stringtranslate.com

Силовой полупроводниковый прибор

Силовой полупроводниковый прибор — это полупроводниковый прибор, используемый в качестве переключателя или выпрямителя в силовой электронике (например, в импульсном источнике питания ). Такой прибор также называется силовым прибором или, при использовании в интегральной схеме , силовой ИС .

Силовой полупроводниковый прибор обычно используется в «режиме коммутации» (т. е. он либо включен, либо выключен), и поэтому имеет конструкцию, оптимизированную для такого использования; его обычно не следует использовать в линейном режиме. Линейные силовые схемы широко распространены в качестве регуляторов напряжения, аудиоусилителей и усилителей радиочастот.

Силовые полупроводники используются в системах, обеспечивающих мощность от нескольких десятков милливатт для усилителя наушников до примерно гигаватта в высоковольтной линии передачи постоянного тока.

История

Первым электронным устройством, использованным в силовых цепях, был электролитический выпрямитель — ранняя версия была описана французским экспериментатором А. Нодоном в 1904 году. Они были недолго популярны среди ранних радиоэкспериментаторов, поскольку их можно было изготовить из алюминиевых листов и бытовой химии. Они имели низкое выдерживаемое напряжение и ограниченную эффективность. [1]

Первыми твердотельными силовыми полупроводниковыми приборами были выпрямители на основе оксида меди, использовавшиеся в первых зарядных устройствах для аккумуляторов и источниках питания для радиооборудования, о создании которых объявили в 1927 году Л. О. Грюндаль и П. Х. Гейгер. [2]

Первый германиевый силовой полупроводниковый прибор появился в 1952 году с введением Р. Н. Холлом силового диода . Он имел способность блокировки обратного напряжения 200 В и номинальный ток 35 А.

Германиевые биполярные транзисторы с существенными возможностями управления мощностью (ток коллектора 100 мА) были представлены около 1952 года; по сути, с той же конструкцией, что и у сигнальных устройств, но с лучшим теплоотводом. Возможности управления мощностью быстро развивались, и к 1954 году стали доступны германиевые сплавные транзисторы с рассеиваемой мощностью 100 Вт. Все они были относительно низкочастотными устройствами, использовавшимися примерно до 100 кГц и температурой перехода до 85 градусов Цельсия. [3] Кремниевые силовые транзисторы не производились до 1957 года, но когда они появились, имели лучшую частотную характеристику, чем германиевые устройства, и могли работать при температуре перехода до 150 °C.

Тиристор появился в 1957 году. Он способен выдерживать очень высокое обратное пробивное напряжение , а также способен проводить большой ток. Однако один из недостатков тиристора в коммутационных цепях заключается в том, что как только он становится «запертым» в проводящем состоянии, его нельзя выключить внешним управлением, поскольку выключение тиристора пассивно, т. е. питание должно быть отключено от устройства. Тиристоры, которые можно было выключить, называемые тиристорами с затворным выключением (GTO), были введены в 1960 году. [4] Они преодолевают некоторые ограничения обычного тиристора, поскольку их можно включать или выключать с помощью приложенного сигнала.

Мощность МОП-транзистора

МОП-транзистор был изобретен в лабораториях Белла между 1955 и 1960 годами [5] [6] [7] [8] [9] [10] Поколения МОП-транзисторов позволили разработчикам электроники достичь уровней производительности и плотности, которые были невозможны с биполярными транзисторами. [11] Благодаря усовершенствованиям в технологии МОП-транзисторов (первоначально использовавшихся для производства интегральных схем ), мощные МОП-транзисторы стали доступны в 1970-х годах.

В 1969 году компания Hitachi представила первый вертикальный силовой МОП-транзистор, [12] который позже стал известен как VMOS (V-образный МОП-транзистор). [13] С 1974 года Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony и Toshiba начали производство аудиоусилителей с силовыми МОП-транзисторами. [14] В 1978 году компания International Rectifier представила силовой МОП-транзистор на 25 А и напряжением 400 В. [15] Это устройство позволяет работать на более высоких частотах, чем биполярный транзистор, но его применение ограничено низковольтными приложениями.

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 управления затвором мощного MOSFET.

Обычные устройства

Некоторые распространенные силовые устройства — это силовой МОП-транзистор , силовой диод , тиристор и БТИЗ . Силовой диод и силовой МОП-транзистор работают по тем же принципам, что и их маломощные аналоги, но способны проводить больший ток и, как правило, способны выдерживать большее обратное напряжение 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 обратное пробивное напряжение. Подавляющее большинство дискретных ( т. е. неинтегрированных) силовых устройств построены с использованием вертикальной структуры, тогда как малосигнальные устройства используют боковую структуру. При вертикальной структуре номинальный ток устройства пропорционален его площади, а блокирующая способность напряжения достигается по высоте кристалла. При этой структуре одно из соединений устройства расположено на дне полупроводникового кристалла .

Мощный МОП-транзистор является наиболее распространенным силовым устройством в мире благодаря своей низкой мощности управления затвором, высокой скорости переключения и расширенным возможностям параллельного соединения. [16] Он имеет широкий спектр применения в силовой электронике , например, в портативных информационных устройствах , силовых интегральных схемах, сотовых телефонах , ноутбуках и коммуникационной инфраструктуре , которая обеспечивает работу Интернета . [17] По состоянию на 2010 год на силовые МОП-транзисторы приходится большая часть (53%) рынка силовых транзисторов, за ними следуют БТИЗ (27%), затем РЧ-усилители (11%) и, наконец, биполярные транзисторы (9%). [18]

Твердотельные устройства

Классификации

Рис. 1: Семейство силовых устройств, показывающее основные силовые переключатели.

Силовое устройство можно классифицировать по одной из следующих основных категорий (см. рисунок 1):

Другая классификация менее очевидна, но оказывает сильное влияние на производительность устройства:

Устройство с основными носителями работает быстрее, но инжекция заряда устройств с неосновными носителями обеспечивает лучшую производительность в открытом состоянии.

Диоды

Идеальный диод должен иметь следующие характеристики:

В действительности, конструкция диода является компромиссом между производительностью в открытом состоянии, закрытом состоянии и коммутацией. Действительно, одна и та же область устройства должна поддерживать блокирующее напряжение в закрытом состоянии и допускать ток в открытом состоянии; поскольку требования для двух состояний полностью противоположны, диод должен быть либо оптимизирован для одного из них, либо должно быть предоставлено время для переключения из одного состояния в другое (т. е. скорость коммутации должна быть снижена).

Эти компромиссы одинаковы для всех силовых устройств; например, диод Шоттки имеет превосходную скорость переключения и производительность в открытом состоянии, но высокий уровень тока утечки в закрытом состоянии. С другой стороны, PIN-диод коммерчески доступен с различными скоростями коммутации (так называемые «быстрые» и «сверхбыстрые» выпрямители), но любое увеличение скорости обязательно связано с более низкой производительностью в открытом состоянии.

Переключатели

Рис.2: Диапазоны тока/напряжения/частоты переключения основных силовых электронных переключателей.

Компромиссы между номинальными значениями напряжения, тока и частоты существуют и для переключателя. Фактически, любой силовой полупроводник опирается на структуру PIN-диода для поддержания напряжения; это можно увидеть на рисунке 2. Силовой МОП-транзистор имеет преимущества основного несущего устройства, поэтому он может достигать очень высокой рабочей частоты, но его нельзя использовать с высокими напряжениями; поскольку это физический предел, не ожидается никаких улучшений в конструкции кремниевого МОП-транзистора относительно его максимальных номинальных значений напряжения. Однако его превосходные характеристики в низковольтных приложениях делают его устройством выбора (фактически единственным выбором в настоящее время) для приложений с напряжением ниже 200 В. Размещая несколько устройств параллельно, можно увеличить номинальный ток переключателя. МОП-транзистор особенно подходит для этой конфигурации, поскольку его положительный тепловой коэффициент сопротивления имеет тенденцию приводить к балансу тока между отдельными устройствами.

IGBT — это новый компонент, поэтому его производительность регулярно улучшается по мере развития технологий. Он уже полностью заменил биполярный транзистор в силовых приложениях; доступен силовой модуль , в котором несколько устройств IGBT соединены параллельно, что делает его привлекательным для уровней мощности до нескольких мегаватт, что еще больше отодвигает предел, при котором тиристоры и GTO становятся единственным вариантом. По сути, IGBT — это биполярный транзистор, управляемый силовым MOSFET; он имеет преимущества, будучи устройством с неосновными носителями (хорошая производительность в открытом состоянии, даже для высоковольтных устройств), с высоким входным импедансом MOSFET (его можно включать и выключать при очень малой мощности).

Основным ограничением IGBT для низковольтных приложений является высокое падение напряжения, которое он демонстрирует в открытом состоянии (2–4 В). По сравнению с MOSFET рабочая частота IGBT относительно низкая (обычно не выше 50 кГц), в основном из-за проблемы во время выключения, известной как ток-хвост : медленное затухание тока проводимости во время выключения является результатом медленной рекомбинации большого количества носителей, которые заполняют толстую «дрейфовую» область IGBT во время проводимости. Конечным результатом является то, что потери переключения при выключении  [de] IGBT значительно выше, чем потери при включении. Обычно в технических описаниях 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 все еще часто используется устройство на основе тиристора (например, SCR , GTO, MCT и т. д.). Это устройство может быть включено импульсом, подаваемым управляющей схемой, но не может быть выключено путем удаления импульса. Тиристор выключается, как только через него больше не протекает ток; это происходит автоматически в системе переменного тока на каждом цикле или требует схемы со средствами отвода тока вокруг устройства. Как MCT, так и GTO были разработаны для преодоления этого ограничения и широко используются в приложениях распределения электроэнергии .

К некоторым областям применения силовых полупроводников в импульсном режиме относятся диммеры ламп , импульсные источники питания , индукционные плиты , автомобильные системы зажигания , а также приводы электродвигателей переменного и постоянного тока всех размеров.

Усилители

Усилители работают в активной области, где и ток, и напряжение устройства не равны нулю. Следовательно, мощность постоянно рассеивается, и его конструкция определяется необходимостью отвода избыточного тепла от полупроводникового устройства. Устройства усилителей мощности часто можно узнать по радиатору, используемому для крепления устройств. Существует несколько типов устройств усилителей мощности на полупроводниках, таких как биполярный транзистор, вертикальный полевой МОП-транзистор и другие. Уровни мощности для отдельных устройств усилителей составляют до сотен ватт, а пределы частот — до нижних микроволновых диапазонов. Полный аудиоусилитель мощности с двумя каналами и номинальной мощностью порядка десятков ватт можно поместить в небольшой корпус интегральной схемы, для работы которого требуется всего несколько внешних пассивных компонентов. Другое важное применение для усилителей с активным режимом — линейные регулируемые источники питания, когда устройство усилителя используется в качестве регулятора напряжения для поддержания напряжения нагрузки на желаемом уровне. Хотя такой источник питания может быть менее энергоэффективным, чем импульсный источник питания , простота применения делает их популярными, особенно в диапазонах тока примерно до одного ампера.

Параметры

Силовое устройство обычно крепится к радиатору для отвода тепла, возникающего в результате рабочих потерь.
Силовой полупроводниковый кристалл трехконтактного устройства (IGBT, MOSFET или BJT). Два контакта находятся сверху кристалла, оставшийся один — сзади.
  1. Напряжение пробоя : часто существует компромисс между номинальным напряжением пробоя и сопротивлением открытого канала, поскольку увеличение напряжения пробоя за счет включения более толстой и менее легированной дрейфовой области приводит к более высокому сопротивлению открытого канала.
  2. Сопротивление включения : более высокий номинальный ток снижает сопротивление включения из-за большего количества параллельных ячеек. Это увеличивает общую емкость и замедляет скорость.
  3. Время нарастания и спада : количество времени, необходимое для переключения между включенным и выключенным состояниями.
  4. Зона безопасной эксплуатации : это вопрос рассеивания тепла и «защелкивания».
  5. Тепловое сопротивление : Это часто игнорируемый, но чрезвычайно важный параметр с точки зрения практического проектирования; полупроводник плохо работает при повышенной температуре, и все же из-за большой проводимости тока силовое полупроводниковое устройство неизменно нагревается. Поэтому такие устройства необходимо охлаждать, непрерывно отводя это тепло; технология корпусирования и теплоотвода обеспечивает способ отвода тепла от полупроводникового устройства путем его отвода во внешнюю среду. Как правило, устройство с большим током имеет большую площадь кристалла и поверхности корпуса и меньшее тепловое сопротивление.

Исследования и разработки

Упаковка

Роль упаковки заключается в следующем:

Многие из проблем надежности силового устройства связаны либо с чрезмерной температурой, либо с усталостью из-за термоциклирования. В настоящее время проводятся исследования по следующим темам:

Продолжаются также исследования по электрическим вопросам, таким как снижение паразитной индуктивности корпуса; эта индуктивность ограничивает рабочую частоту, поскольку она создает потери при коммутации.

Низковольтный МОП-транзистор также ограничен паразитным сопротивлением своего корпуса, поскольку его собственное сопротивление в открытом состоянии составляет всего один или два миллиома.

К наиболее распространенным типам корпусов силовых полупроводников относятся TO-220, TO-247, TO-262, TO-3, D 2 Pak и т. д.

Улучшение конструкций

Конструкция IGBT все еще находится в стадии разработки и, как ожидается, обеспечит увеличение рабочих напряжений. В конце диапазона высокой мощности многообещающим устройством является тиристор с управлением МОП. Достижение значительного улучшения по сравнению с обычной структурой МОП-транзистора за счет использования принципа баланса заряда суперперехода: по сути, он позволяет сильно легировать толстую область дрейфа силового МОП-транзистора, тем самым снижая электрическое сопротивление потоку электронов без ущерба для напряжения пробоя. Это сопоставляется с областью, которая аналогичным образом легирована с противоположной полярностью носителей ( дырками ); эти две похожие, но противоположно легированные области эффективно нейтрализуют свой подвижный заряд и создают «истощенную область», которая поддерживает высокое напряжение в выключенном состоянии. С другой стороны, в включенном состоянии более высокое легирование области дрейфа обеспечивает легкий поток носителей, тем самым снижая сопротивление в открытом состоянии. Коммерческие устройства, основанные на этом принципе суперперехода, были разработаны такими компаниями, как Infineon (продукция CoolMOS) и International Rectifier (IR).

Широкозонные полупроводники

Ожидается, что главный прорыв в области силовых полупроводниковых приборов произойдет в результате замены кремния широкозонным полупроводником. На данный момент наиболее перспективным считается карбид кремния (SiC). Диод Шоттки SiC с напряжением пробоя 1200 В коммерчески доступен, как и JFET на 1200 В. Поскольку оба являются основными носителями заряда, они могут работать на высокой скорости. Разрабатывается биполярное устройство для более высоких напряжений (до 20 кВ). Среди его преимуществ — карбид кремния может работать при более высокой температуре (до 400 °C) и имеет более низкое тепловое сопротивление , чем кремний, что обеспечивает лучшее охлаждение.

Смотрите также

Примечания и ссылки

Примечания

  1. ^ Бернард Финн, Exposing Electronics , CRC Press, 2000 ISBN  9058230562 страницы 14-15
  2. ^ Питер Робин Моррис, История мировой полупроводниковой промышленности , IET 1990 ISBN 0863412270 стр. 18 
  3. ^ Питер Робин Моррис, История мировой полупроводниковой промышленности , IET 1990 ISBN 0863412270 страницы 39-41 
  4. ^ Х. ван Лигтен, Д. Навон, «Основное выключение переключателей GTO», IRE Wescon Convention Record, часть 3 по электронным приборам, стр. 49–52, август 1960 г.
  5. ^ Хафф, Ховард; Риордан, Майкл (01.09.2007). «Фрош и Дерик: Пятьдесят лет спустя (Предисловие)». Интерфейс Электрохимического общества . 16 (3): 29. doi :10.1149/2.F02073IF. ISSN  1064-8208.
  6. ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). «Защита поверхности и селективная маскировка во время диффузии в кремнии». Журнал электрохимического общества . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
  7. ^ KAHNG, D. (1961). «Устройство на основе поверхности кремния-диоксида кремния». Технический меморандум Bell Laboratories : 583–596. doi :10.1142/9789814503464_0076. ISBN 978-981-02-0209-5.
  8. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. стр. 321. ISBN 978-3-540-34258-8.
  9. ^ Лигенца, Дж. Р.; Спитцер, В. Г. (1960). «Механизмы окисления кремния в паре и кислороде». Журнал физики и химии твердого тела . 14 : 131–136. doi :10.1016/0022-3697(60)90219-5.
  10. ^ Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой инженерии . Springer Science & Business Media . стр. 120. ISBN 9783540342588.
  11. ^ "Переосмыслите плотность мощности с GaN". Electronic Design . 21 апреля 2017 г. Получено 23 июля 2019 г.
  12. ^ Окснер, ES (1988). Технология Fet и ее применение. CRC Press . стр. 18. ISBN 9780824780500.
  13. ^ "Advances in Discrete Semiconductors March On". Power Electronics Technology . Informa : 52–6. Сентябрь 2005. Архивировано (PDF) из оригинала 22 марта 2006. Получено 31 июля 2019 .
  14. ^ Дункан, Бен (1996). Высокопроизводительные усилители мощности звука. Elsevier . С. 177-8, 406. ISBN 9780080508047.
  15. ^ Жак Арну, Пьер Мерль Dispositifs de l'électronique de puissance , Éditions Hermès, ISBN 2-86601-306-9 (на французском языке) 
  16. ^ "Power MOSFET Basics" (PDF) . Alpha & Omega Semiconductor . Получено 29 июля 2019 г. .
  17. ^ Уайтли, Кэрол; Маклафлин, Джон Роберт (2002). Технологии, предприниматели и Кремниевая долина. Институт истории технологий. ISBN 9780964921719. Эти активные электронные компоненты, или силовые полупроводниковые продукты, от Siliconix используются для переключения и преобразования мощности в широком спектре систем, от портативных информационных устройств до коммуникационной инфраструктуры, которая обеспечивает работу Интернета. Силовые МОП-транзисторы компании — крошечные твердотельные переключатели или полевые транзисторы на основе металл-оксид-полупроводника — и силовые интегральные схемы широко используются в сотовых телефонах и ноутбуках для эффективного управления питанием от батареи.
  18. ^ "Рынок силовых транзисторов превысит 13,0 млрд долларов в 2011 году". IC Insights . 21 июня 2011 г. Получено 15 октября 2019 г.
  19. ^ abc Hart, D. (2010). Силовая электроника . McGraw-Hill Education. стр. Глава 1. ISBN 978-0-07-128930-6.
  20. ^ abcd Мохан, Н. (2003). Применение и проектирование преобразователей силовой электроники . Мичиган: John Wiley and Sons. стр. Глава 1. ISBN 978-0-471-22693-2.
  21. ^ abc Bose, B (апрель 1992 г.). «Оценка современных силовых полупроводниковых приборов и будущие тенденции преобразователей». Труды IEEE по промышленным приложениям . 28 (2): 403–413. doi :10.1109/28.126749. S2CID  14387438.
  22. ^ "полупроводниковый GTO". GTO . ABB . Получено 21 марта 2012 .
  23. ^ Роберт Бойлстед и Луис Нашельски (2006). Электронные приборы. и теория цепей. 9-е издание Prentice Hall. Верхняя Сэддл-Ривер, Нью-Джерси. Колумбус

Ссылки

Внешние ссылки