Как и все мощные полупроводниковые приборы, мощные МОП ПТ имеют свои собственные технические тонкости, которые должны правильно пониматься, если разработчик хочет добиться максимума в их применении. Далее будут объяснены некоторые из самых общих вопросов, что можно делать и чего нельзя при использовании мощных МОП ПТ.

Мощные МОП ПТ имеют много преимуществ перед обычными биполярными транзисторами, как в линейном режиме, так и в режиме переключения. Эти преимущества включают в себя очень быстрое переключение, отсутствие вторичного пробоя, широкую область безопасной работы и очень высокий коэффициент усиления. Типовые применения: высокочастотные импульсные источники питания, системы преобразователей для управления скоростью вращения двигателей, ВЧ генераторы для индукционного нагрева и др.

Существуют несколько основных типов мощных МОП ПТ. Первоначальные разработки использовали структуры с U- и V-канавками. Сейчас разработчики топологии кристалла приходят к вертикальной структуре с конфигурацией истока в виде замкнутых ячеек. В такой технологии ток протекает вертикально через тело стока, затем горизонтально через канал и вертикально вытекает из истока. При этом затвор выполнен в виде гексагональной структуры (шестиугольников) равномерно, покрывающей всю площадь кристалла. В такой технологии интегрально присутствует обратный диод, за счет наличия p-n перехода исток-сток.

Прикладываемое к затвору напряжение устанавливает поле в области канала, при этом модулируется сопротивление канала. Затвор изолирован от тела прибора электрически. В результате этого полевой транзистор имеет практически бесконечное входное сопротивление постоянному току, однако за счет этого появляется паразитные емкости - CЗИ, СЗС. Эти емкости в значительной степени определяют сложности, возникающие при применении мощных полевых транзисторов.

Выбросы напряжения затвор-исток

Избыточное напряжение будет пробивать тонкий слой окисла затвор-исток, что приведет к выходу прибора из строя. Это кажется очевидным, однако пути появления избыточного напряжения затвор-исток могут оказаться совершенно неожиданными.

Как говорилось ранее, паразитные емкости затвор исток и затвор-сток образуют емкостной делитель между стоком и истоком. Если предположить, что импеданс источника запуска высокий, то окажется, что любое повышение напряжения сток-исток (например, включение верхнего транзистора в стойке) вызовет переходной процесс, при этом напряжение на выводах затвор-исток будет обусловлено величиной емкостей сток-затвор и затвор исток. Таким образом совершенно реальна ситуация при которой на затворе появится напряжение, достаточное для пробоя тонкого слоя окисла.

Эта проблема накладывает ограничения на скорости переключения полевых транзисторов, а также предъявляет жесткие требования к источнику запуска транзистора.

Запуск затвора и требования к мощным МОП ПТ

Обычный биполярный транзистор является прибором управляемым током, ток должен подаваться между выводами базы и эмиттера. Величина тока запуска зависит от коэффициента усиления по току.

МОП ПТ - прибор, который существенно отличается по физическому принципу действия. Это прибор управляемый напряжением. Для того, чтобы создать ток в стоке, необходимо приложить напряжение между выводами затвора и истока. Так как затвор электрически изолирован от истока, то теоретически ток в затвор не втекает, однако в мощных полевых транзисторах всегда присутствует входная емкость затвор-исток. Причем ее величина в современных ключах составляет величины 800 - 10000 пФ.

Простой подсчет: ток необходимый для заряда емкости в 1000 пФ до 10 В за 10 нс, показывает что для такого случая эта емкость должна заряжаться током в 1А. А ведь скорость включения 10 нс - величина абсолютно реальная, напряжение отсечки составляет в современных транзисторах величины от 4 до 10 В, а емкости достигают 10000 пФ. Как видим, схема запуска полевого транзистора должна быть способна выдать в затвор ток в 1А для одного из самых легких случаев.

Запуск полевых транзисторов от логики

Для большинства логических схем напряжение единичного уровня находится на уровне 2.4 - 2.7 В, что является недостаточным для включения полевого транзистора. Использование микросхем с открытым коллектором и применением внешнего резистора подтяжки позволяет получить значение уровня напряжения на затворе в 5 В, однако для низковольтных полевых транзисторов при напряжении затвор-исток 5 В ток стока составляет менее половины от номинального. Кроме того логические микросхемы обычно не могут выдавать значительные выходные токи, поэтому время включения/выключения данных приборов будет велико.

Фирма Internetional Rectifier предлагает на рынке полевые транзисторы с управлением от логики. В данных приборах уменьшена толщина слоя окисла затвор-исток, что позволило добиться снижения напряжения отсечки. Таким образом этими приборами можно управлять от логических схем с внешней подтяжкой, однако эти приборы имеют ряд существенных отличий.

Хотя производитель утверждает, что приборы запускаемые от логических схем являются полными аналогами своих собратьев, и действительно нормы по току и сопротивлению во включенном состоянии остаются прежними, некоторые параметры подверглись существенным изменениям. Основным является уменьшение слоя окисла затвора. Это приводит к увеличению входной емкости, что снижает частотные характеристики прибора. Понижается безопасное напряжение затвор-исток, что может привести к более быстрому выходу прибора из строя. Однако разработчик получает выигрыш в стоимости схемы управления и получает упрощение схемотехники схем запуска.

В большинстве случаев разработчик привязан к конкретному типу приборов, и обеспечивать запуск ему нужно с уровнями напряжения 10 В и выше.

Одним из самых изящных решений является включение буфера тока с повышенным выходным напряжением на комплементаром эмиттерном повторителе.

Данное схемотехническое решение позволяет получить уровни напряжения затвор-исток до 10 В, ток затвора до 1 А, а время включения транзистора на уровне 40 нс.

Подобное решение широко применяется на практике.

Буферные каскады могут строится на ВЧ полевых комплементарных транзисторах. Однако необходимо обращать внимание на импеданс схемы запуска. При большом импедансе, что характерно особенно для КМОП микросхем, можно существенно повысить опасность превышения допустимого значения напряжения затвор-исток.

Допустимый импульсный ток

Полевые транзисторы являются приборами на основных носителях заряда. В силу преимуществ технологии величина пикового тока, пропускаемого через тело прибора, ограничивается лишь способностью прибора выдать полученную энергию и рассеять ее. Таким образом величина импульсного тока зависит лишь от величины теплового сопротивления прибора. Также в полевых транзисторах отсутствует вторичный пробой, что не ограничивает величину импульсного тока. Однако в справочной литературе приведены допустимые значения импульсных токов, которые гарантируют долгосрочную надежность работы приборов.

В небольшом импульсе полевой транзистор может выдержать такой ток, который не перегреет кристалл и не приведет к его разрушению. Для современных полевых транзисторов величину допустимого импульсного тока устанавливают на уровне ~ 4 Id , то есть в четыре раза превышающим средний ток для данного типа приборов при 25 С.

Использование встроенного обратного диода

По современной технологии изготовления мощных полевых транзисторов в кристалле образуется встроенный интегральный диод тело-сток, который можно применять во многих схемах, требующих обратного диода. Так как площадь кристалла, отведенная под p-n переход встроенного диода, соразмерна площади канала полевого транзистора это означает что интегральный диод способен выдерживать токи, с которыми работает полевой транзистор.

Однако обратный диод обладает эффектом восстановления неосновных носителей заряда. Это предоставляет потенциальную проблему выключения выпрямительного диода. Интегральный диод МОП ПТ относительно быстрый, не такой быстрый как существующие сверхвысокочастотные выпрямительные дискретные диоды, но существенно более быстрые чем универсальные мощные выпрямительные диоды. По сравнению с МОП ПТ скорость переключения интегрального диода ниже чем скорость переключения транзистора, поэтому в некоторых схемах скорость переключения может ограничиваться встроенным диодом. В таких случаях можно использовать параллельно-последовательное включение высокочастотных дискретных диодов, имеющих малое время рассасывания неосновных носителей.

Основные области применения полевых транзисторов - преобразователи постоянного в постоянное напряжения, блоки управления электродвигателями. В этих задачах не требуется сверхбыстрое переключение, и поэтому разработчика может удовлетворить характеристика переключения встроенных диодов.

Существенной проблемой является работа стойки полумоста преобразователя на индуктивную нагрузку, тогда может появиться ситуация, когда один из транзисторов стойки уже открыт, а обратный диод еще не восстановил свои запирающие свойства. Тогда через цепь с низким импедансом: источник питания - открытый транзистор - восстанавливающийся диод потечет ток восстановления обратного диода, который может превысить допустимый импульсный ток полевого транзистора и вывести прибор из строя. Избавиться от такой проблемы можно ограничив скорость включения полевых транзисторов увеличивая импеданс схемы запуска.

Скорость переключения, способность выдерживать большие пиковые токи, легкость управления, ширина области безопасной работы, устойчивость к лавинному пробою, высокие возможные скорости dv/dt дают основания использовать мощные МОП ПТ в новейших изделиях силовой электроники. Эти достоинства, действительно присущие приборам с одним типом носителей, частично ослабляются их характеристиками проводимости, которые сильно зависят от температуры окружающей среды и уровня напряжения. БТИЗ, с другой стороны, являясь приборами на ННЗ, имеет более высокие характеристики проводимости, обладая также многими достоинствами МОП ПТ (легкость управления, широкая область безопасной работы, способность к пиковому току). Вообще, скорость переключения БТИЗ ниже, чем у МОП ПТ, однако новое поколение БТИЗ фирмы IR имеет характеристики переключения близкие к МОП ПТ, сохраняя более высокие характеристики проводимости.

В технологии изготовления БТИЗ фирмы Internetional Rectifier отсутствует интегральный обратный диод, что дает разработчику большую гибкость в выборе дискретного внешнего обратного диода.

Как можно увидеть из эквивалентной схемы, падение напряжения в БТИЗ состоит из падения напряжения на p-n переходе и управляющем МОП транзисторе. Таким образом, в отличии от МОП ПТ, падение напряжения на БТИЗ никогда не будет ниже падения напряжения на открытом диоде. С другой стороны - падение напряжения на управляющем МОП ПТ очень мало, как для всех низковольтных транзисторов.

БТИЗ имеют следующие отличия от полевых транзисторов:

    1) при увеличении температуры падение напряжения на открытом транзисторе уменьшается (это является недостатком - при увеличении тока, прибор начинает пропускать еще больший ток);

    2) для токов близких к предельным, при увеличении напряжения затвор-исток напряжение коллектор-эмиттер уменьшается;

    3) падение напряжения коллектор-эмиттер для БТИЗ практически не зависит от диапазона рабочих напряжений и токов, тогда как МОП ПТ имеют параметр RDS-ON - сопротивление в открытом состоянии, которое для транзисторов на 1000 В имеет значение ~1 2 Ом.

Характеристики переключения БТИЗ

Наибольшее ограничение по скорости переключения БТИЗ заключается во времени жизни ННЗ в базе p-n-p транзистора. Так как эта база недоступна извне, то никакие внешние схемы не могут быть использованы для воздействия на время рассасывания. Однако p-n-p транзистор включен по схеме псевдо-Дарлингтона и не находится в большой степени насыщения, его время выключения много лучше чем у подобного транзистора в сильном насыщении. Из-за процессов накопления-рассасывания зарядов возможны всплески тока даже при переключении транзисторов полумоста при нулевом напряжении.

Можно сделать такие выводы. БТИЗ имеют ряд преимуществ перед МОП ПТ, но и некоторые недостатки. При выборе соответствующего типа прибора, который будет использован в преобразователе необходимо четко определить ту область, в которой он будет применен и взвесив все "за и против" применять ссответствующий тип приборов.

Более подробно сравнение различных типов приборов будет приведено в следующем разделе.

Как говорилось ранее каждый из типов полупроводниковых приборов имеет свои преимущества и недостатки. В некоторых случаях преимущества преобладают, однако при изменении внешних условий данный тип прибора уже не может конкурировать с другими. Так например биполярные транзисторы хорошо использовать на низких частотах, однако при увеличении рабочей частоты и норм рабочих токов они не могут конкурировать с полевыми транзисторами.

Более подробно целесообразность применения того или иного типа полупроводниковых приборов в преобразовательной технике мы рассмотрим в данном разделе на основании сравнения свойств биполярных транзисторов с полевыми и БТИЗ с МОП ПТ. В качестве основного типа приборов для сравнения выберем полевые транзисторы, так как масштабы их использования в силовой электронике за последнее время очень сильно выросли.

Сравнение силовых биполярных и полевых транзисторов

Как было показано в разделе посвященном силовым МОП ПТ, они имеют множество преимуществ перед биполярными транзисторами. Это выражается в более высоких скоростях переключения, более широкой области безопасной работы (причина - работа на основных носителях ==> отсутствие рассасывания и лавинного пробоя), а также способность к более высоким пиковым токам - следствие улучшения технологии изготовления. Однако потери в статическом режиме для полевых транзисторов (особенно высоковольтных) существенно выше чем в биполярных транзисторах.

Следовательно можно сказать что рабочая мощность в биполярных транзисторах существенно ниже чем в полевых, однако энергия переключения существенно выше. Это обуславливает применение биполярных транзисторов на низких частотах, когда частота переключений невелика и динамические потери малы.

С целью устранения разницы в работе биполярных и полевых транзисторов на высоких частотах недавно были разработаны новые типы силовых БПТ с временем переключения 100 200 нс. Сравним зависимость потерь от частоты для нового типа биполярного транзистора, стандартного БПТ 2N6542 и полевого транзистора IRF330 как функцию от частоты.

Эксперимент был проведен для индуктивной нагрузки с ограничением выбросов напряжения для тока 2.5 А при коэффициенте заполнения импульсов управления 0.33.

Как видно из рисунка для данных типов полупроводниковых приборов существуют две характерные точки (~20 и 35 кГц). При этом с повышением частоты потери для полевого транзистора практически не увеличиваются. Кроме того, на рис. Приведены мощности рассеиваимые только внутри прибора. В схеме запуска "быстрого" биполярного транзистора рассеивается дополнительная мощность в 1.3 Вт, что соответственно "поднимает" его характеристику.

Отсюда можно сделать качественный вывод - применение полевых транзисторов, при прочих равных условиях, целесообразно на высоких частотах. Однако простота схем управления полевыми транзисторами и их прочие преимущества зачастую превышают несущественный выигрыш по потерям в сравнении с биполярными транзисторами.

Сравнение МОП ПТ и БТИЗ

В разделе посвященном БТИЗ некоторые преимущества этого типа приборов уже приводились. Так по схемам запуска можно считать силовые МОП ПТ и БТИЗ тождественными (каждый прибор имеет изолированный затвор с практически идентичной технологией изготовления). Поэтому системы управления можно использовать одинаковые и многие фирмы производители не делают различия между системами управления для МОП ПТ и БТИЗ.

Так как силовая часть каждого прибора имеет существенные различия, то соответственно потери проводимости и переключения для МОП ПТ и БТИЗ будут существенно отличаться.

В МОП ПТ фактически модулируется сопротивление канала транзистора. Однако минимальное значение сопротивления канала для разных приборов очень сильно отличается. Так для полевых транзисторов рассчитанных на высокие напряжения эта величина достигает значения в несколько Ом, соответственно потери проводимости пропорциональны I2R. Падение напряжения сток-исток для высоковольтных полевых транзисторов во включенном сотоянии (проводит ток) составляет десятки вольт.

Для БТИЗ понятие сопротивление коллектор-эмиттер отсутствует. Есть напряжение насыщения UКЭ НАС которое практически не зависит от диапазона рабочих токов и лежит в диапазоне 1.5 3.5 В.

Соответственно потери проводимости для высоковольтных модулей для БТИЗ существенно ниже. Для низковольтных модулей, рассчитанных на большой ток, эта проблема является несущественной. Так существуют полевые транзисторы с сопротивлением сток-исток 5 мОм, что для рабочих токов в 100А составит падение напряжения всего 0.5 В.

Однако потери переключения для БТИЗ будут значительно выше чем у полевых транзисторов, так как они являются приборами на ННЗ и существует проблема рассасывания ННЗ в базе в момент выключения прибора.

Таким образом область применения БТИЗ можно определить следующей:

приложения в высоковольтной области при больших токах и средней рабочей частоте 10 20 кГц.

Сравнительная таблица