Силовой транзистор: MOSFET IGBT , » — , , ,

Что такое IGBT-транзисторы

Транзистор, полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

IGBT-транзистор (сокращение от англоязычного Insulated-gate bipolar transistor) или биполярный транзистор с изолированным затвором (сокращенно БТИЗ) — представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами, сочетающий внутри одного корпуса силовой биполярный транзистор и управляющий им полевой транзистор.

IGBT-транзисторы являются на сегодняшний день основными компонентами силовой электроники (мощные инверторы, импульсные блоки питания, частотные преобразователи и т.д.), где они выполняют функцию мощных электронных ключей, коммутирующих токи на частотах измеряемых десятками и сотнями килогерц. Транзисторы данного типа выпускаются как в виде отдельных компонентов, так и в виде специализированных силовых модулей (сборок) для управления трехфазными цепями.

То что IGBT-транзистор включает в себя транзисторы сразу двух типов (включенных по каскадной схеме), позволяет объединить достоинства двух технологий внутри одного полупроводникового прибора.

Биполярный транзистор в качестве силового позволяет получить большее рабочее напряжение, при этом сопротивление канала в открытом состоянии оказывается пропорционально току в первой степени, а не квадрату тока как у обычных полевых транзисторов. А то что в качестве управляющего транзистора используется именно полевой транзистор — сводит затраты мощности на управление ключом к минимуму.

Названия электродов характеризуют структуру IGBT-транзистора: управляющий электрод именуется затвором (как у полевого транзистора), а электроды силового канала — коллектором и эмиттером (как у транзистора биполярного).

Немного истории

Исторически биполярные транзисторы использовались наравне с тиристорами в качестве силовых электронных ключей до 90-х годов. Но недостатки биполярных транзисторов были всегда очевидны: большой ток базы, медленное запирание и от этого перегрев кристалла, сильная зависимость основных параметров от температуры, ограниченное напряжение насыщения коллектор-эмиттер.

Появившиеся позже полевые транзисторы (структуры МОП) сразу изменили ситуацию в лучшую сторону: управление напряжением уже не требует столь больших токов, параметры ключа слабо зависят от температуры, рабочее напряжение транзистора не ограничено снизу, низкое сопротивление силового канала в открытом состоянии расширяет диапазон рабочих токов, частота переключения легко может достигать сотен килогерц, кроме того примечательна способность полевых транзисторов выдерживать сильные динамические нагрузки при высоких рабочих напряжениях.

Поскольку управление полевым транзистором реализуется значительно проще и получается по мощности существенно легче чем биполярным, да к тому же внутри имеется ограничительный диод, — транзисторы с полевым управлением сразу завоевали популярность в схемах импульсных преобразователей напряжения, работающих на высоких частотах, а также в акустических усилителях класса D.

Владимир Дьяконов

Первый силовой полевой транзистор был разработан Виктором Бачуриным еще в Советском Союзе, в 1973 году, после чего он был исследован под руководством ученого Владимира Дьяконова. Исследования группы Дьяконова относительно ключевых свойств силового полевого транзистора привели к разработке в 1977 году составного транзисторного ключа, внутри которого биполярный транзистор управлялся посредством полевого с изолированным затвором.

Ученые показали эффективность такого подхода, когда токовые свойства силовой части определяются биполярным транзистором, а управляющие параметры — полевым. Причем насыщение биполярного транзистора исключается, а значит и задержка при выключении сокращается. Это — важное достоинство любого силового ключа.

На полупроводниковый прибор нового типа советскими учеными было получено авторское свидетельство №757051 «Побистор». Это была первая структура, содержащая в одном корпусе мощный биполярный транзистор, поверх которого находился управляющий полевой транзистор с изолированным затвором.

Что касается промышленного внедрения, то уже в 1983 году фирмой Intarnational Rectifier был запатентован первый IGBT-транзистор. А спустя два года был разработан IGBT-транзистор с плоской структурой и более высоким рабочим напряжением. Это сделали одновременно в лабораториях двух компаний — General Electric и RCA.

Первые версии биполярных транзисторов с изолированным затвором имели один серьезный недостаток — медленное переключение. Название IGBT было принято в 90-е, когда были созданы уже второе и третье поколение IGBT-транзисторов. Тогда уже этих недостатков не стало.

Отличительные преимущества IGBT-транзисторов

По сравнению с обычными полевыми транзисторами, IGBT-транзисторы обладают более высоким входным сопротивлением и более низким уровнем мощности, которая тратится на управление затвором.

В отличие от биполярных транзисторов — здесь более низкое остаточное напряжение во включенном состоянии. Потери в открытом состоянии, даже при больших рабочих напряжениях и токах, достаточно малы. При этом проводимость как у биполярного транзистора, а управляется ключ напряжением.

Диапазон рабочих напряжений коллектор-эмиттер у большинства широко доступных моделей варьируется от десятков вольт до 1200 и более вольт, при этом токи могут доходить до 1000 и более ампер. Есть сборки на сотни и тысячи вольт по напряжению и на токи в сотни ампер.

Считается, что для рабочих напряжений до 500 вольт лучше подходят полевые транзисторы, а для напряжений более 500 вольт и токов больше 10 ампер — IGBT-транзисторы, так как на более низких напряжениях крайне важно меньшее сопротивление канала в открытом состоянии.

Применение IGBT-транзисторов

Главное применение IGBT-транзисторы находят в инверторах, импульсных преобразователях напряжения и частотных преобразователях (пример — полумостовой модуль SKM 300GB063D, 400А, 600В) — там, где имеют место высокое напряжение и значительные мощности.

Сварочные инверторы — отдельная важная область применения IGBT-транзисторов: большой ток, мощность более 5 кВт и частоты до 50 кГц (IRG4PC50UD – классика жанра, 27А, 600В, до 40 кГц).

Не обойтись без IGBT и на городском электрcтранспорте: с тиристорами тяговые двигатели показывают более низкий КПД чем с IGBT, к тому же с IGBT достигается более плавный ход и хорошее сочетание с системами рекуперативного торможения даже на высоких скоростях.

Нет ничего лучше чем IGBT, когда требуется коммутировать на высоких напряжениях (более 1000 В) или управлять частотно-регулируемым приводом (частоты до 20 кГц).

На некоторых схемах IGBT и MOSFET транзисторы полностью взаимозаменяемы, так как их цоколевка схожа, а принципы управления идентичны. Затворы в том и в другом случае представляют собой емкость до единиц нанофарад, с перезарядкой у удержанием заряда на которой легко справляется драйвер, устанавливаемый на любой подобной схеме, и обеспечивающий адекватное управление.

Ранее ЭлектроВести писали, что немецкие инженеры разработали полевой транзистор на основе оксида галлия с пробивным напряжением 1,8 кВ и рекордной добротностью — 155 МВт на квадратный сантиметр. Такие показатели приближают элемент к теоретическому лимиту оксида галлия.

По материалам: electrik.info.

Мощные N-канальные полевые c изолированным затвором транзисторы (MOSFET)

	Обозначение	Прототип	Функциональное назначение	Тип корпуса	PDF
	IFP50N06*	WFP50N06	N – канальный транзистор 60 В; 0,022 Ом – 50 А	TO-220/3
	IZ70N06**		N – канальный транзистор 60 В; 0,015 Ом – 70 А	б/к
	IZ85N06**		N – канальный транзистор 60 В; 0,012 Ом – 85 А	б/к
	IZ75N75**		N – канальный транзистор 75 В; 0,017 Ом – 75 А	б/к
	IFP75N08	WFP75N08	N – канальный транзистор 80 В; 0,015 Ом – 75 А	TO-220/3
	IZ630**		N – канальный транзистор 200 В; 0,400 Ом – 9 А	б/к
	IZ640**		N – канальный транзистор 200 В; 0,180 Ом – 18 А	б/к
	IZ634**		N – канальный транзистор 250 В; 0,450 Ом – 8 А	б/к
	IFP730	WFP730	N – канальный транзистор 400 В; 0,950 Ом – 6 А	TO-220/3
	IFP740	WFP740	N – канальный транзистор 400 В; 0,550 Ом – 10 А	TO-220/3
	IFP830	WFP830	N – канальный транзистор 500 В; 1,400 Ом – 5 А	TO-220/3
	IFP840	WFP840	N – канальный транзистор 500 В; 0,850 Ом – 8 А	TO-220/3
	IZ13N50**		N – канальный транзистор 500 В; 0,490 Ом – 13 А	б/к
	IZ20N50**		N – канальный транзистор 500 В; 0,260 Ом – 20 А	б/к
	IZ50N50**		N – канальный транзистор 500 В; 0,120 Ом – 50 А	б/к
	IFP1N60	WFP1N60	N – канальный транзистор 600 В; 12,000 Ом – 1 А	TO-220/3
	IFU1N60	WFU1N60	N – канальный транзистор 600 В; 12,000 Ом – 1 А	I-PAK
	IFD1N60	WFD1N60	N – канальный транзистор 600 В; 12,000 Ом – 1 А	D-PAK
	IFU2N60	WFU2N60	N – канальный транзистор 600 В; 5,0 Ом –2 А	I-PAK
	IFD2N60	WFD2N60	N – канальный транзистор 600 В; 5,0 Ом –2 А	D-PAK
	IFP2N60	STP2NC60	N – канальный транзистор 600 В; 5,0 Ом – 2 А	TO-220/3
	IFF2N60	WFF2N60	N – канальный транзистор 600 В; 5,0 Ом – 2 А	TO-220FP
	IFP4N60	STP4NC60	N – канальный транзистор 600 В; 2,5 Ом – 4,0 А	TO-220/3
	IFF4N60	WFF4N60	N – канальный транзистор 600 В; 2,5 Ом – 4,0 А	TO-220FP
	IFP7N60	WFP7N60	N – канальный транзистор 600 В; 1,2 Ом – 7 А	TO-220/3
	IZ10N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,8 Ом – 10 А	б/к
	IZ12N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,7 Ом – 12 А	б/к
	IZ20N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,32 Ом – 20 А	б/к
	IZ24N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,26 Ом – 24 А	б/к
	IZ28N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,24 Ом – 28 А	б/к
	IZ40N60**		N – канальный транзистор 600 В; 0,16 Ом – 40 А	б/к
	IZ1N65**		N – канальный транзистор 650 В; 13,0 Ом – 1 А	б/к
	IZ2N65**		N – канальный транзистор 650 В; 5,5 Ом – 2 А	б/к
	IZ4N65**		N – канальный транзистор 650 В; 2,7 Ом – 4 А	б/к
	IZ7N65**		N – канальный транзистор 650 В; 1,3 Ом – 7 А	б/к
	IZ10N65**		N – канальный транзистор 650 В; 0,85 Ом – 10 А	б/к
	IZ12N65**		N – канальный транзистор 650 В; 0,8 Ом – 12 А	б/к
	IFP1N80	WFP1N80	N – канальный транзистор 800 В; 18,0 Ом – 1 А	TO-220/3
	IFU1N80	WFU1N80	N – канальный транзистор 800 В; 18,0 Ом – 1 А	I-PAK
	IFD1N80	WFD1N80	N — канальный транзистор 800 В; 18,0 Ом — 1 А	D-PAK
	IZ3N80**		N – канальный транзистор 800 В; 5,0 Ом – 3 А	б/к
	IZ10N80**		N – канальный транзистор 800 В; 1,1 Ом – 10 А	б/к
	IZ9N90**		N – канальный транзистор 900 В; 1,4 Ом – 9 А	б/к
	IZ11N90**		N – канальный транзистор 900 В; 1,1 Ом – 11 А	б/к
	IWP5NK80Z	STP5NK80Z	N – канальный транзистор 800 В; 2,4 Ом – 4,3 А	TO-220/3
	IZ024N	IRFU024N	N – канальный транзистор 55 В; 0,075 Ом — 17 А	б/к

2 SD5287 D5287 кремния NPN Пожилая пара силовой транзистор

 

Параметры продукта

   

Применение:
21-дюймовый цветной телевизор питания трубки

Связанные продукты

  Тип корпуса

Поля приложения

Информация о компании

Наши Exihibiton

^{Часто задаваемые вопросы}

1. Кто вы?
Мы производителя высокого качества в Китае собственные микросхемы IC входит, транзистор, нагревательных элементов отопления салона,
Конденсаторы, памяти, IGBT, Mosfet, Traic/SCR, оптоэлектронные компоненты. Почти все компоненты
Электроники в нашей продукции.

2. Вы также продажа оригинальных запасных частей?
Да, мы также поставки оригинальных материалов bcz все наши разработаны микросхемы на основе
Оригинал, поэтому мы сотрудничаем с некоторые оригинальные конструкции и развития
Департамента, что у нас есть хорошие источники оригинала.

3. Каковы ваши преимущества?
Нашей высококачественной продукции с разумной ценой может полностью заменить
Оригинальные детали.

4. Вы можете предоставить OEM Service?
Да, мы можем, если у вас есть проекты и просить plz свяжитесь с нами.

5. Можно купить все im requireing компонентов от вас?
Конечно да, из списка Bom котировки до двери до двери express service,
Мы профессиональных продаж для соединения с вами все время.

 

Биполярный транзистор с изолированным затвором

Биполярный транзистор с изолированным затвором

Силовая сборка на IGBT

IGBT (англ. Insulated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором) — силовой электронный прибор, предназначенный в основном, для управления электрическими приводами. Выпускаются как отдельные IGBT-транзисторы, так и силовые сборки (модули) на их основе, например, для управления цепями трёхфазного тока.

IGBT-транзисторы

Структура IGBT-транзистора

Данный тип приборов создан в начале 1980-х гг, запатентован International Rectifier в 1983. Первые IGBT не получили распространения из-за врождённых пороков — медленного переключения и низкой надёжности. Второе (1990-е гг) и третье (современное) поколения IGBT в целом исправили эти пороки. IGBT сочетает достоинства двух основных видов транзисторов:

Диапазон использования — от десятков А до 1200 А по току, от сотен вольт до 10 кВ по напряжению. В диапазоне токов до десятков А и напряжений до 500 В целесообразно применение обычных МДП-транзисторов, а не IGBT.

Применение

Принципиальная схема IGBT. Данный инвертор можно встретить, например в современных моделях троллейбусов с 1 тяговым приводом

Основное применение IGBT-транзисторов это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы.

Широкое применение IGBT нашли в источниках сварочного тока, в управлении мощным электроприводом, в том числе на городском электрическом транспорте.

Применение IGBT модулей в системах управления тяговыми двигателями позволяет (по сравнению с тиристорными устройствами) обеспечить высокий к.п.д., высокую плавность хода машины и возможность применения рекуперативного торможения практически на любой скорости.

Ссылки

См. также

Электроника

 

Wikimedia Foundation. 2010.

Применение синтер паст в современных силовых полупроводниковых приборах / Хабр

Эта статья расскажет вам о применении и сборке современных силовых модулей IGBT и MOSFET модулей, проблемах, возникающих при эксплуатации и сборке этих модулей и способах решения этих проблем.

Современные силовые полупроводниковые приборы

Силовые полупроводниковые приборы получили очень большое распространение в современном мире. Их можно встретить в бытовой технике, электропоездах и электромобилях, сварочных аппаратах и так далее. Чаще всего силовые полупроводниковые приборы используются в преобразователях напряжения и драйверах электродвигателей.

Сегодня чаще всего встречаются MOSFET и IGBT силовые модули. Причем MOSFET больше используется в малом диапазоне мощностей, а силовой электроники чаще используется IGBT. В совокупности IGBT и MOSFET силовые модули занимают 80% рынка силовых полупроводниковых приборов. Традиционные приборы, с которых начиналась силовая электроника: тиристоры (SCR), включая запираемые (GTO), биполярные транзисторы (BPT), — в последние годы всё больше и больше вытесняются приборами с полевым управлением.

IGBT (Insulated — gate bipolar transistor) это биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ)— трёхэлектродный силовой электронный прибор, используемый, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами. Условное графическое обозначение IGBT представлено на рисунке ниже. По своей внутренней структуре БТИЗ представляет собой каскадное включение двух электронных ключей: входной ключ на полевом транзисторе управляет мощным оконечным ключом на биполярном транзисторе. Управляющий электрод называется затвором, как у полевого транзистора, два других электрода — эмиттером и коллектором, как у биполярного. Такое составное включение полевого и биполярного транзисторов позволяет сочетать в одном устройстве достоинства обоих типов полупроводниковых приборов.В настоящее время силовые IGBT-модули выпускаются на ток от 10 до 2400 А и коммутируемое напряжение до 3,3 кВ. Часто можно встретить интелектуальные силовые модули (IPM — Intelligent power module). Интеллектуальные силовые модули (IPM) модули отличаются наличием платы управления, которая содержит в себе датчики, схемы драйверов защиты, диагностики.

MOSFET ( metal-oxide-semiconductor field effect transistor) – это МОП-структура (металл — оксид — полупроводник) — наиболее широко используемый тип полевых транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем диоксида кремния (SiO2). В общем случае структуру называют МДП (металл — диэлектрик — полупроводник). Транзисторы на основе МОП-структур называют полевыми, или МОП-транзисторами. Условные графические обозначения, показан на рисунке

Пример IGBT и MOSFET силовых модулей показан на рисунке ниже.

Данные силовые модули созданы по технологии DCB (Direct Copper Bonding), что дословно переводится как прямая посадка на медь. На рисунке показан разрез DCB силового модуля.

В качестве припоя в современных силовых приборах используется бессвинцовый припой, что накладывает ряд ограничений на характеристики приборов. Низкая температура плавления бессвинцового припоя (≈ 250°C) накладывает ограничения на максимальную рабочую температуру в 100 — 120°C, из-за чего невозможно собрать DCB структуру с использованием чипа из арсенида галлия или кабрида кремния, у которых рабочая температура выше 200°C. Так же припой плохо выдерживает термоциклирование — нагревание до максимальной температуры и последующее остывание. Через несколько тысяч циклов на припое появляются трещены и поры.

Из-за различных коэффициентов температурного расширения (КТР кремния = 4 мкм/мК, КТР припоя = 25-30 мкм/мК) различные части транзистора по-разному расширяются, что приводит к выгибанию структуры. Из-за изгиба ухудшается контакт с радиатором, а при самом плохом раскладе может треснуть кремниевый чип. Это явление называется биметаллическим эффектом. Из — за биметаллического эффекта не получается собирать структуры с кремниевым чипом, диаметр которого превышает 100мм. Решить эту проблему можно, если в качестве припоя использовать материл с меньшим КТР, чем у бессвинцового припоя. Таким материалом являются синтер пасты (КТР = 19-20 мкм/мК).

Синтер пасты

Синтер пасты (sinter paste) это серебрянный порошок с растворителями. Так как технология синтер паст достаточно новая, то в русском языке нет устоявшегося термина, которыми можно было б их назвать. Дословный перевод звучит как спекаемые пасты. После спечения синтер паста представляет из себя чистое серебро, все растворители испаряются. Структура показана ниже. Размер зерна от 0,1 до 1 мкм. Слева фотография реального образца, справа рисунок из документации на синтер пасту mAgic sinter paste от компании Herause. В таблице ниже сравниваются синтер паста и бессвиноцвый припой. Видно, что у синтер пасты лучше тепло- и электропроводности, а так же меньшее значение КТР.

Синтер пасты спекаются в 2 этапа. Перед спечением на соединяемые поверхности наносится синтер паста методом трафаретной печати. Толщино слоя 150 мкм. Первый этап — предварительная сушка при температуре 80°C в течении 15 минут. После чего спекается при давлении 30 МПа и температуе 270°C в течении 5 минут. Допускается спечение без давления для чипов с диаметром более 150 мм.

Для исследования свойств синтер пасты использовались модели DCB структуры. В качестве DCB керамики использовались медные пластины толщиной 2 мм. При нанесении использовался трафарет толщиной 150мкм, в котором было проделано квадратное отверстие 10 на 10мм. Для исследования однородности синтер пасты использовался метод термо-ЭДС. Для этого была собрана установка измерения термо-ЭДС. В качестве нагревателя использовался нагреватель от паяльника паяльной станции Lukey 702. Задатчиком температуры являлась та же паяльная станция. К нагревателю была присоеденина вольфрамовая игла. Величины термо-ЭДС измерялась мультиметром UT71D. Все это было смонтировано на станине от микроскопа ПМТ-3, который имеет микрометрический столик и подпружиненный подвес, на котором закреплен нагреватель.

На этой установке промерялись образцы, спеченные при различных давлениях (10, 20, 30, 40 и 50 МПа). Замеры проводились с шагом 1 мм. Температура нагревателя 320°C. После измерений получилась матрица значений 10 на 10. В качестве критерия однородности выбран параметр рассеяния r. Он выводится из значения термо-ЭДС следующим образом:

Результаты сведены в таблицу, и построена зависимость однородности от давелния спекания.

Из результатов можно сделать вывод, что однородность увеличивается с ростом давления, но с ростом давления становиться сложнее соблюдать плоско-параллельность соединяемых частей, что может привести к повреждению кремниевого чипа.

Для исследвония зависимости пористости синтер пасты от давления были изготовлены 5 образцов, спеченых при давлениях от 10 до 50 МПа. На образцах, спеченных при давлении 30 МПа и выше видны участки зеркального блеска, что говорит о том, что в этих участках плотность приближается к плотности серебра. Так как после спечения контакт представляет из себя чистое серебро, то вычислив плотность контакта и сравнив ее с плотностью серебра можно узнать пористость синтер пасты. Контакты отделялись от медного основания, промерялись микрметром и взвешивались на электронных весах. Результаты измерений и расчеты сведены в таблицу, по которой построен график зависимости пористости от давления спекания.

Для исследования зависимости адгезии синтер пасты от покрытия, были изготовлены 4 образца, спченых при давлении 30 МПа. Использовались покрытия из золота, серебра и никеля. Последний образец был без покрытия. Как видно из таблицы, наилучшим образом показало себя золото, наихудшим — медь.

Заключение

Синтер паста показывает себя пригодной для использования в силовых полупроводниковых модулях в качестве замены бессвинцового припоя. Лучшие показатели тепло и электропроводности позволяют увеличивать мощность приборов с сохранением тех же размеров. Более высокая температура плавления позволяет использовать чипы из карбида кремния и арсенида галлия, которые смогут работать при температурах 200°C и выше. Так же, синтер паста не ухудшает своих свойств в результате термоциклирования, что повышает надежность приборов.

IGBT транзисторы для силовых преобразователей

Ранее мы называли транзисторы MOSFET почти идеальными приборами для использования в изделиях силовой электроники. Сейчас настало время повторить одну существенную оговорку, также сделанную нами выше: справедливость слов об идеальности транзисторов MOSFET не ставится под сомнение, если рабочее напряжение силовых цепей преобразователей не превышает 250…300 (максимум — 400) В. При дальнейшем повышении рабочего напряжения приходится выбирать транзисторы с более высокой величиной напряжения «сток-исток», а это означает, что нам будет затруднительно найти в номенклатуре серийно выпускаемых приборов такой типономинал, который при высоких допустимых напряжениях «сток—исток» будет иметь низкое сопротивление канала в открытом состоянии, и, соответственно, высокий ток стока. Максимальная величина допустимого напряжения «сток—исток» большинства серийных транзисторов MOSFET сегодня составляет порядка 800 В, но сопротивление канала в открытом состоянии у них измеряется уже единицами Ом. Справедливости ради отметим, что иногда все-таки можно встретить приборы с допустимым напряжением «сток—исток» порядка 1000… 1200 В, но это — опять же «штучный товар», не находящий практического применения, а потому потихоньку исчезающий с рынка силовых полупроводников. Как же поступить разработчику в случае разработки высоковольтного мощного статического преобразователя? Опять возвращаться к биполярным транзисторам? Ни в коем случае!

Оказывается, на этапе изготовления транзистора возможно объединить такие преимущества биполярных приборов, как большая допускаемая величина напряжения «коллектор—эмиттер», и полевых транзисторов — как минимальные затраты энергии на управление. Объединение этих замечательных свойств происходит благодаря специально разработанным технологическим приемам, в результате чего получается биполярный транзистор с изолированным затвором. Ведущие мировые фирмы разработали множество технологических приемов получения таких транзисторов, с различными внутренними струк-

турами, однако на сегодняшний день наибольшее распространение получили комбинированные транзисторы эпитаксильной структуры PT (punchthrough) и однородной структуры NPT (nonpunch-through). Сегодня данные транзисторы объединены общим наименованием IGBT (insulated gate bipolar transistor), произносящимся на слух как «ай-джи-би-ти» (рис. 2.1.29). Именно в структуре типа IGBT наиболее удачным образом удалось соединить положительные свойства чистых полевых и биполярных приборов, работающих в ключевом режиме.

Давайте вспомним, что на этапе производства полевыхтранзисторов MOSFET в их структуре обязательно появляется паразитный биполярный транзистор, который не находит практического применения, а зачастую просто ухудшает положительные динамические свойства полевого транзистора. Проведенные исследования показали, что возможно ввести в структуру транзистора несколько новых элементов, благодаря которым он превратится в совершенно новый прибор с уникальными свойствами, а паразитный элемент как бы исчезнет во внутренней структуре и не будет влиять на динамические процессы, протекающие в силовой цепи. На рис. 2.1.30 условно показано внутреннее устройство IGBT транзистора, причем на рис. 2.1.30, а приведены все «технологические» элементы, появляющиеся на этапе изготовления. Здесь мы видим знакомый нам входной транзистор типа MOSFET VT1, цепь «сток-исток» которого зашунтирована паразитным биполярным р-п-р-транзистором VT3 с резистором R_b в его собственной цепи «база—эмиттер». Новые элементы — биполярный транзистор структуры n-p-n VT2 и полевой транзистор с управляющим р-п-переходом VT4. Последний транзистор выполняет роль динамического сопротивления, которое уменьшается во включенном состоянии и пропускает ток через базовую область транзистора VT2.

Первый шаг к упрощению эквивалентной схемы IGBT транзистора сделан на рис. 2.1.30, б, где транзистор VT4 заменен условным резистором с переменным сопротивлением R_mod. Теперь, взглянув на схему, можно увидеть, что образовавшаяся структура из биполярных транзисторов VT2 и VT3 может иметь положительную обратную связь, так как ток коллектора VT2 самым непосредственным образом влияет на ток базы VT3, и наоборот. Вообще данная структура сильно напоминает 4-х слойную тиристорную структуру, а значит, возможно появление неприятного эффекта защелкивания этой р-п-р-п-структуры, что часто наблюдалось в первых образцах IGBT приборов. К чему может привести защелкивание, долго объяснять не нужно — транзистор теряет управление в открытом состоянии, и силовая схема может просто выйти из строя.

Исследованию эффекта защелкивания 4-х слойных структур IGBT транзисторов было посвящено множество научных работ, и сегодня этот весьма неприятный эффект, благодаря развитию технологий производства, можно считать ушедшим в историю данных приборов. Производители научились с ним успешно бороться, управляя величиной R_b и R_mod, а также коэффициентами усиления VT2 и VT3 на стадии изготовления. Исследования также показали, что устойчивость 4-х слойных структур к защелкиванию снижается при увеличении скорости изменения напряжения «коллектор—эмиттер» в единицу времени, то есть защелкивание проявляется в моменты коммутации ключей в силовой схеме, а значит, можно принять меры по ограничению скорости нарастания токов. Добавим, что ведущие мировые фирмы-производители транзисторов IGBT («International Rectifier», «IXYS», «Motorola», «Intersil», «Semikron», «Mitsubishi», «Eupec», «Dynex» и др.) гарантируют отсутствие «защелкивания» биполярных структур, поэтому в их технической документации часто приводится упрощенная эквивалентная схема IGBT приборов, показанная на рис. 2.1.30, в.

На рис. 2.1.31 представлен разрез внутренней структуры типового IGBT прибора. Биполярный транзистор образуется здесь слоями р⁺ (эмиттер), n (база), p (коллектор), а полевой транзистор — слоями полупроводника n (исток), п⁺ (сток) и металлической пластиной (затвор). Полупроводниковые слои р⁺ и p имеют внешние выводы, с помощью которых транзистор подключается к электронной схеме.

Для разработки статических преобразователей электроэнергии на основе транзисторов IGBT нет необходимости подробно знакомиться с параметрами составных элементов полупроводникового прибора. Достаточно представить IGBT прибор в виде обычного трехэлектродного элемента, имеющего типовые параметры и характеристики, которые можно получить из технической документации конкретного типономинала. Именно поэтому мы более не будем останавливаться на рассмотрении различных внутренних структур IGBT приборов, а пе-

Рис. 2.1.31. Внутренняя структура IGBT транзистора

рейдем к вопросам практического использования этих транзисторов в устройствах преобразовательной техники.

В первую очередь разработчика устройств силовой электроники должен интересовать следующий вопрос: «Какое положение по быстродействию, то есть скорости включения и выключения, занимает транзистор IGBT по сравнению с транзисторами MOSFET и классическими биполярными транзисторами?» Однозначно можно сказать, что транзистор MOSFET переключается быстрее транзистора IGBT, но в случае сравнения с биполярным транзистором нельзя сделать утвердительный вывод в пользу того или иного прибора, и вот почему.

Ограничение скорости переключения биполярных транзисторов с изолированным затвором, как и простых биполярных транзисторов, определяется конечным временем жизни неосновных носителей в их базовых областях. Если включение транзисторов происходит достаточно быстро, то необходимость выделения некоторого времени на рассасывание неосновных носителей в базовой области замедляет процесс восстановления их непроводящего состояния (выключения). Для IGBT, процесс выключения которого в целом похож на аналогичный процесс для транзистора типа MOSFET, значительная задержка выключения связана с так называемым «токовым хвостом», когда остаточный ток коллектора продолжает совершать колебательные движения, приближаясь к нулевому значению. Причина «токового хвоста» кроется в накоплении заряда базовой областью и его постепенном рассасывании при окончательном переходе внутреннего MOSFET в режим отсечки. Чем опасен «токовый хвост»? Тем, что он ведет к увеличению тепловых потерь и требует увеличения так называемого «мертвого времени» (dead time) для полумостовых и мостовых силовых схем в промежутках между фазами проводимости ключевых элементов.

Фирмы-производители элементной базы сделали немало усилий для оптимизации процессов рассасывания неосновных носителей в базовой области IGBT приборов, однако эта задача оказалась настолько противоречивой по воздействующим факторам, что решать ее пришлось комплексно, то есть не только улучшать технологию производства, но и применять схемотехнические ухищрения. Конечно, производители элементной базы могли бы оставить разработчикам преобразовательной техники возможность управления процессами рассасывания неосновных носителей, если бы вывели наружу базу внутреннего биполярного транзистора VT2. Но этот путь снизил бы потребительские качества транзисторов: слишком сложно тогда бьшо бы применять их в конкретных схемах. К тому же, как оказалось, выигрыш от такого решения не столь значителен, поэтому этот базовый вывод традиционно делают недоступным извне. Кроме этого, удалось выработать особые технологические приемы, позволяющие ускорить процесс рекомбинации носителей базовой области, среди которых — снижение коэффициента усиления транзистора VT2.

К сожалению, в процессе оптимизации переключающих свойств IGBT приборов возникло еще одно существенное противоречие: снижение коэффициента усиления в значительной степени уменьшает «токовый хвост», но увеличивает напряжение насыщения открытого транзистора, а значит, и статические потери в открытом состоянии (потери проводимости). Увеличение коэффициента усиления, наоборот, снижает напряжение насыщения, но приводит к росту «токового хвоста», а значит, и к росту потерь переключения (динамических потерь). Чрезмерное же увеличение коэффициента может привести к резкому повышению вероятности возникновения защелкивания. До некоторой степени с опасным эффектом удается бороться, варьируя сопротивления R_b и R_mod. Но перечисленные проблемы интересуют только производителей, а разработчикам преобразовательной техники важны только результаты их решения.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

ECSTUFF4U для инженера-электронщика: что такое силовой транзистор

Основная информация:
Силовой транзистор — это транзистор, который используется в усилителях большой мощности и источниках питания. Силовые транзисторы подходят для приложений, в которых используется большая мощность по току и напряжению. Это переходной транзистор, предназначенный для работы с большими токами и мощностью, а также используемый в аудио и коммутационных схемах.

Силовой транзистор представляет собой трехконтактное полупроводниковое устройство, используемое для усиления и переключения электронных сигналов и электроэнергии.Они бывают в формах NPN, PNP и Дарлингтона (NPN или PNP).

Структура и конструкция силового транзистора полностью отличаются от конструкции одиночного транзистора, но их характеристики и работа почти такие же. Однако силовые транзисторы

обладают управляемыми характеристиками. Они включаются, когда текущий знак дается базовому или контрольному терминалу. Транзистор остается во включенном состоянии до тех пор, пока присутствует управляющий сигнал. Когда этот управляющий сигнал удаляется, силовой транзистор полностью отключается.

Существует четыре типа силовых транзисторов:

Как работает силовой транзистор?
Силовой транзистор в основном может выполнять две разные функции, например, работать как усилитель или как переключатель. Когда он работает как усилитель, он принимает крошечный электрический ток на входе и производит гораздо больший электрический ток на выходе.

Когда он работает как переключатели, крошечный электрический ток, протекающий через вход транзистора, может вызвать гораздо больший ток через выход транзистора.

Почему транзистор используется в повседневной жизни?

• Высокое усиление напряжения
• Требуется низкое напряжение питания для работы
• Меньший размер
• Нет проблем с нагревом во время работы
• Твердотельное устройство
• Механически настолько прочный
• Легко переносится

Для детальной информации

Основная информация:
Силовой транзистор — это транзистор, который используется в усилителях большой мощности и источниках питания.Силовые транзисторы подходят для приложений, в которых используется большая мощность по току и напряжению. Это переходной транзистор, предназначенный для работы с большими токами и мощностью, а также используемый в аудио и коммутационных схемах.

Силовой транзистор представляет собой трехконтактное полупроводниковое устройство, используемое для усиления и переключения электронных сигналов и электроэнергии. Они бывают в формах NPN, PNP и Дарлингтона (NPN или PNP).

Структура и конструкция силового транзистора полностью отличаются от конструкции одиночного транзистора, но их характеристики и работа почти такие же.Однако силовые транзисторы

обладают управляемыми характеристиками. Они включаются, когда текущий знак дается базовому или контрольному терминалу. Транзистор остается во включенном состоянии до тех пор, пока присутствует управляющий сигнал. Когда этот управляющий сигнал удаляется, силовой транзистор полностью отключается.

Существует четыре типа силовых транзисторов:

Как работает силовой транзистор?
Силовой транзистор в основном может выполнять две разные функции, например, работать как усилитель или как переключатель.Когда он работает как усилитель, он принимает крошечный электрический ток на входе и производит гораздо больший электрический ток на выходе.

Когда он работает как переключатели, крошечный электрический ток, протекающий через вход транзистора, может вызвать гораздо больший ток через выход транзистора.

Почему транзистор используется в повседневной жизни?

• Высокое усиление напряжения
• Требуется низкое напряжение питания для работы
• Меньший размер
• Нет проблем с нагревом во время работы
• Твердотельное устройство
• Механически настолько прочный
• Легко переносится

Для детальной информации

Силовой транзистор

Биполярный силовой транзистор представляет собой трехслойное устройство NPN или PNP в рабочем диапазоне, ток коллектора IC является функцией тока базы IB, изменение тока базы дает соответствующее усиленное изменение в коллекторный ток для заданного напряжения коллектор-эмиттер VCE.Отношение этих двух токов составляет порядка 15 к 100.

Символ с текущими направлениями

PNP NPN Транзисторы Направление тока

Структура

Конструкция транзисторов PNP NPN

Характеристики общего эмиттера для транзистора NPN

Рассмотрим силовой транзистор NPN со смещением в конфигурации с общим эмиттером.

Конфигурация общего эмиттера силового транзистора

Используя приведенную выше схему, можно сгенерировать набор характеристических кривых коллектора, которые показывают, как ток коллектора IC изменяется от коллектора к напряжению эмиттера VCE для указанных значений тока базы IB .

Область насыщенности

Предположим, что VBB настроен на создание определенного значения IB, а VCC равен нулю. Для этого условия и базовый переход эмиттера, и коллекторный переход базы смещены в прямом направлении, потому что база находится примерно на 0,7 В, а эмиттер и коллектор — на 0 В. IB проходит через переход база-эмиттер из-за пути с низким импедансом, а значение IC равно нулю. Когда оба перехода имеют прямое смещение и транзистор находится в области насыщения своей работы.

Характеристическая кривая общего эмиттера

Линейная область или активная область

По мере увеличения VCE, VCE постепенно увеличивается по мере увеличения тока коллектора. В идеале, когда VCE превышает 0,7 В, переход база-коллектор становится смещенным в обратном направлении, и транзистор переходит в активную или линейную область своей работы. После обратного смещения коллекторного перехода базы IC стабилизируется и остается практически постоянной для данного значения Ib, поскольку VCE продолжает увеличиваться.Фактически, IC увеличивается очень незначительно по мере увеличения VCE из-за расширения области истощения базового коллектора.

Прорыв через регион

Когда VCE достигает достаточно высокого напряжения, коллекторный переход базы с обратным смещением выходит из строя, и коллекторный ток быстро увеличивается. Этот коллекторный регион известен как область разрыва.

Обрезной регион

Когда IB = 0, говорят, что транзистор находится в области отсечки, хотя указывается небольшой ток утечки коллектора.

Семейство характеристических кривых строится, когда IC против VCE строится для нескольких значений IB, как показано.

Силовое приложение BJT

Транзистор может действовать как переключатель открытия или закрытия в зависимости от тока базы.

Открытый переключатель:

Если ток базы равен нулю, то ток коллектора — это очень небольшой ток утечки, транзистор в этих условиях действует как разомкнутый ключ.

Переключатель закрытия:

Если подается такое количество базового тока, которое переводит транзистор в состояние насыщения, тогда транзистор действует как замкнутый переключатель.

Транзистор как переключатель

Чтобы поддерживать контроль, базовый ток должен быть достаточным, чтобы поддерживать устройство в состоянии насыщения. При первоначальном включении; базовый ток должен быть высоким, чтобы обеспечить быстрое включение. Любое изменение тока коллектора должно сопровождаться изменением тока базы. При выключении базовый ток должен быть уменьшен со скоростью, за которой может следовать ток коллектора, чтобы избежать вторичного пробоя. В выключенном состоянии поддерживается небольшой обратный IB, чтобы избежать серьезного тока коллектора.

Потери мощности в силовом транзисторе

Потери мощности в транзисторе являются функцией произведения напряжения коллектора-эмиттера и тока коллектора. В качестве переключателя потери мощности транзистора невелики, потому что

• В открытом положении ток утечки небольшой
• В закрытом положении напряжение насыщения невелико.

Типичная зона безопасной эксплуатации

Чтобы полностью использовать транзистор без перегрева при переключении, можно использовать характеристики зоны безопасной работы.

Transistor Sage Operation Area

Когда происходит переключение между двумя состояниями, важно, чтобы значения напряжения и тока всегда в течение периода переключения находились в пределах прямоугольной области.

Максимальные допустимые мгновенные потери мощности постепенно ограничиваются для увеличения времени переключения.

Коммутационные потери транзистора могут быть высокими, потому что во время переключения как напряжение на транзисторе, так и ток через транзистор могут быть высокими.Высокая частота переключения может означать, что преобладающие потери связаны с переключением. Точные потери при переключении зависят от параметров цепи нагрузки, а также от формы изменения тока базы.

Схема Дарлингтона силового транзистора

Коэффициент усиления транзистора по току может быть улучшен, если базовый ток возбуждения получен от другого транзистора, это известно как устройство Дарлингтона.

Схема Дарлингтона силового транзистора

Общее усиление по току 250 возможно, но с более длительным временем переключения.

Сравнение мощности BJT и тиристора

1. Транзистор может переключаться значительно быстрее, чем тиристор, обычно время переключения составляет менее 1 мкс.
2. Базовые требования к току сравнительно больше, чем требования к току затвора тиристора. Например. тиристору 30 А может потребоваться импульс 0,1 А для включения, в то время как биполярному транзистору 30 А может потребоваться постоянный базовый ток 2 А в течение периода включения.
3. Перегрузка транзистора намного меньше, чем у тиристора.
4. В отличие от тиристора, транзистор мало способен выдерживать обратное напряжение.

Силовые транзисторы и радиаторы

• Изучив этот раздел, вы должны уметь:
• Признать конструкцию силового транзистора.
• • Понять необходимость соединения коллектора и металлического корпуса.
• Понять взаимосвязь между мощностью и температурой в силовых цепях.
• • Понижение мощности.
• Понять необходимость радиаторов.
• • Способы выбора радиаторов.
• • Способы установки радиаторов.
• Рассчитайте требования к тепловому сопротивлению радиаторов.
• • Узнайте о методах преодоления ограничений в радиаторах.

Силовые транзисторы

Нет четкой разницы между «обычными» транзисторами, используемыми в усилителях напряжения и силовых транзисторах, но в целом силовые транзисторы можно отнести к категории таких, которые могут выдерживать ток коллектора (или сток в случае полевых транзисторов) более 1 Ампер.

Поскольку силовые транзисторы, такие как показанные на рис. 5.1.1, выдерживают большие токи и более высокие напряжения, они имеют конструкцию, отличную от небольших сигнальных устройств. Они должны иметь низкое выходное сопротивление, чтобы они могли передавать большие токи в нагрузку, и хорошую изоляцию перехода, чтобы выдерживать высокие напряжения. Они также должны очень быстро рассеивать тепло, чтобы не перегреваться. Поскольку большая часть тепла генерируется в соединении коллектор / база, площадь этого соединения делается как можно большей.

Мощность и температура

Максимальная номинальная мощность транзистора в значительной степени определяется температурой перехода коллектор / база, как видно из графика снижения мощности на рис. 5.1.2. Если рассеивается слишком много мощности, этот переход становится слишком горячим и транзистор будет разрушен, типичная максимальная температура составляет от 100 ° C до 150 ° C, хотя некоторые устройства могут выдерживать более высокие максимальные температуры перехода. Максимальная выходная мощность силового транзистора тесно связана с температурой, и при температуре выше 25 ° C она линейно падает до нулевой выходной мощности при достижении максимально допустимой температуры.

Понижение мощности

Рис. 5.1.2 График снижения мощности для TIP31

Например, транзистор, такой как TIP31, с заявленной максимальной выходной мощностью P _TOT 40 Вт, может работать только с мощностью 40 Вт. IF температура корпуса (немного ниже температуры перехода) поддерживается ниже 25 ° C. Характеристики силового транзистора во многом зависят от его способности рассеивать тепло, выделяемое на переходе коллектор-база.

Минимизировать проблему нагрева можно двумя основными способами:

• 1. Работая с транзистором наиболее эффективным способом, то есть выбирая класс смещения, обеспечивающий высокий КПД и наименее расточительный по мощности.
• 2. Обеспечивая, чтобы тепло, выделяемое транзистором, могло отводиться и эффективно передаваться в окружающий воздух как можно быстрее.

Метод 2, описанный выше, подчеркивает важность взаимосвязи между силовым транзистором и его радиатором, устройством, прикрепленным к транзистору с целью отвода тепла.Таким образом, физическая конструкция силовых транзисторов рассчитана на максимальную передачу тепла к радиатору. Помимо обычного выводного провода коллектора, коллектор силового транзистора, который имеет гораздо большую площадь, чем у малого сигнального транзистора, обычно находится в прямом контакте с металлическим корпусом транзистора или металлической монтажной площадкой. , который затем может быть прикручен или прикреплен непосредственно к радиатору. Типичные силовые транзисторы в металлическом корпусе и металлическом корпусе показаны на рис.5.1.1

Поскольку усилители мощности выделяют значительное количество тепла, которое является потраченной впустую мощностью, они сделаны максимально эффективными. Для усилителей напряжения низкие искажения имеют большее значение, чем эффективность, но с усилителями мощности, хотя искажения нельзя игнорировать, эффективность жизненно важна.

Радиаторы

Рис. 5.1.3 Радиаторы

Радиатор предназначен для отвода тепла от транзистора и его максимально эффективного рассеивания в окружающий воздух.Радиаторы бывают разных форм, например, из оребренных алюминиевых или медных листов или блоков, часто окрашенных или анодированных в черный матовый цвет, чтобы помочь быстрее отводить тепло. Выбор радиаторов показан на рис. 5.1.3.

Очень важен хороший физический контакт между транзистором и радиатором, а перед тем, как закрепить транзистор на радиаторе, на контактную поверхность смазывают теплопередающую смазку (состав для радиатора).

Там, где необходимо обеспечить электрическую изоляцию между транзистором и радиатором, между радиатором и транзистором используется слой слюды.Слюда имеет отличную изоляцию и очень хорошие теплопроводные свойства.

Выбор подходящего радиатора

Рис. 5.1.4 Установка радиатора TO220

Доступно множество радиаторов, подходящих для конкретных типов корпусов транзисторов («корпус» относится к форме и размерам транзистора). На рис. 5.1.4 показаны различные этапы установки типичного зажима на радиатор.

(a) показывает трубку с теплоотводящим компаундом.

(b) показывает зажим TO220 на радиаторе.

(c) показывает транзистор TIP31, который имеет корпус типа TO220, готовый к установке.

(d) показывает металлический корпус транзистора, залитый радиаторным компаундом. Это важно для создания эффективного теплообмена между транзистором и радиатором.

(e) показывает транзистор, установленный на радиаторе.

(f) показан альтернативный метод монтажа, используемый, когда металлический корпус транзистора (который обычно также является выводом коллектора) должен быть изолирован от радиатора.В этом примере используется слюдяная шайба TO220, а транзистор прикреплен к радиатору болтом, вставленным через небольшую изолирующую втулку.

Типичный R

_th Расчет для:

• Транзистор TIP31 (корпус TO220), необходимый для рассеивания 5 Вт.
• Максимальная температура перехода = 150 ° C
• Температура окружающей среды (воздуха) = 25 ° C.

• Тепловое сопротивление между переходом и корпусом, рассчитанное по графику снижения мощности Рис.5.1.2.
• R _{th j-c} = (150 ° C — 25 ° C) / 40 Вт = 3,125 ° C / Вт .
• Макс. температура корпуса при рассеивании 5 Вт = 150 — (5 x 3,125) = 134 ° C (прибл.).
• Тепловое сопротивление R _{th c-hs} между корпусом и радиатором (с учетом слюдяной шайбы) = 2 ° C / Вт.
• Макс. температура радиатора = 134 — (5 x 2) = 124 ° C .
• Для достижения температуры окружающего воздуха = 25 ° C Термическое сопротивление радиатора должно быть лучше (124 — 25) / 5 = 19.8 ° C / Вт
• Лучшим выбором, чтобы избежать работы транзистора при максимально допустимой температуре , было бы выбрать радиатор с тепловым сопротивлением примерно от 10 до 15 ° C / Вт.

Расчет необходимого теплового сопротивления R

_th для радиатора

Выбранный радиатор должен отводить тепло от транзистора в окружающий воздух достаточно быстро, чтобы температура перехода транзистора не превышала максимально допустимое значение (обычно указывается в паспорте транзистора), обычно от 100 до 150 ° С.

Каждый радиатор имеет параметр, называемый термическим сопротивлением (R _th ), измеряемый в ° C / Вт, и чем ниже значение R _th , тем быстрее рассеивается тепло. Другие факторы, влияющие на рассеивание тепла, включают мощность (в ваттах), рассеиваемую транзистором, эффективность передачи тепла между внутренним переходом транзистора и корпусом транзистора, а также корпусом к радиатору.

Также необходимо учитывать разницу между температурой радиатора и температурой воздуха вокруг него (температура окружающей среды).Главный критерий — радиатор должен быть достаточно эффективным, слишком эффективный — не проблема.

Следовательно, любой радиатор с тепловым сопротивлением ниже или равным расчетному значению должен быть в порядке, но во избежание постоянной работы транзистора при максимально допустимой температуре или близкой к ней, что почти гарантированно сокращает срок службы транзистора, По возможности рекомендуется использовать радиатор с более низким тепловым сопротивлением.

График снижения мощности транзистора TIP31, показанный на рис.5.1.2 иллюстрирует взаимосвязь между мощностью, рассеиваемой транзистором, и температурой корпуса. Когда транзистор рассеивает 5 Вт, по графику можно оценить, что максимальная температура безопасного корпуса для температуры перехода 150 ° C будет примерно от 134 до 135 ° C, что подтверждает приведенный выше расчет макс. температура корпуса.

Транзистор TIP31 имеет максимальную рассеиваемую мощность P _TOT 40 Вт, но из графика на рис. 5.1.2 видно, что это достижимо, только если температура корпуса транзистора может поддерживаться на уровне 25 ° C.Температура корпуса может подниматься только до 150 ° C (такой же, как максимальная температура перехода), если рассеиваемая мощность равна нулю.

Параллельные транзисторы для приложений большой мощности

Рис. 5.1.5 Силовые транзисторы, подключенные параллельно

В приложениях с высокой мощностью может оказаться невозможным найти подходящий радиатор для конкретного транзистора, тогда одним из решений может быть использование другого силового транзистора или другого типа корпуса (корпуса), если таковой имеется.Другой альтернативой является использование двух или более транзисторов, соединенных параллельно, с разделением общей мощности между ними. Это может быть более дешевый вариант, чем один очень дорогой радиатор.

Термический побег

Во многих современных схемах силовые MOSFET предпочтительнее BJT из-за проблемы теплового разгона BJT. Это процесс, при котором ток увеличивается как естественный эффект в полупроводниках при повышении температуры устройства. Это повышение температуры затем приводит к дальнейшему увеличению электрического тока и последующему дальнейшему повышению температуры, пока повышение температуры и тока не выйдет из-под контроля и устройство не будет разрушено.

При параллельном подключении нескольких плохо согласованных транзисторов транзистор, который изначально пропускает наибольший ток, нагревается, в то время как другие транзисторы, пропускающие меньший ток, становятся холоднее. Следовательно, более горячий транзистор может подвергаться опасности теплового разгона, однако тщательно подобранные BJT все же могут быть предпочтительнее полевых МОП-транзисторов для некоторых высоковольтных приложений.

Начало страницы

8.5: Интерпретация технических данных силовых транзисторов

Технические данные популярного силового транзистора NPN, 2N3055, показаны на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).{\ circ} \) C, максимальный ток коллектора 15 А и максимальное напряжение коллектор-эмиттер 60 В. Очевидно, что устройство не может одновременно выдерживать максимальный ток и напряжение.

Рисунок \ (\ PageIndex {1a} \): лист данных 2N3055. Используется с разрешения SCILLC dba ON Semiconductor.

На чертеже корпуса ТО-3 показаны только два вывода. Это для эмиттера и базы. Весь корпус устройства представляет собой коллектор. Это связано с тем, что устройство, скорее всего, будет прикреплено к металлическому радиатору (см. Следующий раздел), чтобы помочь отвести выделяемое тепло.Чем больше площадь контакта, тем эффективнее будет тепловой поток. Кривые, представленные на рисунке \ (\ PageIndex {1b} \), показывают, что \ (\ beta \) значительно ниже, чем то, что мы видели для небольших сигнальных устройств. Кроме того, \ (I_ {C (sat)} \) имеет тенденцию быть больше для транзисторов большей мощности. Для очень высоких токов \ (\ beta \) может упасть до менее 20, а \ (I_ {C (sat)} \) может быть выше половины вольта.

Рисунок \ (\ PageIndex {1b} \): лист данных 2N3055 (продолжение).

Рисунок \ (\ PageIndex {1c} \): лист данных 2N3055 (продолжение).

Одно примечание на рисунке \ (\ PageIndex {1c} \) — это небольшой рисунок в нижней части листа. Это участок безопасной рабочей зоны. По сути, комбинация \ (V_ {CE} \) и \ (I_C \) должна попадать в нижнюю левую зону. Особый интерес представляет то, что безопасная зона расширяется дальше, если комбинация тока / напряжения является результатом короткого импульса, а не непрерывного состояния.

8.5.1: снижение мощности

Последний пункт, вызывающий беспокойство, — это график, показанный на рисунке \ (\ PageIndex {1a} \) и увеличенный на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).{\ circ} C) \ nonumber \]

\ [P_D = 82,1 Вт \ nonumber \]

2SC5200 NPN транзистор высокой мощности, Utsource

2SC5200 NPN Транзистор наивысшей мощности

2SC5200 — транзистор высокой мощности NPN. Он имеет 3 контакта, а именно: a) База b) Эмиттер C) Коллектор и коллектор к эмиттеру с напряжением 230 В и током коллектора 30 A. Как упоминалось в заголовке, это не обычный транзистор, на самом деле это транзистор высокой мощности.Разница между обычным транзистором и силовым транзистором заключается в том, что силовой транзистор способен пропускать больший ток, чем обычный транзистор, без плавления или сгорания, а также силовые транзисторы обычно имеют радиаторы для рассеивания тепла. Внешний вид представлен на рисунке ниже.

2SC5200 Назначение контактов:

Назначение контактов

2SC5200 показано на рисунке. Поверните не плоскую сторону к себе, на самой левой стороне транзистора будет база, за которой следуют коллектор и эмиттер соответственно.

Конфигурация контактов 2SC5200:

Номер контакта	Имя контакта	Пины Описание
1	База	Используется для включения и выключения транзистора (смещение)
2	Коллектор	Ток проходит через него и обычно подключается к нагрузке
3	Излучатель	Для отвода тока, соединен с землей.

Характеристики 2SC5200:

• NPN-транзистор высокой мощности.
• Коллектор Базовое напряжение: 230 В (при T _a = 25 C)
• Коллектор-эмиттер Напряжение: 230 В (при T _a = 25 C)
• Напряжение базы эмиттера: 15 В (при T _a = 25 C)
• Постоянный ток коллектора: 15 A (при T _a = 25 C)
• Базовый ток: 1.5 В (при T _c = 25 C)
• Частота перехода: 30 МГц
• Рассеиваемая мощность коллектора: 150 Вт
• Температура перехода: 150 C
• Усиление постоянного тока: от 55 до 160 (при В _CE = 5 В и I _C = 1 A)

Примечание:

• T _a = Температура окружающей среды
• В _CE = Напряжение коллектора-эмиттера
• I _C = Ток коллектора
• T _c = Температура корпуса

Эквивалент 2SC5200: 2SC3320, 2SC5242, 2SD1313

Альтернатива 2SC5200: TTC5200

Использование 2SC5200:

Благодаря своим характеристикам: высокий коэффициент усиления по току и высокий ток коллектора, мощный транзистор 2SC5200 NPN используется в аудиосхемах большой мощности или усилителе AM.Транзисторы высокой мощности 2SC5200 NPN могут также использоваться в качестве переключателей средней мощности, в схемах звуковой частоты и радиочастоты, для сильноточных коммутационных нагрузок (до 15 А), в схемах двухтактной конфигурации и в устройствах с низкой скоростью нарастания напряжения.

Работа транзистора высокой мощности 2SC5200 NPN:

Транзистор высокой мощности

2SC5200 NPN, как обсуждалось ранее, имеет 3 вывода i-e. База, эмиттер и коллектор, и этот 2SC5200 является мощным биполярным переходным транзистором NPN.2SC5200 часто используется с его дополнением, которым является транзистор высокой мощности 2SC1943 PNP в конструкции усилителей. Поскольку большинство усилителей имеют двухтактную схему, в которой используются транзисторы NPN и PNP. Комбинация свойств транзистора 2SC5200 NPN и транзистора 2SC1943 PNP может быть использована для разработки усилителя высокой мощности.

2SC5200 NPN-транзистор большой мощности имеет четыре рабочих области, он будет находиться в области отсечки, когда топология имеет обратное смещение i.е. клемма базы соединена с отрицательной клеммой, а эмиттер — с положительной клеммой или, в другом случае, база подключена к положительной клемме, а коллектор — с отрицательной клеммой. В обоих этих случаях будет только небольшой ток утечки, протекающий через транзистор от коллектора к эмиттеру.

Транзистор высокой мощности 2SC5200 NPN будет в активном состоянии, когда область база-эмиттер имеет прямое смещение, а область коллектор-база — обратное смещение. В этой области будет протекать как ток базы, так и ток коллектора с увеличением тока базы. ток коллектора тоже увеличится.

Когда и база-эмиттер, и коллектор-база будут находиться в прямом смещении, этот силовой транзистор NPN будет работать в квази-ситуации, тогда как транзистор будет в сложной ситуации, когда он будет работать в режиме насыщения во всех рабочих условиях.

2D Модель 2SC5200:

Двухмерная модель

для 2SC5200 показана на рисунке ниже.

Видео на Youtube:

Схема транзистора «Классификация» | Основы электроники

Классифицируется по форме.

Размер и форма транзистора зависят от потребляемой мощности и способа монтажа. Транзисторы можно разделить на выводы с выводами и на поверхность.

Типовые формы транзисторов

(На рисунках показаны виды в разрезе)

Миниатюрный транзистор поверхностного монтажа Транзистор вставного типа

Классификация по конструкции

Транзисторы

обычно делятся на два основных типа в зависимости от их конструкции.Эти два типа представляют собой транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET).

Биполярные транзисторы

Слово «биполярный» состоит из двух корневых слов. Би (что означает «два») и полярный (что означает «противоположности»). Биполярный транзистор — это транзистор, в котором ток через транзистор передается через отверстия (положительная полярность) и электроны (отрицательная полярность). Транзисторы с биполярным переходом были первым типом транзисторов, которые начали массово производиться в 1947 году в виде транзисторов с точечным контактом (Bell Labs).Они представляют собой комбинацию двух переходных диодов и образованы либо из тонкого слоя полупроводника p-типа, зажатого между двумя полупроводниками n-типа (транзистор n – p – n), либо из тонкого слоя полупроводника n-типа, зажатого между два полупроводника p-типа (транзистор ap – n – p).

полевые транзисторы

Полевые транзисторы (полевые транзисторы) обычно можно разделить на три различных типа; полевые транзисторы переходного типа, полевые транзисторы типа MOS (металл-оксид-полупроводник) и полевые транзисторы типа MES (металл-полупроводник). Полевые транзисторы переходного типа в основном используются в аналоговых схемах, например, в звуковом оборудовании, а полевые транзисторы типа МОП используются в основном в цифровых ИС, таких как те, которые используются в микрокомпьютерах.Полевые транзисторы типа MES используются для усиления микроволн, например, в приемопередатчиках спутникового вещания.

Классификация по допустимой мощности

Существует две широких классификации транзисторов в зависимости от их допустимой мощности: малосигнальные транзисторы и силовые транзисторы. Эти классификации основаны, прежде всего, на максимальном номинальном значении рассеиваемой мощности коллектора Pc.

Малосигнальные транзисторы

Это транзисторы, у которых максимальный ток коллектора (IC (max)) составляет около 500 мА или меньше, а максимальная рассеиваемая мощность коллектора (Pc (max)) меньше 1 Вт.Эти транзисторы называются малосигнальными транзисторами, чтобы отличать их от силовых транзисторов, и имеют то свойство, что они, как правило, представляют собой формованные из эпоксидной смолы.

Силовые транзисторы

Если транзистор имеет Pc 1 Вт или более, его обычно классифицируют как силовой транзистор. По сравнению с малосигнальными транзисторами силовые транзисторы имеют больший максимальный ток коллектора, максимальную рассеиваемую мощность коллектора, а также имеют больший размер для удовлетворения тепловыделения. Обычно они экранированы металлом или имеют конструкцию с теплоизлучающими ребрами.

В Японии транзистор называют «камнем». Слово «транзистор» — это комбинация передачи и резистора. Поскольку транзистор сделан из кремния, который является основным элементом всех горных пород и камней на Земле, многие японские дизайнеры называют транзистор камнем.

Классификация по типу интеграции

Помимо транзисторов дискретного типа, ROHM также производит композитные транзисторы. Они объединяют несколько транзисторов вместе, чтобы удовлетворить различные потребности пользователей.К ним относятся цифровые транзисторы со встроенными резисторами, массивы транзисторов, состоящие из нескольких транзисторов в одном корпусе, и транзисторные блоки со встроенными простыми схемами.

Дискретные транзисторы

Это транзисторы в индивидуальной упаковке. Они становятся менее распространенными, поскольку подавляющее большинство транзисторов в настоящее время производится в интегральных схемах вместе с диодами, резисторами, конденсаторами и другими электронными компонентами для создания законченных электронных схем.

Транзисторы композитные

Составной транзистор (иногда известный как транзистор Дарлингтона) представляет собой комбинацию двух или более транзисторов (обычно транзисторов с биполярным переходом) с целью увеличения коэффициента усиления по току.

* Цифровые транзисторы

Цифровой транзистор — это биполярный транзистор со встроенными резисторами. Это стандартные транзисторы, которые используются в схемотехнике.

Транзистор Анализ технологического процесса силового транзистора

SiC: технологический процесс Rohm SCT3022ALGC11

Ожидается, что в ближайшие годы рынок силовых транзисторов из карбида кремния (SiC) значительно вырастет.Силовые транзисторы SiC имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными устройствами на основе кремния, включая улучшенные характеристики в высокотемпературных, высокочастотных и высоковольтных приложениях. Это делает силовые транзисторы SiC идеально подходящими для автомобильных, энергетических и промышленных применений. Поскольку производители работают над удовлетворением растущего спроса на силовые транзисторы SiC, существует потребность в инновациях в производственных процессах для снижения стоимости и повышения производительности. Современные методы могут быть использованы для анализа этих инноваций и восстановления последовательности шагов, используемых в процессе изготовления.Полученные в результате технологические потоки могут дать ценную информацию об оборудовании и материалах, необходимых для производства силовых транзисторов SiC.

TechInsights недавно завершила полный анализ технологического процесса, используемого для изготовления Rohm SCT3022ALGC11 N-Channel, SiC, траншеи, силового полевого МОП-транзистора. SCT3022ALGC11 — это устройство на 650 В, 93 А с R _DSON 22 м². Это ведущий силовой полевой транзистор на затворе SiC с протравлением, предназначенный для использования в солнечных инверторах, преобразователях постоянного и постоянного тока, импульсных источниках питания, индукционном нагреве и приводах двигателей.

Наши аналитики использовали свои знания литографии, чтобы выбрать область устройства для анализа, которая обеспечит наилучшее понимание технологического процесса, в частности, отдельную ячейку в массиве транзисторов. Затем область была проанализирована с использованием комбинации методов, включая получение изображений с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) и сканирующей емкостной микроскопии (SCM). Полученные изображения и данные были использованы для определения физических характеристик и материалов, присутствующих в устройстве.Тщательный анализ этих характеристик и материалов позволил создать таблицу, описывающую этапы процесса, включая литографические маски. Затем данные были отправлены в симулятор Synopsys Sentaurus Process Explorer , чтобы обеспечить полную эмуляцию технологического процесса.

Топографический вид угла SiC MOSFET, показанный на рисунке 1, предоставил информацию о компоновке для помощи в выборе целевой области для анализа.