Условные обозначения зарубежных ППП

За рубежом существует множество систем обозначений ППП. Наиболее распространены три системы: JEDEC, Pro Electron, JIS.

Система JEDEC принята в США и поддерживается ассоциацией предприятий электронной промышленности (Electronic Industries Alliance(EIA)).

В системе JEDEC ППП обозначаются следующим образом:

Первый элемент – цифра, показывающая количество переходов в приборе (1 – диод, 2 – транзистор, 3 – тиристор).

Второй элемент – всегда буква N.

Третий элемент – серийный номер: двух-, трех-, четырехзначное число, отражающее порядковый номер регистрации прибора в EIA. Никакой дополнительной информации, за исключением, возможно, времени регистрации, этот номер не несет.

Четвертый элемент – суффикс – отражает разбивку приборов одного типа на различные типономиналы по характерным параметрам. Он может состоять из одной или нескольких букв.

Система Pro Electron распространена в Европе и поддерживается европейской ассоциацией производителей электронных компонентов (European Electronic Component Manufactures Association). Две буквы и три цифры – для широкого применения; три буквы и две цифры – для специальной аппаратуры. Обозначение в системе Pro Electron состоит из четырех элементов.

Первый элемент – буква, соответствующая типу полупроводни­кового материала из которого он изготовлен: А – германий; В – кремний; С – арсенид галлия; R – другие материалы (например, CdS).

Второй элемент – буква, соответствующая типу прибора. назначение букв произвольное. Например:

А – маломощные импульсные и универсальные диоды;

C – маломощные низкочастотные транзисторы;

F – маломощные высокочастотные транзисторы;

L – мощные высокочастотные транзисторы;

N – оптроны;

P – фотоприемники (фотодиоды, фототранзисторы и т. п.);

Q – светоизлучающие приборы (светодиоды, ИК-диоды и т. п.);

S – маломощные переключательные транзисторы;

U – мощные переключательные транзисторы;

Z – стабилитроны, стабисторы, ограничители.

Третий элемент – буква, которая ставится только для приборов, предназначенных для применения в аппаратуре специального назначения (профессиональной, военной и т. п.). Это обычно буквы: Z, Y, X и W.

Четвертый элемент – двух-, трех- или четырехзначный серийный номер прибора.

В обозначении также может присутствовать, как и в системе JEDEC, суффикс, отражающий разбивку приборов одного типа на различные типономиналы по характерным параметрам.

Для некоторых типов полупроводниковых приборов (стабилитроны, мощные тиристоры и др.) к основному обозначению через дефис или дробь добавляется дополнительный код. Например, для стабилитронов дополнительный код содержит сведения о напряжении стабилизации и его разбросе. Если напряжение стабилизации – не целое число, то вместо запятой ставится буква V.

Например, BXY85-C6V8 – кремниевый стабилитрон специального назначения с регистрационным номером 85, напряжением стабилизации 6,8 В с максимальным отклонением этого напряжения от номинального значения на ±5%.

Система JIS. Система стандартных обозначений, разработанная в Японии (стандарт, принятый ассоциацией EIAJ-Electronic Industries Association of Japan) позволяет определить класс прибора (диод или транзистор), его назначение, тип проводимости полупроводника. Вид полупроводникового материала не отражается.

Условное обозначение ППП состоит из пяти элементов.

Первый элемент – цифра, обозначает тип прибора (0 – фотоприборы, 1 – диоды, 2 – транзисторы, 3 – четырехслойные приборы).

Второй элемент – буква S Обозначает слово Semiconductor.

Третий элемент – буква, обозначает подкласс прибора. Можно различить n-p-n- и p-n-p-транзисторы, НЧ- и ВЧ-транзисторы, СИД, стабилитроны и т.д.

Четвертый элемент обозначает регистрационный номер технологической разработки и начинается с числа 11.

Пятый элемент – одна или две буквы, отражает группу по параметрам.

Отдельный вопрос – маркировка ППП. Правила нанесения буквенно-цифровых обозначений или цветных кодовых меток существуют во всех системах.

Глава 7. силовые полупроводниковые приборы

Общее понятие о СПП

Понятие «силовой ПП» означает, что с его помощью осуществляется управление потоком электрической энергии, а не потоком информации. К силовым принято относить приборы с максимальным допустимым значением среднего тока свыше 10 А или импульсным током свыше 100 А. Все основные классы ПП (диоды, транзисторы, тиристоры) выпускаются в силовом исполнении. Физика работы у силовых и слаботочных приборов одинакова. Поэтому в этом разделе мы будем говорить только об особенностях конструкции и применения, о специфических параметрах СПП.

Все СПП работают в ключевом режиме. Пояснить, почему. Показать временную диаграмму мощности при переключении.

По управляемости электронные ключи подразделяются на:

- неуправляемые ключи – диоды (изменяют состояние проводимости при изменении полярности подаваемого на силовые выводы прибора напряжения);

- не полностью управляемые ключи – традиционные тиристоры (переводятся в проводящее состояние подачей сигнала управления на управляющий вывод, а выключаются изменением полярности напряжения, подаваемого на его силовые выводы);

- полностью управляемые ключи – транзисторы, запираемые тиристоры (включаются и выключаются подачей сигналов управления на управляющий вывод прибора).

Область безопасной работы

Важнейшей характеристикой силового ПП является область безопасной работы (ОБР). Это область допустимых электрических параметров ключа, при которых он может работать без повреждения. Общепринятым является графическое представление ОБР в прямоугольных координатах, по которым откладываются ток и напряжение ключа, обычно в логарифмическом масштабе. Последнее связано с тем, что границы допустимой мощности в логарифмическом масштабе представляются отрезками прямых. Так, например, мощность, выделяемая в ключе, не должна превышать максимально допустимого значения Р_тах . Функция Р < Р_тах соответствует гиперболической зависимости тока от напряжения,что в логарифмическом масштабе соответствует уравнению прямой линии:

P = ui Þ log i = log P – log u.

На рис. 7.1 представлена в логарифмическом масштабе ОБР ключа, ограниченная значениями U_тах , I_тах и Р_тах . Т.е., ОБР ограничена тремя линейными участками. В технической литературе встречается также представление в линейном масштабе шкал. Отличие в том, что наклонная линия – гипербола.

Границы ОБР зависят от длительности включенного состояния и частоты коммутации ключа. Например, граница ОБР при коротких импульсах включения будет проходить выше границы длительных включений (штриховая линия). Чем короче время воздействия импульса тока и напряжения на ключ, тем шире ОБР.

Мгновенные значения напряжения и тока ключа в любой момент времени во всех режимах работы, включая процесс коммутации, не должны выходить из ОБР. В противном случае надежная работа полупроводникового прибора не гарантируется. Наличие емкостей в коммутируемой цепи может приводить к существенному всплеску тока при включении, а индуктивности – к всплеску напряжения при выключении. Таким образом, наибольшую опасность для СПП представляет процесс переключения. Для надежной работы ключа включают дополнительные элементы, формирующие траекторию переключения. Совокупность этих элементов называется цепью формирования траектории переключения (ЦФТП). В технической литературе ЦФТП часто называют снаббер (англ. snubber, букв. амортизатор). По существу ЦФТП является устройством защиты ключа в динамических режимах.

Основой ЦФТП являются реактивные элементы емкостного или индуктивного характера. Это обусловлено тем, что конденсатор способен ограничивать значение и скорость нарастания напряжения на ключе в процессе коммутации, а индуктивность – значение и скорость изменения коммутируемого тока. При этом реактивные элементы запасают энергию за время коммутации. Эта энергия рассеивается в активных элементах ЦФТП, либо возвращается в источник или цепь нагрузки.

На рис. 7.2 представлены упрощенные схемы ЦФТП. Схема на рис. 7.2, а может быть использована для формирования требуемой ВАХ при выключении активно-индуктивной нагрузки, а на рис. 7.2, в – при включении активно-емкостной нагрузки. Динамические ВАХ в схеме с ЦФТП и без нее представлены соответственно на рис. 7.2, б, г.

Обычно на практике используются ЦФТП с более сложной схемой, позволяющей обеспечивать требуемые траектории как при включении, так и при выключении. Подробнее такие ЦФТП будут рассмотрены при изучении конкретных типов силовых полупроводниковых приборов.

7.3. Силовые диоды

Основные типы силовых диодов.По основным параметрам и назначению силовые диоды принято разделять на три группы: общего назначения, быстровосстанавливающиеся и диоды Шоттки.

Диоды общего назначения.Эта группа диодов отличается высокими значениями обратного напряжения (до 10 кВ) и прямого тока (до 8 кА). Массивная структура диодов ухудшает их быстродействие. Поэтому время обратного восстановления диодов обычно находится в диапазоне 25 – 40 мкс, что ограничивает их использование в цепях с частотой выше 1 кГц. Как правило, они работают в промышленных сетях с частотой 50 (60) Гц. Прямое падение напряжения на диодах высокого напряжения в этой группе достигает 2 – 3 В.

Быстровосстанавливающиеся диоды.При производстве этой группы диодов используются различные технологические методы, уменьшающие их время обратного восстановления. В частности, применяется легирование кремния методом диффузии золота или платины. Благодаря этому удается снизить время обратного восстановления до 3–5 мкс. Однако при этом снижаются допустимые значения прямого тока и обратного напряжения. Допустимые значения тока составляют до 1 кА, обратного напряжения – до 3 кВ. Наиболее быстродействующие диоды с напряжением до 1000 В и током 150 А имеют время обратного восстановления 0,1 – 0,5 мкс. Такие диоды можно использовать в импульсных и высокочастотных цепях с частотами 10 кГц и выше.

Быстродействующие диоды эффективно используются в ЦФТП транзисторов и тиристоров.

Диоды Шоттки. Принцип действия диодов Шоттки уже рассмотрен: это переход металл – полупроводник. Особенностью диодов Шоттки является то, что прямой ток обусловлен движением только основных носителей – электронов. Отсутствие накопления неосновных носителей существенно уменьшает инерционность диодов Шоттки. Время восстановления составляет обычно не более 0,3 мкс, падение прямого напряжения примерно 0,3 В. Значения обратных токов в этих диодах на 2–3 порядка выше, чем в диодах с p-n-переходом. Диапазон предельных обратных напряжений не более 1200 В, токи не более 200 А.

Последовательное и параллельное соединение диодов.Нередко возникает необходимость параллельного или последо­вательного соединения диодов для повышения коммутируемых токов и напряжений. Рассмотрим эти вопросы на примере простейших ключей – диодов, но то же самое относится к любым ПП-ключам.

При параллельном соединении возникает неравномерность распределения токов между отдельными диодами в открытом состоянии. Причиной этому является неидентичность прямых ветвей ВАХ (рис. 7.3, а, б).

При последовательном соединении диодов возникает неравно­мерность в распределении обратных напряжений между диодами из-за различия обратных ветвей статических ВАХ диодов (рис. 7.3, в, г,).

Достижение равномерных распределений токов или напряжений за счет подбора диодов с малым разбросом ВАХ является экономически нецелесообразным и поэтому обычно не используется. Более простым и дешевым методом является использование дополнительных выравнивающих резисторов. Для выравнивания токов используются низкоомные резисторы, включаемые последовательно с диодами. При последовательном соединении параллельно диодам подключают резисторы с большим сопротивлением. Однако использование резисторов как при параллельном, так и при последовательном соединении приводит к дополнительным потерям мощности. Кроме того, параллельные резисторы увеличивают обратные токи, снижая запирающую способность диодов.

Силовые транзисторы

Биполярные транзисторы выпускают на токи до 120 А, на напряжение до 1500 В и частоту коммутации до 100 кГц. Особенностью силовых биполярных транзисторов является низкий коэффициент усиления по току h_21э (типично 5–15). Для увеличения h_21э изготавливают модули по схеме Дарлингтона (напомнить). Но они характеризуются увеличенными потерями (пояснить).

МОП-транзисторы обычно рассчитаны на работу с напряжением не более 1200 В, чаще используются при напряжениях менее 600 В и токах до 80 А. Одной из причин, ограничивающих повышение рабочего напряжения, является необходимость утолщения полупроводниковых слоев транзистора для обеспечения его электрической прочности. В результате значительно возрастает резистивное сопротивление транзистора в проводящем состоянии, что создает значительное падение напряжения и увеличение выделяемой мощности. МОП-транзисторы являются высокочастотными и способны работать на частотах до 1 МГц.

IGBT-транзисторы.Дальнейшее развитие ПП-технологии позволило в 1985 создать силовой ПП прибор, являющийся гибридом БТ и ПТ. Он получил название IGBT-(Isolated Gate Bipolar Transistor). Русская аббревиатура – БТИЗ (биполярный транзистор с изолированным затвором). На рис. 7.4 представлены упрощенная структура (а) и эквивалентная схема (б) IGBT-транзистора с каналом n-типа.

Структура содержит входной МДП-транзистор, паразитный биполярный транзистор VT1 и мощный p-n-p биполярный транзистор VT2. (Паразитный транзистор и без того есть в структуре МДП-транзистора, и его влияние нужно парировать специальными методами).

Всю схему в целом можно представить как единый полупроводниковый прибор, имеющий вывод коллектора, эмиттера и затвора. Прибор управляется электрическим полем, как МДП-транзистор, т.е. имеет очень большое входное сопротивление, но имеет по сравнению с МДП-транзистором значительно бóльшую крутизну и значительно меньшее сопротивление в открытом состоянии. Таким образом удалось объединить положительные качества биполярного и МДП-транзистора.

Для IGBT с номинальным напряжением в диапазоне 600-1200 В прямое падение напряжения в полностью включенном состоянии, так же как и для биполярных транзисторов, находится в диапазоне 1,5–3,5 В. Это значительно меньше, чем характерное падение напряжения на МДП-транзисторе с такими же номинальными напряжениями.

Транзисторы IGBT первого поколения использовались при напряжениях до 1200 В и токах до 50 А с диапазоном рабочих частот 20– 50 кГц. Дальнейшее развитие этого прибора позволило создать на базе одного большого кристалла прибор с рабочим током до 100 А и напряжением 3000 В. Параллельное включение нескольких кристаллов в одном модуле позволило фирме «Мицубиси» создать модуль на 1200 А и напряжение 3300 В. Известно о высоковольтном модуле IGBT (HVIGBT) на напряжение 4,5 кВ и коммутируемый ток 1800 А со временем выключения 6 мкс.

Условное графическое изображение IGBT и типовые коллекторные характеристики представлены нарис. 7.5.

Динамические свойства IGBT несколько хуже, чем у МДП-транзисторов. но значительно лучше, чем у биполярных транзисторов. Это связано с явлением накопления заряда неосновных носителей в базе биполярного транзистора, и как следствие – с временем рассасывания этих носителей. Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спадания тока при выключении IGBT находятся в диапазонах 0,2–0,4 и 0,2–1,5 мкс соответственно.

Силовые тиристоры

Силовые тиристоры, построенные по традиционной структуре (рассмотрена ранее), являются в настоящее время наиболее мощными управляемыми ПП-ключами. Способны коммутировать электрические цепи с напряжением до 9 кВ и токами до 8 кА. Важным параметром тиристора, определяющим его быстродействие, является время выключения (для обычных тиристоров – десятки мкс, для быстродействующих – несколько единиц мкс).