Рубрики
Источники питания

Электрическая компонентная база силовых устройств. Часть 3

Электрическая компонентная база силовых устройств. Часть 3 Владимир Ланцов Саркис Эраносян Рассмотрены используемые в текущее время полупроводниковые силовые составляющие: полевые транзисторы

Электрическая компонентная база силовых устройств. Часть 3 Владимир Ланцов Саркис Эраносян

Рассмотрены используемые в текущее время полупроводниковые силовые составляющие: полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Повышенное внимание уделено встроенным силовым модулям (IPM). Изготовлен обзор компонент и российского, и забугорного производства.

Предшествующая статья: Электрическая компонентная база силовых устройств. Часть 2

В работе [1] указывается, что, невзирая на очень широкую номенклатуру компонент для современных силовых устройств (СУ), в рамках разумных ограничений может быть дать обзор компонентной базы для более обширно всераспространенных классов СУ, интересующий читателей. Это касается, сначала, компонент для импульсных источников вторичного электропитания (ИВЭ), разных инверторов и преобразователей, регуляторов напряжения, устройств управления электроприводом промышленного и специального предназначения и т. п. В главном предметом рассмотрения выбраны силовые электрические составляющие для внедрения в импульсных ИВЭ с мощностью более 500 Вт, для электроприводов и других СУ с мощностью до 40 кВт, а в неких случаях — до 100 кВт. Другими словами приемущественно рассматриваются свойства и особенности силовых электрических ключей на токи от 10-20 до 200-250 А и поболее, с напряжениями от 100 до 1200-4500 В и поболее, как российского, так и забугорного производства. Для иллюстрации способностей силовых устройств будут также приведены некие характеристики устройств на напряжения более 2000 В и токи более 1000 А. Конкретно в статьях [1, 2] были описаны:

  • низкочастотные и быстродействующие диоды и сборки частей, включая диоды Шоттки;
  • тиристоры: классические (триодные), запираемые (GTO, GCT, IGCT), оптотиристоры;
  • симисторы и оптосимисторы.

Отмечено, что на рынке силовой электроники в Рф в последние годы существенно продвинулись вперед российские предприятия — производители силовых электрических компонент, использующие передовые забугорные технологии и современное высокопроизводительное оборудование [3, 4].

Перейдем к рассмотрению структур, также особенностей и главных характеристик последующих классов современных силовых полупроводниковых устройств:

  • полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET);
  • биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT),
  • силовые модули, в том числе встроенные силовые модули (IPM).

Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)

Массивные полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным n- либо р-каналом производятся по схеме «металл — диэлектрик (окисел) — полупроводник (МДП, либо MOS)» и сокращенно именуются МОПТ, либо MOSFET. 1-ый силовой MOSFET, выпущенный International Rectifier в 1979 году, «отдал путевку в жизнь» этим новым, более совершенным, чем биполярные транзисторы, силовым устройствам. С конца 1980-х годов силовые высокочастотные MOSFET, в особенности на Западе, стали уверенно теснить господствовавшие ранее времени массивные биполярные транзисторы в спектре напряжений до 500-600 В и токов 8-10 А, применявшиеся, а именно, в импульсных ИВЭ [5]. Биполярные массивные высоковольтные (400-1000 В) транзисторы на токи 8-60 А, к примеру, такие как КТ846А, КТ872А, КТ8127, BU508, ВиХ48А, ВиУ98А, BUV298AV и другие, какое-то время еще применялись, благодаря низкой величине напряжения насыщения UCE (1-1,5 В), отлаженной технологии производства и сравнительной дешевизне. Но к середине 1990-х годов повышение допустимого напряжения (UDSS) полевых транзисторов MOSFET до 800 (900) В, токов (ID) до 15-20 А и, соответственно, допустимой мощности рассеивания (PD) с 100-125 до 195-280 Вт и поболее ознаменовало окончательную победу MOSFET. Немаловажную роль сыграло также общее их освоение, что всегда приводит к понижению цены изделий. Аналогично шел процесс вытеснения силовых модулей на базе биполярных транзисторов модулями на MOSFET и в особенности на IGBT.

В отличие от биполярных транзисторов, полевые транзисторы управляются напряжением (электронным полем) и потому имеют очень огромное входное сопротивление (мегаомы) [6]. Такие транзисторы нормально закрыты и открываются, если напряжение затвор-исток (G-S) добивается определенного порога (threshold) — UGS th, который для массивных высоковольтных MOSFET обычно составляет 3,5-6 В. Не считая того, к их плюсам следует отнести:

  1. Огромную перегрузочную способность в импульсном режиме, другими словами отношение меж очень допустимыми значениями импульсного тока стока
    к неизменному току стока ID (IDM/ID) обычно составляет для забугорных транзисторов 4.
  2. Линейную зависимость напряжения на открытом канале сток-исток (D-S) от протекающего тока стока ID при фактически неизменном сопротивлении (имеет место зависимость от температуры) открытого канала R DS on.
  3. Маленькое изменение сопротивления открытого состояния канала сток-исток RDS on не оказывает существенного воздействия при параллельном включении полевых транзисторов [7]. Если, к примеру, врубаются два полевых транзистора заместо 1-го, то выходит экономия в мощности утрат на открытом эквивалентном ключе ровно в 2 раза (при условии безупречного разделения тока и всепостоянстве RDS on). В то же время при параллельном включении 2-ух биполярных транзисторов (также при безупречном разделении тока) можно получить экономию мощности утрат в эквивалентном ключе исключительно в 1,1-1,2 раза.

Принципиально отметить, что при параллельном соединении MOSFET может быть появление паразитных высокочастотных (ВЧ) колебаний. В статье [8] рассмотрены предпосылки и способы устранения таких колебаний на примере MOSFET-транзисторов типа APT5024BLL (UDDSS = 500 В, ID = 22 А) компании Advance Power Technology (APT). Каждый транзистор меж затвором и выходом драйвера типа MIC4452 (Micrel) имел резистор сопротивлением 10 Ом. Паразитные ВЧ-колебания появлялись при скачках напряжения на стоке транзисторов в моменты переключения, при этом частота этих колебаний составляла 50-250 МГц. Напряжение на транзисторах было 333 В при импульсе тока амплитудой 44 А (при температуре 25 °С). Добавление индуктивного элемента (L) в виде ферритового цилиндра с отверстием по оси (Ferrite bead) в цепь затвора избавляло паразитные колебания с минимизацией утрат при переключении. Таковой метод применялся и ранее для угнетения паразитных колебаний при использовании биполярных ВЧ-транзисторов. Он более эффективен, чем просто внедрение резисторов в цепи затвора MOSFET, так как импеданс индуктивного элемента L прямо пропорционален частоте. Так, при ширине полосы пропускания сигнала с драйвера MIC4452 приблизительно 2 МГц частота паразитных ВЧ-колебаний (50-250 МГц) лежит существенно выше и потому отлично угнетается. Внедрение совместно с L резистора увеличивает эффект угнетения колебаний; при всем этом резистор может быть более низкоомным: 1-4,3 Ом.

Совместно с тем при использовании MOSFET нужно учесть также такие особенности и советы, как, к примеру, приведенные в [9]:

  • Необходимость устанавливать ограничители перенапряжений меж затвором и истоком, так как допустимое напряжение обычно не должно превосходить 20 В.
  • При активном запирании массивных высоковольтных транзисторов ток заряда емкости Миллера, «присоединенной» меж выводами сток-затвор, протекает по внутреннему импедансу генератора управляющего импульса. При всем этом он уменьшает (практически «выгрыза-ет») ток запирания отрицательного импульса, подаваемого в цепь затвор-исток (G-S).

Главные свойства MOSFET, которые приводятся в справочных данных:

  1. Предельные характеристики:
    • наибольшее напряжение сток-исток UDSS;
    • наибольший ток стока ID;
    • наибольшая рассеиваемая мощность PD (Ptot).
  2. Сопротивление открытого состояния канала сток-исток RDS on, обуславливающее статические утраты мощности на транзисторе.
  3. Пороговое напряжение отпирания на затворе UDS th.
  4. Характеристики быстродействия:
    • время задержки включения td on;
    • время нарастания сигнала в силовой цепи tr;
    • время задержки выключения td off
    • время спада сигнала t;
    • время восстановления оборотного сопротивления trr встроенного антипараллельного диодика.
  5. Энергия 1-го переключения (мкДж): Eon — при включении и Eoff— при выключении, другими словами суммарная энергия 1-го переключения составляет Etot. = Eon + Eoff.
  6. Энергия (мДж) разрушающего лавинного (avalanche) пробоя: EAR — для циклических импульсных перегрузок; EAS — для одиночного импульса.

Первыми русскими, по-настоящему сильными MOSFET (>400 В) были разработанные и выпускавшиеся с начала 1990-х годов n-канальные транзисторы КП809 производства ВЗПП (Воронеж) [10]. Они выпускаются и на данный момент на напряжение 400-750 В и токи 25-8 А соответственно. Эти транзисторы отлично себя зарекомендовали. Один из создателей статьи был в числе первых потребителей этих транзисторов и использовал КП809Б1 в массивных (1500 Вт) источниках бесперебойного питания [11].

Технические свойства неких российских и забугорных MOSFET приведены в таблице 1.

Таблица 1. Главные технические свойства массивных MOSFET< /p> Наименование Фирма Разработка UDSS, в ID, А (25 °С) PD, Вт RDS on, Ом MOПТ (MOSFET): tr/tf, нс Диодик: trr, нс (Qrr, мкК) Корпус [Rth JC], °C/Вт

Российские КП809А1 (ВЦ

АООТ «ВЗПП», Воронеж _ 400 (500) 9,6 100 0,3 (0,6)

50/100 нет

КТ-43В (ТО-218) КП812А1 _ 600 50 125 0,028 180 (0,8) КП450 _

500 12 150 0,4

66/60 — TO-218 [0,4] КП460 Завод «Эльтав», Махачкала 20 280 0,27 860 (8,6) TO-218 [0,8] 2П7160Г (Д) ОАО «ФЗМТ» _ 400 (500) 23 (20) 150 0,23 (0,2) -/150 — КТ-97C (ТО-258) [0,83] КП794А

ОАО «ОКБ «Искра»», Ульяновск

500 16

190 0,3

— —

КТ-43В (ТО-218) КП795А 14 0,4 2П (КП)7154АС

— 1200 50

875 0,35

70/90//300/70

Металлокерамический [0,14] 2П (КП)7154ВС 800 60 0,3 2П (КП)7154ВС 600 75 0,2

Забугорные lXFN66N50Q2

lXYS HiPerFET 500 66 735 0,08 16/10 250 (25,0) SOT-227B [0,17] 1ХРК70М6002 HiPerFET 600 70 890 0,08 25/12 250 (1,2) SOT-227B (lSOTOP) [0,14] lXFN60N80P HiPerFET 800 53 1040 0,14 29/26 250 (25,0) SOT-227B [0,17] lXFN38N80Q2 HiPerFET 800 38 735 0,22 16/12 250 (1,0) SOT-227B [0,17] lXFR38N100Q2 HiPerFET 1000 28 417 0,24 250 lSOPLUS-247 [0,3] lXFN38N100Q2 HiPerFET 1000 38 893 0,25 250 SOT-227B [0,14] lPW60R045CS

lnfineon CoolMOS 600 60 431 0,045 20/10 660 (17,0) PG-TO-247-3 [0,3] lPW60R099CS CoolMOS 600 31 255 0,099 5/5 450 (12,0) PG-TO-247-3 [0,5] lRFP460

lR HEXFET 500 20 280 0,27 77/43 570 (6,6) TO-247AC [0,45] lRFPS40N60K HEXFET 600 40 570 0,11 110/60 630 (14,0) Super-247 [0,22] APT6010B2LL

APT Power MOS 7 600 54 690 0,1 19/9 770 (18,0) T-MAX [0,25] APT60M60JLL Power MOS 7 600 70 694 0,06 16/12 950 (33,0) SOT-227B (lSOTOP) [0,18] APT10021JLL Power MOS 7 1000 37 690 0,21 9/11 300 (1,8) (lSOTOP) [0,18] APT12031JLL Power MOS 7 1200 30 690 0,31 16/30 1400 (38,0) (lSOTOP) [0,18]

Малая номенклатура массивных полевых транзисторов в 1990-е годы, ну и на данный момент тоже, возмещается за счет импорта забугорных MOSFET. Они способны работать в широком спектре мощностей, напряжений и токов, также владеют более высочайшими показателями свойства и надежности. Чтоб выжить в тех непростых критериях, в конце 1990-х гг. некие предприятия в Рф и странах СНГ, на базе закупки привезенных из других стран полупроводниковых кристаллов, корпусов, материалов, также оборудования, стали полулегально и законно налаживать выпуск отлично узнаваемых моделей забугорных полевых транзисторов. В большей степени это задело транзисторов компании International Rectifier (IR), к примеру, таких как IRF640-RF840, IRFP350-IRFP460 (табл. 1).

В последние годы, в связи с возрождением русского ВПК и отчасти индустрии, положение с выпуском российских массивных MOSFET, как низковольтных, так и высоковольтных, стало изменяться в наилучшую сторону. В этой связи отметим транзисторы типа 2П7160 (Г, Д), выпускаемые ОАО «Фрязинский завод массивных транзисторов» [12]. Эти транзисторы имеют последующие свойства: UDSS = 400 В (500 В), ID = 23 А (20 А), PD^ 150 Вт, RDS onn = 0,23 Ом (0,2 Ом). Транзисторы 2П7160 (Г, Д) выпускаются по техническим условиям АЕЯР.432140.374ТУ. ОАО «ОКБ «Искра»» вместе с ОАО «Ангстрем» (Зеленоград) разработало мощнейший высоковольтный DMOSFET-транзистор (другими словами транзистор со интегрированным «антипараллельным» диодиком) с поликремниевым затвором серии 2П (КП)715 [3, 13]. Транзистор имеет напряжение UDSSS = 600-1200 В, ток стока ID = 50-75 А, сопротивление RDS on = 0,08-0,3 Ом и низкие утраты при переключении. Конструкция и разработка производства транзистора обеспечивают высочайшие характеристики быстродействия за счет низких значений входной, выходной и проходной емкостей, также малой величины заряда затвора. Кристаллы транзистора устанавливаются в специально спроектированный металлокерамический корпус с безындуктивными выводами. Корпус имеет высшую теплопроводимость благодаря применению в качестве изолятора оксида бериллия (ВеО) и имеет широкий спектр рабочих температур (от -60 до 150 °С). Прибор с фуррором может применяться в СВЧ-устройствах и ВЧ-преобразователях, а именно, в резонансных режимах на частотах 200 кГц и выше.

Посреди других новых MOSFET укажем на разработку массивных n-канальных DMOSFET-транзисторов с напряжениями UDSS — 30, 60, 100, 200, 600, 800 и 1200 В на токи ID = 10-80 А (30 типономиналов транзисторов) и мощность рассеяния 150-200 Вт. НИОКР выполнена в 2007 -2008 годах ОАО «ОКБ «Искра»» [13] вместе с ОАО »Ангстрем» [14]. Транзисторы создавались для спецтехники, получили наименование 2П2829А-Ж и были выполнены в дискретных корпусах типа КТ-105-1 (аналог ТО-259АА), КТ43 (ТО-247), КТ-97 (ТО-254). Транзисторы 2П829А9-Ж9 выполнены в корпусах для поверхностного монтажа — SMD-корпусах типа КТ106-1 (SHD-6), КТ-95 (SMD-2) и др. Надежность транзисторов был