Półprzewodnikowe urządzenie mocy - Power semiconductor device

Przyrząd półprzewodnikowy jest przyrząd półprzewodnikowy stosuje się jako przełącznik lub prostownika w elektronice mocy (na przykład w postaci zasilacza impulsowego ). Takie urządzenie jest również nazywane urządzeniem zasilającym lub, gdy jest używane w układzie scalonym , układem scalonym mocy .

Półprzewodnikowe urządzenie mocy jest zwykle używane w „trybie komutacji” (tj. Jest włączone lub wyłączone), a zatem ma konstrukcję zoptymalizowaną do takiego użycia; zwykle nie powinien być używany w operacji liniowej. Liniowe obwody mocy są szeroko rozpowszechnione jako regulatory napięcia, wzmacniacze audio i wzmacniacze częstotliwości radiowych.

Półprzewodniki mocy znajdują się w systemach dostarczających zaledwie kilkadziesiąt miliwatów dla wzmacniacza słuchawkowego, do około gigawata w linii przesyłowej prądu stałego wysokiego napięcia .

Historia

Pierwszym urządzeniem elektronicznym stosowanym w obwodach mocy był prostownik elektrolityczny - wczesna wersja została opisana przez francuskiego eksperymentatora A. Nodona w 1904 roku. Były one przez krótki czas popularne wśród wczesnych eksperymentatorów radiowych, ponieważ mogły być improwizowane z blach aluminiowych i chemii gospodarczej . Miały niskie wytrzymywane napięcia i ograniczoną wydajność.

Pierwszymi półprzewodnikowymi przyrządami mocy były prostowniki z tlenku miedzi, stosowane we wczesnych ładowarkach i zasilaczach urządzeń radiowych, ogłoszone w 1927 roku przez LO Grundahla i PH Geigera.

Pierwsze germanowe urządzenie półprzewodnikowe mocy pojawiło się w 1952 roku wraz z wprowadzeniem diody mocy przez RN Hall . Miał odwrotny zdolność blokowania napięcia 200 V i obecna ocena 35 A .

Niemieckie tranzystory bipolarne o znacznych możliwościach przenoszenia mocy (prąd kolektora 100 mA) zostały wprowadzone około 1952 r .; z zasadniczo taką samą konstrukcją jak urządzenia sygnalizacyjne, ale lepiej odprowadzającym ciepło. Zdolność do obsługi mocy ewoluowała szybko i do 1954 roku dostępne były tranzystory złączowe ze stopu germanu o rozpraszaniu 100 W. Były to wszystkie urządzenia o stosunkowo niskiej częstotliwości, używane do około 100 kHz i temperatury złącza do 85 stopni Celsjusza. Krzemowe tranzystory mocy zostały wyprodukowane dopiero w 1957 roku, ale gdy były dostępne, miały lepszą charakterystykę częstotliwościową niż urządzenia germanowe i mogły pracować do temperatury złącza 150 C.

Tyrystor ukazał się w roku 1957. Jest w stanie wytrzymać bardzo wysokie odwrotnego napięcia przebicia i jest również zdolna do przenoszenia dużego prądu. Jednak jedną wadą tyrystora w obwodach przełączających jest to, że gdy zostanie on „zatrzaśnięty” w stanie przewodzenia; nie można go wyłączyć sterowaniem zewnętrznym, gdyż wyłączenie tyrystora jest bierne, tzn. należy odłączyć zasilanie od urządzenia. Tyrystory, które można było wyłączać, zwane tyrystorami wyłączającymi bramę (GTO), zostały wprowadzone w 1960 r. Przezwyciężają one pewne ograniczenia zwykłego tyrystora, ponieważ można je włączać i wyłączać za pomocą przyłożonego sygnału.

MOSFET mocy

Główny artykuł: MOSFET mocy
Zobacz także: wzmacniacz FET , tranzystor bipolarny z izolowaną bramką , MOSFET , LDMOS i VMOS

Przełom w energoelektronice nastąpił wraz z wynalezieniem tranzystora polowego MOSFET ( tranzystor polowy z tlenkiem metalu i półprzewodnika) przez Mohameda Atalla i Dawona Kahnga w Bell Labs w 1959 r. Generacje tranzystorów MOSFET umożliwiły projektantom mocy osiągnięcie niemożliwych poziomów wydajności i gęstości. z tranzystorami bipolarnymi. Dzięki ulepszeniom technologii MOSFET (początkowo używanej do produkcji układów scalonych ), tranzystor mocy MOSFET stał się dostępny w latach 70.

W 1969 roku firma Hitachi wprowadziła pierwszy pionowy tranzystor MOSFET mocy, który później był znany jako VMOS (V-groove MOSFET). Od 1974 roku Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony i Toshiba rozpoczęły produkcję wzmacniaczy audio z tranzystorami MOSFET mocy. Firma International Rectifier wprowadziła w 1978 r. Tranzystor MOSFET 25 A, 400 V mocy. To urządzenie umożliwia pracę przy wyższych częstotliwościach niż tranzystor bipolarny, ale jest ograniczone do zastosowań niskonapięciowych.

IGBT (IGBT) został opracowany w 1980, i został szeroko dostępne w 1990 roku. Ten komponent ma zdolność obsługi mocy tranzystora bipolarnego i zalety izolowanego napędu bramki tranzystora mocy MOSFET.

Typowe urządzenia

Niektóre typowe urządzenia zasilające to MOSFET mocy, dioda mocy , tyrystor i IGBT . Dioda mocy i tranzystor MOSFET mocy działają na podobnych zasadach jak ich odpowiedniki o małej mocy, ale są w stanie przenosić większą ilość prądu i zazwyczaj są w stanie wytrzymać większe napięcie wsteczne polaryzacji w stanie wyłączonym .

W urządzeniu mocy często wprowadza się zmiany strukturalne w celu uwzględnienia większej gęstości prądu, wyższego rozpraszania mocy i / lub wyższego napięcia przebicia wstecznego. Zdecydowana większość dyskretnych (tj. Niezintegrowanych) urządzeń zasilających jest zbudowana przy użyciu konstrukcji pionowej, podczas gdy urządzenia małosygnałowe mają konstrukcję boczną. Przy konstrukcji pionowej prąd znamionowy urządzenia jest proporcjonalny do jego powierzchni, a zdolność blokowania napięcia jest osiągana na wysokości matrycy. Dzięki tej konstrukcji jedno z połączeń urządzenia znajduje się na dnie matrycy półprzewodnikowej .

MOSFET mocy jest najpowszechniejszym urządzeniem zasilającym na świecie, ze względu na niską moc napędu bramki, dużą prędkość przełączania i zaawansowane możliwości pracy równoległej. Posiada szeroki zakres zastosowań energoelektronicznych , takich jak przenośne urządzenia informacyjne , układy scalone mocy, telefony komórkowe , notebooki i infrastruktura komunikacyjna umożliwiająca korzystanie z Internetu . Od 2010 roku MOSFET mocy stanowi większość (53%) rynku tranzystorów mocy, następnie IGBT (27%), następnie wzmacniacz RF (11%), a następnie bipolarny tranzystor złączowy (9%).

Urządzenia półprzewodnikowe

Urządzenie Opis Oceny
Dioda Jednobiegunowe, niekontrolowane urządzenie przełączające stosowane w takich zastosowaniach, jak prostowanie i sterowanie kierunkiem prądu obwodu. Urządzenie blokujące odwrócenie napięcia, zwykle modelowane jako przełącznik szeregowy ze źródłem napięcia, zwykle 0,7 VDC. Model można rozszerzyć o rezystancję złącza, aby dokładnie przewidzieć spadek napięcia diody na diodzie w odniesieniu do przepływu prądu. Do 3000 amperów i 5000 woltów w jednym urządzeniu silikonowym. Wysokie napięcie wymaga wielu szeregowych urządzeń silikonowych.
Prostownik sterowany silikonem (SCR) To częściowo sterowane urządzenie włącza się, gdy obecny jest impuls bramki, a anoda jest dodatnia w porównaniu z katodą. Gdy obecny jest impuls bramki, urządzenie działa jak standardowa dioda. Gdy anoda jest ujemna w porównaniu z katodą, urządzenie wyłącza się i blokuje występujące dodatnie lub ujemne napięcia. Napięcie bramki nie pozwala na wyłączenie urządzenia. Do 3000 amperów, 5000 woltów w jednym urządzeniu silikonowym.
Tyrystor Tyrystor to rodzina urządzeń trójzaciskowych, które obejmują SCR, GTO i MCT. W przypadku większości urządzeń impuls bramki włącza urządzenie. Urządzenie wyłącza się, gdy napięcie anodowe spadnie poniżej wartości (względem katody) określonej przez charakterystykę urządzenia. Gdy jest wyłączone, jest uważane za urządzenie blokujące napięcie wsteczne.
Tyrystor wyłączający bramę (GTO) Tyrystor wyłączający bramkę, w przeciwieństwie do SCR, może być włączany i wyłączany za pomocą impulsu bramki. Jednym z problemów z urządzeniem jest to, że napięcia bramki wyłączającej są zwykle większe i wymagają więcej prądu niż poziomy włączenia. To napięcie wyłączenia jest napięciem ujemnym od bramki do źródła, zwykle musi być obecne tylko przez krótki czas, ale wielkość s jest rzędu 1/3 prądu anodowego. Aby zapewnić użyteczną krzywą przełączania dla tego urządzenia, wymagany jest obwód tłumiący. Bez obwodu tłumiącego, GTO nie może być używane do wyłączania obciążeń indukcyjnych. Urządzenia te, ze względu na rozwój technologii IGCT, nie są zbyt popularne w dziedzinie energoelektroniki. Są one uważane za kontrolowane, jednobiegunowe i dwubiegunowe blokowanie napięcia.
Triak Triak to urządzenie, które jest zasadniczo zintegrowaną parą tyrystorów z kontrolą fazy, połączonych odwrotnie równolegle na tym samym chipie. Podobnie jak SCR, gdy impuls napięcia jest obecny na zacisku bramki, urządzenie włącza się. Główna różnica między SCR a triakiem polega na tym, że zarówno dodatni, jak i ujemny cykl można włączyć niezależnie od siebie, używając dodatniego lub ujemnego impulsu bramki. Podobnie jak w przypadku SCR, po włączeniu urządzenia nie można go wyłączyć. To urządzenie jest uważane za dwubiegunowe i odwrotne blokowanie napięcia.
Bipolarny tranzystor złączowy (BJT) BJT nie może być używany z dużą mocą; są wolniejsze i mają większe straty rezystancyjne w porównaniu z urządzeniami typu MOSFET. Aby przenosić duży prąd, BJT muszą mieć stosunkowo duże prądy bazowe, dlatego te urządzenia mają duże straty mocy w porównaniu z urządzeniami MOSFET. BJT wraz z tranzystorami MOSFET są również uważane za unipolarne i nie blokują zbyt dobrze napięcia wstecznego, chyba że są zainstalowane parami z diodami zabezpieczającymi. Ogólnie rzecz biorąc, BJT nie są wykorzystywane w elektronice mocy przełączania obwodów ze względu na I 2 stratami związanymi z R na opór i bazowych wymogów bieżących. BJT mają mniejsze zyski prądu w zespołach dużej mocy, co wymaga ich ustawiania w konfiguracjach Darlingtona, aby poradzić sobie z prądami wymaganymi przez obwody energoelektroniczne. Ze względu na te konfiguracje wielu tranzystorów czasy przełączania wynoszą od setek nanosekund do mikrosekund. Urządzenia mają napięcie znamionowe, które wynosi maksymalnie około 1500 V i dość wysokie wartości prądu. Można je również łączyć równolegle w celu zwiększenia obsługi mocy, ale należy je ograniczyć do około 5 urządzeń do współdzielenia prądu.
MOSFET mocy Główną zaletą tranzystora MOSFET mocy w porównaniu z BJT jest to, że tranzystor MOSFET jest urządzeniem z kanałem zubożenia, a więc napięcie, a nie prąd, jest niezbędne do utworzenia ścieżki przewodzenia od drenu do źródła. Przy niskich częstotliwościach znacznie zmniejsza to prąd bramki, ponieważ wymagane jest tylko ładowanie pojemności bramki podczas przełączania, chociaż wraz ze wzrostem częstotliwości ta zaleta jest zmniejszana. Większość strat w tranzystorach MOSFET wynika z rezystancji, mogą wzrosnąć, gdy przez urządzenie przepływa większy prąd, a także są większe w urządzeniach, które muszą zapewniać wysokie napięcie blokujące. BV dss .

Czasy przełączania wahają się od kilkudziesięciu nanosekund do kilkuset mikrosekund. Nominalne napięcia dla urządzeń przełączających MOSFET wahają się od kilku woltów do nieco ponad 1000 V, przy prądach do około 100 A, chociaż tranzystory MOSFET można łączyć równolegle w celu zwiększenia prądu przełączania. Urządzenia MOSFET nie są dwukierunkowe ani nie blokują odwrotnego napięcia.

Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (IGBT) Te urządzenia mają najlepsze cechy tranzystorów MOSFET i BJT. Podobnie jak urządzenia MOSFET, tranzystor bipolarny z izolowaną bramką ma wysoką impedancję bramki, a zatem wymaga niskiego prądu bramki. Podobnie jak BJT, to urządzenie charakteryzuje się niskim spadkiem napięcia w stanie włączenia, a tym samym niską utratą mocy na przełączniku w trybie pracy. Podobnie jak GTO, IGBT może być używany do blokowania zarówno dodatnich, jak i ujemnych napięć. Prądy robocze są dość wysokie, przekraczają 1500 A i napięcie przełączania do 3000 V. IGBT ma zmniejszoną pojemność wejściową w porównaniu z urządzeniami MOSFET, co poprawia efekt sprzężenia zwrotnego Millera podczas włączania i wyłączania przy wysokim dv / dt.
Tyrystor kontrolowany przez MOS (MCT) Tyrystor sterowany przez MOS jest podobny do tyrystora i może być włączany lub wyłączany przez impuls do bramki MOSFET. Ponieważ wejście jest w technologii MOS, przepływ prądu jest bardzo mały, co pozwala na uzyskanie sygnałów sterujących o bardzo małej mocy. Urządzenie jest zbudowane z dwóch wejść MOSFET i pary stopni wyjściowych BJT. Wejściowe tranzystory MOSFET są skonfigurowane tak, aby umożliwić sterowanie włączaniem podczas dodatnich i ujemnych półcyklów. Wyjściowe BJT są skonfigurowane tak, aby umożliwić sterowanie dwukierunkowe i blokowanie zwrotne przy niskim napięciu. Niektóre korzyści płynące z MCT to szybkie częstotliwości przełączania, dość wysokie napięcie i średni prąd znamionowy (około 100 A lub więcej).
Zintegrowany tyrystor komutowany bramką (IGCT) Podobny do GTO, ale bez wysokich wymagań prądowych do włączania lub wyłączania obciążenia. IGCT może być używany do szybkiego przełączania przy niewielkim prądzie bramki. Urządzenia mają wysoką impedancję wejściową, głównie ze względu na sterowniki bramki MOSFET. Mają wyjścia o niskiej rezystancji, które nie marnują mocy i bardzo szybkie czasy przejściowe, które rywalizują z BJT. Firma z Grupy ABB opublikowała karty katalogowe tych urządzeń i dostarczyła opisy ich wewnętrznego działania. Urządzenie składa się z bramki, z optycznie izolowanym wejściem, tranzystorami wyjściowymi BJT o niskiej rezystancji, które prowadzą do niskiego spadku napięcia i małych strat mocy na urządzeniu przy dość wysokich poziomach napięcia i prądu przełączania.

Przykład tego nowego urządzenia firmy ABB pokazuje, jak to urządzenie ulepsza technologię GTO do przełączania wysokiego napięcia i prądu w zastosowaniach energoelektronicznych. Według ABB, urządzenia IGCT są w stanie przełączać powyżej 5000 VAC i 5000 A przy bardzo wysokich częstotliwościach, co nie jest możliwe do wydajnego wykonania z urządzeniami GTO.

Klasyfikacje

Rys. 1: Rodzina urządzeń zasilających, przedstawiająca główne wyłączniki mocy.

Urządzenie zasilające można zaklasyfikować do jednej z następujących głównych kategorii (patrz rysunek 1):

  • Urządzenie dwuzaciskowe (np. Dioda ), którego stan jest całkowicie zależny od zewnętrznego obwodu zasilającego, do którego jest podłączony.
  • Urządzenie trójzaciskowe (np. Trioda ), którego stan zależy nie tylko od zewnętrznego obwodu zasilającego, ale także od sygnału na jego zacisku sterującym (zacisk ten nazywany jest bramką lub bazą ).
  • Urządzenie z czterema końcówkami (np. Krzemowy przełącznik sterowany -SCS). SCS to rodzaj tyrystora posiadającego cztery warstwy i cztery zaciski zwane anodą, bramką anodową, bramką katodową i katodą. terminale są połączone odpowiednio z pierwszą, drugą, trzecią i czwartą warstwą.

Inna klasyfikacja jest mniej oczywista, ale ma duży wpływ na wydajność urządzenia:

  • Urządzenie przenośne większość (na przykład diody Schottky'ego, MOSFET, itd.); wykorzystuje to tylko jeden rodzaj nośników ładunku.
  • Urządzenie nośników mniejszościowych (na przykład tyrystor, tranzystor bipolarny, IGBT, itd.); wykorzystuje to zarówno nośniki większościowe, jak i mniejszościowe (tj. elektrony i dziury elektronowe ).

Większość urządzeń nośnych jest szybsza, ale ładowanie urządzeń nośnych mniejszości pozwala na lepszą wydajność w stanie włączenia.

Diody

Idealna dioda powinna mieć następujące cechy:

  • W przypadku polaryzacji przewodzenia napięcie na końcowych zaciskach diody powinno wynosić zero, niezależnie od prądu, który przez nią przepływa (stan włączenia).
  • W przypadku polaryzacji odwrotnej prąd upływu powinien wynosić zero, niezależnie od napięcia (stan wyłączenia).
  • Przejście (lub komutacja) między stanem włączenia a stanem wyłączenia powinno być natychmiastowe.

W rzeczywistości projekt diody jest kompromisem między wydajnością w stanie włączonym, wyłączonym i komutacją. Rzeczywiście, ten sam obszar urządzenia musi utrzymywać napięcie blokujące w stanie wyłączonym i umożliwiać przepływ prądu w stanie włączenia; ponieważ wymagania dla tych dwóch stanów są całkowicie przeciwne, dioda musi być albo zoptymalizowana dla jednego z nich, albo musi mieć czas na przejście z jednego stanu do drugiego (tj. prędkość komutacji musi zostać zmniejszona).

Te kompromisy są takie same dla wszystkich urządzeń zasilających; na przykład dioda Schottky'ego ma doskonałą szybkość przełączania i wydajność w stanie włączenia, ale wysoki poziom prądu upływu w stanie wyłączenia. Z drugiej strony, dioda PIN jest dostępna w handlu z różnymi prędkościami komutacji (tak zwanymi prostownikami „szybkimi” i „ultraszybkimi”), ale jakikolwiek wzrost prędkości jest koniecznie związany z niższą wydajnością w stanie włączenia.

Przełączniki

Rys.2: Domeny prądu / napięcia / częstotliwości przełączania głównych przełączników elektroniki mocy.

W przypadku przełącznika istnieją również kompromisy między wartościami znamionowymi napięcia, prądu i częstotliwości. W rzeczywistości każdy półprzewodnik mocy opiera się na strukturze diody PIN w celu utrzymania napięcia; można to zobaczyć na rysunku 2. MOSFET mocy ma zalety większości nośnych urządzeń, dzięki czemu może osiągać bardzo wysoką częstotliwość roboczą, ale nie może być używany z wysokimi napięciami; ponieważ jest to ograniczenie fizyczne, nie oczekuje się poprawy konstrukcji krzemowego tranzystora MOSFET pod względem jego maksymalnych wartości znamionowych napięcia. Jednak jego doskonała wydajność w zastosowaniach niskonapięciowych sprawia, że ​​jest to urządzenie z wyboru (obecnie jedyny wybór) do zastosowań z napięciami poniżej 200 V. Poprzez umieszczenie kilku urządzeń równolegle można zwiększyć prąd znamionowy przełącznika. MOSFET jest szczególnie dostosowany do tej konfiguracji, ponieważ jego dodatni współczynnik oporu cieplnego ma tendencję do powodowania równowagi prądu między poszczególnymi urządzeniami.

IGBT jest ostatnim składnikiem, więc jego wydajność poprawia regularnie miarę rozwoju technologii. Całkowicie zastąpił już tranzystor bipolarny w zastosowaniach mocy; moduł mocy jest dostępny, w którym kilka urządzeń IGBT są połączone równolegle, co jest atrakcyjne dla poziomu mocy do kilku megawatów, co popycha dalszy granicy, w której tyrystory i GTO być jedynym rozwiązaniem. Zasadniczo IGBT to tranzystor bipolarny napędzany przez tranzystor MOSFET mocy; ma zalety bycia nośnikiem mniejszościowym (dobra wydajność w stanie włączenia, nawet dla urządzeń wysokonapięciowych), z wysoką impedancją wejściową MOSFET (może być włączany lub wyłączany z bardzo małą ilością mocy) .

Głównym ograniczeniem IGBT w zastosowaniach niskonapięciowych jest wysoki spadek napięcia, jaki wykazuje w stanie włączenia (2 do 4 V). W porównaniu z tranzystorem MOSFET, częstotliwość robocza IGBT jest stosunkowo niska (zwykle nie wyższa niż 50 kHz), głównie z powodu problemu podczas wyłączania zwanego ogonem prądowym : Powolny zanik prądu przewodzącego podczas wyłączania skutkuje z powolnej rekombinacji dużej liczby nośników, które zalewają gruby obszar „dryfu” IGBT podczas przewodzenia. Wynik netto jest taki, że strata przy wyłączaniu tranzystora IGBT jest znacznie wyższa niż strata przy włączaniu. Generalnie w arkuszach danych energia wyłączenia jest wymieniana jako mierzony parametr; liczbę tę należy pomnożyć przez częstotliwość przełączania zamierzonego zastosowania w celu oszacowania strat przy wyłączaniu.

Przy bardzo wysokich poziomach mocy nadal często używane jest urządzenie oparte na tyrystorze (np. SCR , GTO, MCT itp.). To urządzenie można włączyć za pomocą impulsu dostarczanego przez obwód sterujący, ale nie można go wyłączyć przez usunięcie impulsu. Tyrystor wyłącza się, gdy nie przepływa przez niego prąd; dzieje się to automatycznie w systemie prądu przemiennego w każdym cyklu lub wymaga obwodu ze środkami do kierowania prądu wokół urządzenia. Zarówno MCT, jak i GTO zostały opracowane w celu przezwyciężenia tego ograniczenia i są szeroko stosowane w zastosowaniach związanych z dystrybucją mocy .

Kilka zastosowań półprzewodników mocy w trybie przełączania obejmuje ściemniacze lamp , zasilacze impulsowe , kuchenki indukcyjne , samochodowe układy zapłonowe oraz napędy silników elektrycznych prądu przemiennego i stałego o dowolnej wielkości.

Wzmacniacze

Wzmacniacze działają w obszarze aktywnym, w którym zarówno prąd, jak i napięcie urządzenia są niezerowe. W konsekwencji moc jest nieustannie rozpraszana, a jej konstrukcja jest zdominowana przez potrzebę usuwania nadmiaru ciepła z urządzenia półprzewodnikowego. Wzmacniacze mocy często można rozpoznać po radiatorze używanym do montażu urządzeń. Istnieje wiele typów wzmacniaczy półprzewodnikowych mocy, takich jak bipolarny tranzystor złączowy, pionowy tranzystor polowy MOS i inne. Poziomy mocy dla poszczególnych wzmacniaczy sięgają do setek watów, a granice częstotliwości sięgają do dolnych pasm mikrofalowych . Kompletny wzmacniacz mocy audio, z dwoma kanałami i mocą znamionową rzędu kilkudziesięciu watów, można umieścić w małym pakiecie układów scalonych, wymagającym do działania tylko kilku zewnętrznych elementów pasywnych. Innym ważnym zastosowaniem wzmacniaczy w trybie aktywnym są zasilacze z regulacją liniową, w których urządzenie wzmacniające jest używane jako regulator napięcia w celu utrzymania napięcia obciążenia na żądanym poziomie. Chociaż takie zasilacze mogą być mniej energooszczędne niż zasilacze impulsowe , prostota zastosowania sprawia, że ​​są one popularne, zwłaszcza w zakresach prądowych do około jednego ampera.

Parametry

Urządzenie zasilające jest zwykle przymocowane do radiatora w celu odprowadzenia ciepła spowodowanego stratami eksploatacyjnymi.
Układ półprzewodnikowy mocy urządzenia trójzaciskowego (IGBT, MOSFET lub BJT). Dwa styki znajdują się na górze matrycy, a drugi z tyłu.
  1. Napięcie przebicia : Często występuje kompromis między napięciem przebicia a rezystancją włączenia, ponieważ zwiększenie napięcia przebicia przez włączenie grubszego i niższego domieszkowanego obszaru dryfu prowadzi do wyższej rezystancji włączenia.
  2. Opór włączenia: Wyższy prąd znamionowy obniża rezystancję włączenia z powodu większej liczby równoległych ogniw. Zwiększa to całkowitą pojemność i spowalnia prędkość.
  3. Czasy narastania i opadania : czas potrzebny do przełączenia między stanem włączenia a stanem wyłączenia.
  4. Bezpieczny obszar roboczy : jest to kwestia rozpraszania ciepła i „zatrzasku”.
  5. Opór cieplny : jest to często pomijany, ale niezwykle ważny parametr z punktu widzenia praktycznego projektowania; półprzewodnik nie działa dobrze w podwyższonej temperaturze, a jednak z powodu dużego przewodzenia prądu półprzewodnikowy element mocy niezmiennie się nagrzewa. Dlatego takie urządzenia muszą być chłodzone poprzez ciągłe usuwanie tego ciepła; technologia pakowania i radiatorów zapewniają środki do usuwania ciepła z urządzenia półprzewodnikowego przez odprowadzanie go do środowiska zewnętrznego. Ogólnie rzecz biorąc, duże urządzenie prądowe ma dużą powierzchnię matrycy i opakowania oraz niższy opór cieplny.

Badania i rozwój

Opakowanie

Rolą opakowania jest:

  • podłączyć matrycę do obwodu zewnętrznego.
  • zapewniają sposób na usunięcie ciepła wytwarzanego przez urządzenie.
  • chronić matrycę przed wpływem środowiska zewnętrznego (wilgoć, kurz itp.).

Wiele problemów związanych z niezawodnością urządzenia zasilającego jest związanych z nadmierną temperaturą lub zmęczeniem spowodowanym cyklami termicznymi. Obecnie prowadzone są badania dotyczące następujących tematów:

Trwają również badania nad kwestiami elektrycznymi, takimi jak zmniejszenie pasożytniczej indukcyjności opakowań; ta indukcyjność ogranicza częstotliwość roboczą, ponieważ generuje straty podczas komutacji.

Niskonapięciowy tranzystor MOSFET jest również ograniczony przez pasożytniczą rezystancję pakietu, ponieważ jego wewnętrzna rezystancja w stanie włączenia jest tak niska, jak jeden lub dwa miliomy.

Niektóre z najpopularniejszych typów pakietów półprzewodników mocy obejmują TO-220, TO-247, TO-262, TO-3, D 2 Pak itp.

Poprawa konstrukcji

Projekt IGBT jest nadal w fazie rozwoju i można oczekiwać, że zapewni wzrost napięć roboczych. Na końcu zakresu o dużej mocy, sterowany przez MOS tyrystor jest obiecującym urządzeniem. Osiągnięcie znacznej poprawy w stosunku do konwencjonalnej struktury MOSFET poprzez zastosowanie zasady równowagi ładunku super-złącza: zasadniczo umożliwia ona silne domieszkowanie grubego obszaru dryfu tranzystora MOSFET mocy, zmniejszając w ten sposób opór elektryczny dla przepływu elektronów bez obniżania napięcia przebicia. Jest to zestawione z obszarem, który jest podobnie domieszkowany przeciwną biegunowością nośnika ( dziury ); te dwa podobne, ale przeciwnie domieszkowane regiony skutecznie znoszą swój ruchomy ładunek i tworzą „zubożony region”, który podtrzymuje wysokie napięcie w stanie wyłączenia. Z drugiej strony, podczas stanu włączenia, większe domieszkowanie obszaru znoszenia umożliwia łatwy przepływ nośników, zmniejszając w ten sposób opór włączenia. Komercyjne urządzenia, oparte na zasadzie super-złącza, zostały opracowane przez takie firmy, jak Infineon (produkty CoolMOS) i International Rectifier (IR).

Półprzewodniki z szerokimi przerwami energetycznymi

Oczekuje się, że główny przełom w przyrządach półprzewodnikowych mocy będzie wynikiem zastąpienia krzemu półprzewodnikiem o szerokiej przerwie energetycznej. W tej chwili za najbardziej obiecujący uważa się węglik krzemu (SiC). Podstawowe diody Schottky'ego o napięciu przebicia 1200 V są dostępne w handlu, tak jak 1200 V. JFET . Ponieważ oba są urządzeniami nośnymi większości, mogą działać z dużą prędkością. Opracowywane jest urządzenie bipolarne dla wyższych napięć (do 20 kV). Wśród swoich zalet węglik krzemu może pracować w wyższej temperaturze (do 400 ° C) i ma niższą odporność termiczną niż krzem, co pozwala na lepsze chłodzenie.

Zobacz też

Uwagi i odniesienia

Uwagi

Bibliografia

Linki zewnętrzne