Силовое полупроводниковое устройство — полупроводниковое устройство, используемое в качестве переключателя или выпрямителя в силовой электронике (например, в импульсном источнике питания ). Такое устройство также называется силовым устройством или, при использовании в интегральной схеме , силовой ИС .
Силовое полупроводниковое устройство обычно используется в «режиме коммутации» (т. е. оно либо включено, либо выключено), и поэтому его конструкция оптимизирована для такого использования; его обычно не следует использовать в линейном режиме. Линейные силовые цепи широко распространены в качестве стабилизаторов напряжения, усилителей звука и усилителей радиочастоты.
Силовые полупроводники используются в системах, обеспечивающих мощность всего от нескольких десятков милливатт для усилителя для наушников и до примерно гигаватта в высоковольтной линии передачи постоянного тока .
Первым электронным устройством, использованным в силовых цепях, был электролитический выпрямитель - ранняя версия была описана французским экспериментатором А. Нодоном в 1904 году. Некоторое время они пользовались популярностью среди первых радиоэкспериментаторов, поскольку их можно было изготовить из алюминиевых листов и бытовой химии. . Они имели низкое выдерживаемое напряжение и ограниченный КПД. [1]
Первыми твердотельными силовыми полупроводниковыми приборами были выпрямители из оксида меди, которые использовались в ранних зарядных устройствах и источниках питания для радиоаппаратуры, анонсированных в 1927 году Л. О. Грюндалем и П. Х. Гейгером. [2]
Первый силовой полупроводниковый прибор из германия появился в 1952 году, когда Р. Н. Холл представил силовой диод . Он имел способность блокировки обратного напряжения 200 В и номинальный ток 35 А.
Германиевые биполярные транзисторы с значительной мощностью (ток коллектора 100 мА) были представлены примерно в 1952 году; По сути, они имеют ту же конструкцию, что и сигнальные устройства, но имеют лучший теплоотвод. Возможности управления мощностью быстро развивались, и к 1954 году стали доступны переходные транзисторы из германиевого сплава с рассеиваемой мощностью 100 Вт. Все это были относительно низкочастотные устройства, работавшие при частоте примерно до 100 кГц и температуре перехода до 85 градусов Цельсия. [3] Кремниевые силовые транзисторы не производились до 1957 года, но когда они были доступны, они имели лучшую частотную характеристику, чем германиевые устройства, и могли работать при температуре перехода до 150°С.
Тиристор появился в 1957 году. Он способен выдерживать очень высокое напряжение обратного пробоя , а также способен проводить большой ток. Однако одним из недостатков тиристора в переключающих схемах является то, что однажды он становится «фиксированным» в проводящем состоянии; его нельзя отключить внешним управлением, так как отключение тиристора пассивное, т. е. питание устройства должно быть отключено. Тиристоры, которые можно было отключить, называемые тиристорами с затвором-затвором (GTO), были представлены в 1960 году. [4] Они преодолевают некоторые ограничения обычного тиристора, поскольку их можно включать и выключать с помощью приложенного сигнала.
Прорыв в силовой электронике произошел с изобретением MOSFET ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом из Bell Labs в 1959 году. Поколения MOSFET-транзисторов позволили разработчикам источников питания достичь недостижимого уровня производительности и плотности. с биполярными транзисторами. [5] Благодаря усовершенствованиям в технологии МОП-транзисторов (первоначально использовавшихся для производства интегральных схем ), силовые МОП-транзисторы стали доступны в 1970-х годах.
В 1969 году компания Hitachi представила первый вертикальный силовой МОП-транзистор [6] , который позже стал известен как VMOS (MOSFET с V-образной канавкой). [7] С 1974 года Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony и Toshiba начали производство аудиоусилителей с мощными МОП-транзисторами. [8] Компания International Rectifier представила силовой МОП-транзистор на 25 А, 400 В в 1978 году. [9] Это устройство позволяет работать на более высоких частотах, чем биполярный транзистор, но ограничено приложениями с низким напряжением.
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) был разработан в 1980-х годах и стал широко доступен в 1990-х годах. Этот компонент обладает мощностью биполярного транзистора и преимуществами изолированного привода затвора силового МОП-транзистора.
Некоторые распространенные силовые устройства — это силовой МОП-транзистор , силовой диод , тиристор и IGBT . Силовой диод и силовой МОП-транзистор работают по тем же принципам, что и их маломощные аналоги, но способны проводить больший ток и обычно способны выдерживать большее напряжение обратного смещения в выключенном состоянии .
В силовом устройстве часто вносятся структурные изменения, чтобы обеспечить более высокую плотность тока, более высокую рассеиваемую мощность и/или более высокое напряжение обратного пробоя. Подавляющее большинство дискретных ( т. е. неинтегрированных) силовых устройств построено с использованием вертикальной структуры, тогда как устройства слабого сигнала имеют горизонтальную структуру. При вертикальной структуре номинальный ток устройства пропорционален его площади, а возможность блокировки напряжения достигается за счет высоты кристалла. При такой конструкции один из выводов устройства расположен в нижней части полупроводникового кристалла .
Силовой МОП-транзистор является наиболее распространенным силовым устройством в мире благодаря низкой мощности управления затвором, высокой скорости переключения и расширенным возможностям параллельного подключения. [10] Он имеет широкий спектр силовых электронных приложений, таких как портативные информационные устройства , силовые интегральные схемы, сотовые телефоны , ноутбуки и коммуникационная инфраструктура , обеспечивающая доступ в Интернет . [11] По состоянию на 2010 год силовые МОП-транзисторы составляют большую часть (53%) рынка силовых транзисторов, за ними следуют IGBT (27%), затем ВЧ-усилители (11%), а затем транзистор с биполярным переходом (9). %). [12]
Силовое устройство можно отнести к одной из следующих основных категорий (см. рисунок 1):
Другая классификация менее очевидна, но оказывает сильное влияние на производительность устройства:
Устройство с основной несущей работает быстрее, но впрыск заряда в устройствах с неосновной несущей обеспечивает лучшую производительность в открытом состоянии.
Идеальный диод должен иметь следующие характеристики:
На самом деле конструкция диода представляет собой компромисс между характеристиками во включенном, выключенном состоянии и коммутации. Действительно, одна и та же область устройства должна выдерживать блокирующее напряжение в выключенном состоянии и пропускать ток во включенном состоянии; поскольку требования к двум состояниям совершенно противоположны, диод необходимо либо оптимизировать под одно из них, либо дать время на переключение из одного состояния в другое (т. е. нужно уменьшить скорость коммутации).
Эти компромиссы одинаковы для всех силовых устройств; например, диод Шоттки имеет отличную скорость переключения и характеристики в открытом состоянии, но высокий уровень тока утечки в выключенном состоянии. С другой стороны, в продаже имеется PIN-диод с разной скоростью коммутации (так называемые «быстрые» и «сверхбыстрые» выпрямители), но любое увеличение скорости обязательно связано с снижением производительности во включенном состоянии.
Для переключателя также существует компромисс между номинальными напряжениями, токами и частотой. Фактически, любой силовой полупроводник использует структуру PIN-диода для поддержания напряжения; это можно увидеть на рисунке 2. Силовой МОП-транзистор имеет преимущества устройства с основной несущей, поэтому он может достигать очень высокой рабочей частоты, но его нельзя использовать при высоких напряжениях; поскольку это физический предел, никаких улучшений в конструкции кремниевого МОП-транзистора в отношении его максимального номинального напряжения не ожидается. Однако его превосходные характеристики в приложениях с низким напряжением делают его предпочтительным устройством (фактически единственным выбором на данный момент) для приложений с напряжением ниже 200 В. Путем параллельного размещения нескольких устройств можно увеличить номинальный ток переключателя. МОП-транзистор особенно подходит для этой конфигурации, поскольку его положительный термический коэффициент сопротивления приводит к балансу тока между отдельными устройствами.
IGBT является новым компонентом, поэтому его характеристики регулярно улучшаются по мере развития технологий. Он уже полностью заменил биполярный транзистор в силовых приложениях; доступен модуль питания , в котором несколько устройств IGBT соединены параллельно, что делает его привлекательным для уровней мощности до нескольких мегаватт, что расширяет границы, при которых тиристоры и GTO становятся единственным вариантом. По сути, IGBT представляет собой биполярный транзистор, управляемый силовым МОП-транзистором; у него есть преимущества, заключающиеся в том, что он является устройством с неосновной несущей (хорошие характеристики во включенном состоянии даже для устройств высокого напряжения) с высоким входным сопротивлением полевого МОП-транзистора (его можно включать и выключать с очень низкой мощностью) .
Основным ограничением IGBT для приложений с низким напряжением является высокое падение напряжения, которое он демонстрирует во включенном состоянии (от 2 до 4 В). По сравнению с МОП-транзистором рабочая частота IGBT относительно низкая (обычно не выше 50 кГц), главным образом из-за проблемы во время выключения, известной как « хвост тока» : медленное затухание тока проводимости во время выключения. из-за медленной рекомбинации большого количества носителей, которые заполняют толстую «дрейфовую» область IGBT во время проводимости. Конечным результатом является то, что потери при переключении IGBT значительно превышают потери при включении. Обычно в таблицах данных энергия выключения упоминается как измеряемый параметр; это число необходимо умножить на частоту переключения предполагаемого приложения, чтобы оценить потери при выключении.
При очень высоких уровнях мощности по-прежнему часто используются устройства на основе тиристоров (например, SCR , GTO, MCT и т. д.). Это устройство можно включить импульсом, подаваемым управляющей схемой, но нельзя выключить, убрав импульс. Тиристор выключается, как только через него прекращается ток; это происходит автоматически в системе переменного тока в каждом цикле или требует наличия схемы со средствами отвода тока вокруг устройства. И MCT, и GTO были разработаны для преодоления этого ограничения и широко используются в приложениях распределения электроэнергии .
Некоторые применения силовых полупроводников в импульсном режиме включают диммеры ламп , импульсные источники питания , индукционные плиты , автомобильные системы зажигания , а также приводы электродвигателей переменного и постоянного тока всех размеров.
Усилители работают в активной области, где ток и напряжение устройства не равны нулю. Следовательно, мощность постоянно рассеивается, и в ее конструкции преобладает необходимость отвода избыточного тепла от полупроводникового устройства. Устройства усилителей мощности часто можно распознать по радиатору , используемому для их крепления. Существует несколько типов силовых полупроводниковых усилителей, таких как биполярный переходной транзистор, вертикальный полевой МОП-транзистор и другие. Уровни мощности отдельных усилителей достигают сотен ватт, а пределы частоты — до нижних микроволновых диапазонов. Полный усилитель мощности звука с двумя каналами и номинальной мощностью порядка десятков ватт можно поместить в небольшой корпус интегральной схемы, для работы которого потребуется всего лишь несколько внешних пассивных компонентов. Еще одним важным применением усилителей активного режима являются линейные регулируемые источники питания, когда усилительное устройство используется в качестве стабилизатора напряжения для поддержания напряжения нагрузки на желаемом уровне. Хотя такой источник питания может быть менее энергоэффективным, чем импульсный источник питания , простота применения делает его популярным, особенно в диапазонах тока до одного ампера.
Роль упаковки заключается в следующем:
Многие проблемы с надежностью силового устройства связаны либо с чрезмерной температурой, либо с усталостью из-за термоциклирования. В настоящее время проводятся исследования по следующим темам:
Также продолжаются исследования по электрическим вопросам, таким как снижение паразитной индуктивности упаковки; эта индуктивность ограничивает рабочую частоту, поскольку генерирует потери при коммутации.
Низковольтный МОП-транзистор также ограничен паразитным сопротивлением его корпуса, поскольку его собственное сопротивление в открытом состоянии составляет всего один или два миллиома.
Некоторые из наиболее распространенных типов силовых полупроводниковых корпусов включают ТО-220, ТО-247, ТО-262, ТО-3, Д 2 Пак и т. д.
Конструкция IGBT все еще находится в стадии разработки, и можно ожидать, что она обеспечит увеличение рабочего напряжения. В конце диапазона высоких мощностей многообещающим устройством является МОП-управляемый тиристор. Достижение значительного улучшения по сравнению с традиционной структурой МОП-транзистора за счет использования принципа баланса заряда суперперехода: по сути, он позволяет сильно легировать область толстого дрейфа силового МОП-транзистора, тем самым уменьшая электрическое сопротивление потоку электронов без ущерба для напряжения пробоя. Это соседствует с областью, которая аналогичным образом легирована противоположной полярностью носителей ( дырками ); эти две похожие, но противоположно легированные области эффективно компенсируют свой подвижный заряд и образуют «обедненную область», которая поддерживает высокое напряжение в выключенном состоянии. С другой стороны, во включенном состоянии более высокое легирование области дрейфа обеспечивает легкий поток носителей, тем самым снижая сопротивление открытого состояния. Коммерческие устройства, основанные на этом принципе суперперехода, были разработаны такими компаниями, как Infineon (продукты CoolMOS) и International Rectifier (IR).
Главный прорыв в силовых полупроводниковых устройствах ожидается от замены кремния полупроводником с широкой запрещенной зоной. На данный момент наиболее перспективным считается карбид кремния (SiC). В продаже имеется SiC-диод Шоттки с напряжением пробоя 1200 В, а также JFET на 1200 В. Поскольку оба устройства являются устройствами с большинством операторов связи, они могут работать на высокой скорости. Разрабатывается биполярное устройство для более высоких напряжений (до 20 кВ). Среди своих преимуществ карбид кремния может работать при более высокой температуре (до 400 °C) и имеет более низкое термическое сопротивление , чем кремний, что обеспечивает лучшее охлаждение.
Эти активные электронные компоненты, или силовые полупроводниковые продукты, от Siliconix используются для переключения и преобразования энергии в широком спектре систем, от портативных информационных устройств до коммуникационной инфраструктуры, обеспечивающей доступ в Интернет. Силовые МОП-транзисторы компании — крошечные твердотельные переключатели или металлооксидно-полупроводниковые полевые транзисторы — и силовые интегральные схемы широко используются в сотовых телефонах и ноутбуках для эффективного управления зарядом аккумулятора.