Силовые МОП ПТ транзисторы

СИЛОВЫЕ ПОЛУПОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИНВЕРТОРОВ.

В последние восемь лет производителями силовых полупроводниковых приборов широко освоен серийный выпуск полевых МОП ПТ и БТИЗ силовых транзисторов, а также интегральных схем управления силовых преобразователей. Эти полупроводниковые элементы, на сегодняшний день, широко представлены на рынке Украины. Стоимости таких элементов не на много дороже устаревшей элементной базы и даже соизмеримы с ней.

Полевые МОП ПТ и БТИЗ силовые транзисторы имеют бесспорные преимущества по сравнению с биполярными транзисторами. Сегодня в новых разработках биполярные транзисторы практически не встречаются.

Далее в статье даются первые понятия о новых полупроводниковых элементах и затем будет опубликовано ряд статей по силовым устройствам построенным на полевых МОП ПТ, БТИЗ силовых транзисторах и интегральных схемах управления силовых преобразователей.

Силовые МОП ПТ транзисторы.

Начиная с 80-х годов, в литературе в области силовой преобразовательной техники был опубликован большой ряд статей, в которых отмечались существенные преимущества силовых МОП ПТ транзисторов, которые в то время находились в стадии разработки, то есть высокое быстродействие, экономичность, надежность, простота схем управления.

Как и все мощные полупроводниковые приборы, МОП ПТ имеют свои собствен­ные технические особенности, которые необходимо правильно учитывать для получения реальных работающих устройств.

Мощные МОП ПТ имеют ряд существенных преимуществ перед биполярными тран­зисторами, как в линейном режиме, так и в импульсном. К ним относятся быстрое переключение, отсутствие вторичного пробоя, широкая область безопасной работы и высокий коэффициент усиления. Перечисленные преимущества являются решающими для их применения в таких устройствах, как высокочастотные импульсные источники электропитания, преобразова­тели и инверторы для управления скоростью электродвигателей постоянного и пере­менного тока, ультразвуковые генераторы, звуковые усилители, высокочастотные генераторы для индукционного нагрева и т.д.

Большинство МОП ПТ транзисторов имеют внутренний интегральный диод обратного хода, включенный в обратном направлении между стоком и истоком. Максимальный ток обратного диода такой же, как у самого транзистора.

В отличие от биполярных транзисторов при работе с МОП ПТ необходимо выполнять некоторые меры предосторожности. Мощные МОП ПТ, будучи МОП - приборами, могут быть повреждены стати­ческим зарядом. Избежать повреждения значительно легче, чем при работе с приборами малой мощности. МОП ПТ явля­ются мощными приборами, имеют большую входную ем­кость и способны поглощать статический заряд без образования значительных величин напряжения.

Однако все же чтобы избежать повреждений транзисторов необходимо следовать следующим правилам:

1. Транзисторы следует хранить в антистатической транспортной таре, проводящей губке, или в металлических контейнерах. Транзисторы следует брать за корпус, а не за выводы.

2. В рабочих помещениях, где проводятся измерительные, исследовательские или производственные работы должны использоваться специальные заземленные коврики, рабочие столы и электропаяльники также должны быть заземлены.

3. При проверке электрических характеристик или вообще при практических исследованиях мощных МОП ПТ следует выполнять такие предосторожности:

- напряже­ние на измерительную или исследуемую схему следует подавать при всех соединенных в схеме выводах МОП ПТ транзистора;

- при работе в цепь затвора необходимо подключать последовательный резистор, с целью гашения паразитной генерации, которая может возникнуть в активном режиме (достаточна величина резистора 50 – 150 Ом в зависимости от мощности прибора);

- при любых переключениях в схеме напряжение необходимо снизить до нуля, чтобы избежать возникновения выбросов напряжения.

Далее правильность постановки эксперимента и вообще успех в работе с приборами зависит от конструкций схем и схем­ных мер предосторожности, которые необходимо принимать, чтобы защитить МОП ПТ от превышения значений над предельными параметрами.

Быстрое переключение МОП ПТ требует быстрого заряда затвора за корот­кий промежуток времени, но пара­зитные индуктивности проводов и выводов ограничивают токи затвора и скорость переклю­чения.

Единственным способом снижения индуктивных составляющих в цепи затвора является умень­шение расстояния между схемой управления и МОП ПТ, но это сложно выполнимо на практике вследствие реальных размеров компонентов и ограничений, накладываемых при разработке конструкции. Паразитные индуктивные составляющие в цепи затвора могут при­вести к появлению генерации.

Последние разработки МОП ПТ транзисторов с малым зарядом затвора позволяют получать малые времена переключения и формы напряжений близкие к теоретическим при сравнительно простых схемах управления. Малый ток затвора уменьшает влияние паразитных индуктивных составляющих и уменьшает потери на переключение. Однако индуктивные составляющие в реальных схемах могут вызвать переходные процессы и перенапряжения, ухудшающие скорости переключения, разницу в токах между параллельно соединенными транзисторами. Чтобы по возможности избавится от этого, необходимо минимизировать паразитные индуктив­ные составляющие. Это реализуется путем сокращения длины проводников или дорожек печатных плат, исключения токовых петель и специальной разводкой общего провода. Конструкция двухтактных схем должна быть симметрична.

В настоящее время многими производителями выпускаются МОП ПТ транзисторы на значения предельных мощностей от десятков до сотен ватт, на напряжения от десятков до тысячи вольт и на предельные токи от единиц до сотен ампер. Для наглядности общие параметры некоторых транзисторов меньшей мощности приведены в таблице 1, а большей – в таблице 2.

Таблица 1.

Тип элемента	Uси Постоянное напряжение сток-исток (В)	Rси Сопротивление в открытом состоянии (Ом)	Iс Непрерывный ток стока 25 °С (А)	Iс Непрерывный ток стока 100 °С (А)	Rt Максимальное тепловое сопротивление (°С/Вт)	P Макс. рассеиваемая мощность (Вт)
IRF3205		0.008
IRF3710		0.028
IRF510		0.54	5.6		3.5
IRF610		1.5	3.3	2.1	3.5
IRF620		0.8	5.2	3.3	2.5
IRF630		0.4		5.7	1.7
IRF640		0.18
IRF710		3.6		1.2	3.5
IRF720		1.8	3.3	2.1	2.5
IRF730			5.5	3.3	1.7
IRF740		0.55		6.3
IRF820			2.5	1.6	2.5
IRF830		1.5	4.5	2.9	1.7
IRF840		0.85		5.1
IRFBC20		4.4	2.2	1.4	2.5
IRFBC30		2.2	3.6	2.3	1.7
IRFBC40		1.2	6.2	3.9
IRFBE20		6.5	1.8		2.3
IRFBE30			4.1	2.6
IRFBF30		3.7	3.6	2.3
IRFBG20			1.4	0.86	2.3
IRFBG30			3.1
OM9007SC		0,18		-	2,0
OM9008SC		0,4		-	2,0
OM9008SC		1,0	5,5	-	2,0
OM9010SC		1,5	4,5	-	2,0

Таблица 2.

Тип элемента	Ucи Постоянное напряжение сток-исток (В)	Rси Сопротивление в открытом состоянии (Ом)	Iс Непрерывный ток стока 25 °С (А)	Iс Непрерывный ток стока 100 °С (А)	Rt Максимальное тепловое сопротивление (°С/Вт)	P Макс. рассеиваемая мощность (Вт)
IRFP264		0.075			0.45
IRFP354		0.35		9.1	0.65
IRPP360		0.2			0.45
IRFP460		0.27			0.45
IRFPC60		0.4			0.45
IRFPE50		1.2	7.8	4.9	0.65
IRFPF50		1.6	6.7	4.2	0.65
IRFPG40		3.5	4.3	2.7	0.83
OM6050SJ		0,014			0,25
OM6051SJ		0,03			0,25
OM6052SJ		0,16			0,25
OM6053SJ		0,23			0,25
OM6054SJ		0,5			0,25
OM6055SJ		0,8			0,25
APT10M19BVR		0,019		-	-
APT20M38BVR		0,038		-	-
APT30M70BVR		0,070		-	-
APT4012BVR		0,12		-	-
APT5017BVR		0,17		-	-
APT6025BVR		0,25		-	-
APT8056BVR		0,56		-	-
APT10086BVR		0,86		-	-
APT1201R5BVR		1,5		-	-

Выпускаются также модули МОП ПТ транзисторов, которые могут рассеивать большие мощности и пропускать большие токи. Больших токов и мощности можно добиться параллельным включением нескольких транзисторов, стоимость которых чаще всего в 1,3 – 1,5 раза дешевле, однако предпочтение отдают модулям из-за упрощения конструкции и отсутствия дополнительных элементов. Параметры некоторых модулей приведены в таблице 3.

На настоящий момент выполняются разработки силовых преобразователей на МОП ПТ транзисторах с напряжением питания 500 – 600 В, выходной мощностью до 2 кВт, на рабочих частотах до частоте 500 – 800 кГц. Длительности фронтов переключения транзисторов составляют 20 – 40 нс. Такие временные параметры требуют трудоемкого специального выполнения конструкции, которое должно обеспечивающего минимизацию паразитных величин индуктивностей и емкостей монтажа, а это трудно обеспечить, учитывая физические размеры элементов и радиаторов.

Таблица 3.

Тип элемента	Uси Постоянное напряжение сток-исток (В)	Rси Сопротивление в открытом состоянии (Ом)	Iс Непрерывный ток стока 25 °С (А)	Iсм Импульсный ток стока 100 °С (А)	Rt Максимальное тепловое сопротивление (°С/Вт)	P Макс. рассеиваемая мощность (Вт)
IRFK4H054		0.005			0.25
IRFK4H150		0.014			0.25
IRFK4H250		0.021			0.25
IRFK4H350		0.075			0.25
IRPK4H450		0.1			0.25
IRFK4HC50		0.175			0.25
IRFK4HE50		0.3			0.25
IRPK6H054		0.003			0.2
IRFK6H150		0.01			0.2
IRFK6H250		0.015			0.2
IRFK6H350		0.05			0.2
IRFK6H450		0.067			0.2
IRFK6HC50		0.1			0.2
APT10M11MVR		0,011		-	0.2
APT40M35MVR		0,035		-	0.2
APT50M50MVR		0,05	74,5	-	0.2
APT60M75MVR		0,075	60,5	-	0.2
APT10025MVR		0,25	33,5	-	0.2

Разработки и в дальнейшем серийный выпуск МОП ПТ транзисторов показал, что получить мощности преобразователей больше двух с половиной киловатт, при питании от промышленной силовой сети 220 В 50 Гц, так и не удалось. Кроме того существует проблема в получении высоковольтных транзисторов. Сопротивление открытого МОП ПТ пропорционально почти квадрату пробивного напряжения и кристаллы высоковольтных МОП ПТ оказываются слишком большой площади (например, на тот же ток для МОП ПТ, кристалл на максимальное напряжение 500 В в 10 раз больше, чем у биполярного транзистора, а на 1000 В - в 25 раз), это обуславливает их высокую стоимость. Но на большие мощности с использованием высоковольтных биполярных транзисторов особо остро стоит задача снижения потерь мощности на управление.