значень напруги у вхідному та вихідному колах.

У підсилювача потужності R, = R ; R  = R , за рахунок чого

дж ex       eux Н

забезпечується максимальна потужність як у вхідному, так і у вихід­ному колах (узгоджений за потужністю режим роботи).

За частотою підсилювачі поділяються на підсилювачі низької часто­ти (від одного герца до десятків кілогерц), середньої частоти (від десят­ків кілогерц до мегагерца) та високої частоти (більше за мегагерц).

За смугою частот робочого діапазону бувають широкосмугові під­силювачі й вибіркові (забезпечують підсилення у дуже вузькому діа­пазоні частот, в ідеалі - сигналів однієї частоти).

За формою сигналу, що підсилюється, вони поділяються на підсилю­вачі гармонічних та імпульсних сигналів.

За характером зміни вхідного сигналу з часом бувають підсилювачі постійного та змінного струму.

Найпростіший вузол, що забезпечує підсилення електричного сигна­лу, називається підсилюючим каскадом.

За видом зв'язку з джерелом сигналу, між каскадами та з наванта­женням підсилювачі поділяються на підсилювачі з безпосереднім, ре-зистивним, оптронним, резистивно-ємнісним, трансформаторним або резонансно-трансформаторним зв'язком.

Перші три види зв'язку можуть використовуватися у підсилювачах напруги як постійного, так і змінного струму, решта - тільки у підсилю­вачах напруги змінного струму.

Надалі ми будемо розглядати лінійні підсилювачі, у яких змінам вхід­ного сигналу відповідають пропорційні зміни вихідного.

3.2. Основні параметри і характеристики підсилювачів

Підсилювальні властивості підсилювача оцінюються такими харак­теристиками:

1) коефіцієнт підсилення - для лінійного підсилювача це:

U вих

за напругою Ки =-

U вх

(для нелінійного підсилювача треба брати динамічне значення кое­,. .        .              Tr     dueux At/gux фіцієнта підсилення Ки =-~-);

duex AUex

Тг        j вих

за струмом Kj =-,

P

за потужністю KP =-.

У загальному випадку величини Kv та K є комплексними. Тому

K = =s£L = ^-= Ke}(<Pe"x-<Pex )= Kejcp, (3.1)

A ex       ,    j p ex Aexe

де K - модуль коефіцієнта підсилення;вє

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

j  , jвх - фази вихідного та вхідного сигналів; j - зсув фаз між вхідним та вихідним сигналами. Величина Kp = KU К - завжди дійсне число.

У багатьох випадках коефіцієнт підсилення представляють у лога­рифмічних одиницях - децибелах (дБ):

КХдБ)=20з KJ; K0*)=20[lg KJ; K 0tf)=10[lg Kp];

2) вхідний опір за постійним або змінним (залежно від виду підсилю-

вача) струмом Re%

U е

І е

3) вихідний опір підсилювача Reux (опір між вихідними клемами підси­лювача за відімкненого опору навантаження);

4) коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) п

P

P

-*- за

де P   - загальна по-

тужність, що відбирається від джерела живлення.

A Ueux

Uex min     Uex max

Рис. 3.2 - Амплітудна характеристика uBm=f (UJ підсилювача бв - режим насичення (тут із ростом вхідного сигналу ріст вихід­ного припиняється - підсилювач виходить із лінійного режиму).

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 


Похожие статьи

Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка