Введение

Полупроводниковое устройство, способное выдерживать большие электрические токи. Силовое полупроводниковое устройство — это полупроводниковый прибор, используемый в качестве ключа или выпрямителя в силовой электронике (например, в импульсных источниках питания). Такие приборы также называют силовыми приборами или, при использовании в интегральной схеме, силовыми интегральными схемами. Силовое полупроводниковое устройство обычно работает в "режиме коммутации" (то есть находится либо во включенном, либо в выключенном состоянии) и, следовательно, имеет конструкцию, оптимизированную для такого режима работы; его обычно не следует использовать в линейном режиме. Линейные силовые схемы широко используются в регуляторах напряжения, аудиоусилителях и усилителях радиочастот. Силовые полупроводники применяются в системах, потребляющих от нескольких десятков милливатт (например, в усилителе для наушников) до примерно гигаватта в высоковольтных линиях передачи постоянного тока.

История

Первым электронным устройством, используемым в силовых цепях, был электролитический выпрямитель. Ранняя версия была описана французским экспериментатором А. Нодоном в 1904 году. Они были кратковременно популярны среди ранних радиоэкспериментаторов, поскольку их можно было изготовить из алюминиевых листов и бытовых химикатов. Они имели низкое пробивное напряжение и ограниченную эффективность. Первыми полупроводниковыми приборами, работающими на основе твердого тела, были выпрямители оксида меди, использовавшиеся в ранних зарядных устройствах и источниках питания для радиооборудования, представленные в 1927 году Л. О. Грундалем и П. Х. Гайгером. Первое германиевое силовое полупроводниковое устройство появилось в 1952 году с введением силового диода Р. Н. Холлом. Оно обеспечивало блокировку обратного напряжения 200 В и номинальный ток 35 А.

Германиевые биполярные транзисторы с существенной мощностью рассеяния (100 мА коллекторного тока) были представлены примерно в 1952 году; они имели практически ту же конструкцию, что и сигнальные приборы, но с улучшенным теплоотводом. Мощность рассеяния быстро росла, и к 1954 году стали доступны германиевые сплавные транзисторы с рассеянием 100 Вт. Все они были устройствами относительно низкой частоты, использовавшимися до 100 кГц и при температуре перехода до 85 °C. Кремниевые силовые транзисторы были созданы только в 1957 году, но при их доступности они имели лучшую частотную характеристику, чем германиевые приборы, и могли работать при температуре перехода до 150 °C. Тиристор появился в 1957 году. Он способен выдерживать очень высокое обратное пробивное напряжение и пропускать большой ток. Однако одним из недостатков тиристора в схемах переключения является то, что после включения в проводящем состоянии его нельзя выключить внешним управлением, поскольку выключение тиристора происходит пассивно, то есть необходимо отключить питание от прибора. Тиристоры, которые можно было выключить, называемые тиристорами с принудительным выключением затвором (GTO), были представлены в 1960 году. Они устраняют некоторые ограничения обычного тиристора, поскольку их можно включать или выключать приложенным сигналом.

Мощные MOSFET

Прорыв в силовой электронике произошел с изобретением MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор) Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. Поколения MOSFET-транзисторов позволили разработчикам силовых устройств достичь уровней производительности и плотности, недостижимых с биполярными транзисторами. Благодаря усовершенствованиям в технологии MOSFET (первоначально использовавшейся для производства интегральных схем), мощные MOSFET стали доступны в 1970-х годах. В 1969 году компания Hitachi представила первый вертикальный силовой MOSFET, который впоследствии стал известен как VMOS (V-канавочный MOSFET). Начиная с 1974 года, компании Yamaha, JVC, Pioneer Corporation, Sony и Toshiba начали производство аудиоусилителей с использованием мощных MOSFET. Компания International Rectifier представила мощный MOSFET на 25 А и 400 В в 1978 году. Это устройство позволяет работать на более высоких частотах, чем биполярный транзистор, но ограничено в применении при низких напряжениях. Изолированный биполярный транзистор с управляющим электродом (IGBT) был разработан в 1980-х годах и стал широко доступен в 1990-х годах. Этот компонент сочетает в себе способность биполярного транзистора к обработке мощности и преимущества изолированного управления затвором, характерные для мощных MOSFET.

Общие устройства

Некоторые распространенные силовые приборы – это мощные MOSFET, силовые диоды, тиристоры и IGBT. Силовой диод и мощный MOSFET работают по схожим принципам со своими маломощными аналогами, но способны проводить больший ток и, как правило, выдерживать большее обратное напряжение в выключенном состоянии. Структурные изменения часто вносятся в силовые приборы для обеспечения более высокой плотности тока, большей теплоотдачи и/или более высокого напряжения пробоя. Подавляющее большинство дискретных (то есть неинтегрированных) силовых приборов изготавливаются с использованием вертикальной структуры, в то время как приборы для обработки малых сигналов используют боковую структуру. В вертикальной структуре номинальный ток прибора пропорционален его площади, а способность блокировать напряжение определяется высотой кристалла. В такой структуре одно из соединений прибора расположено на нижней стороне полупроводниковой пластины. Мощный MOSFET является наиболее распространенным силовым прибором в мире благодаря низкой мощности управления затвором, высокой скорости переключения и продвинутым возможностям параллельного соединения. Он находит широкое применение в силовой электронике, например, в портативных информационных устройствах, интегральных схемах питания, мобильных телефонах, ноутбуках и коммуникационной инфраструктуре, обеспечивающей работу Интернета. По данным на 2010 год, на рынке силовых транзисторов на MOSFET приходится большая часть (53%), за ним следуют IGBT (27%), затем RF-усилители (11%) и биполярные транзисторы (9%).

Твердотельные устройства

Диод – однополярное, неконтролируемое переключающее устройство, используемое в таких приложениях, как выпрямление и управление направлением тока в цепи. Устройство блокировки обратного напряжения, обычно моделируемое как переключатель последовательно с источником напряжения, обычно 0,7 В постоянного тока. Модель может быть дополнена сопротивлением перехода, чтобы более точно предсказывать падение напряжения на диоде в зависимости от протекающего тока. До 3000 ампер и 5000 вольт в одном кремниевом устройстве. Для более высокого напряжения требуется несколько последовательно соединенных кремниевых устройств. Силиконовый управляемый выпрямитель (SCR) – это полууправляемое устройство, которое включается при наличии импульса на затворе и положительном потенциале анода относительно катода. При наличии импульса на затворе устройство работает как обычный диод. Когда анод имеет отрицательный потенциал относительно катода, устройство выключается и блокирует как положительное, так и отрицательное напряжение. Напряжение на затворе не позволяет выключить устройство. Тиристор с принудительным выключением (GTO) – в отличие от SCR, тиристор с принудительным выключением может включаться и выключаться импульсом на затворе. Одна из проблем с этим устройством заключается в том, что напряжение выключения затвора обычно выше и требует большего тока, чем напряжение включения. Это напряжение выключения является отрицательным напряжением между затвором и истоком, обычно оно должно присутствовать лишь короткое время, но его величина составляет примерно 1/3 тока анода. Для обеспечения работоспособной характеристики переключения этого устройства требуется схема подавления (снубер). Без схемы подавления GTO нельзя использовать для выключения индуктивных нагрузок. В связи с развитием технологии IGCT эти устройства не очень популярны в силовой электронике. Они считаются управляемыми, однополярными и блокирующими двуполярное напряжение. Триак – это устройство, по сути представляющее собой интегрированную пару фазоуправляемых тиристоров, соединенных встречно-параллельно на одном кристалле. Как и в случае с SCR, устройство включается при наличии импульса напряжения на затворе. Основное различие между SCR и триаком заключается в том, что как положительный, так и отрицательный полупериод могут включаться независимо друг от друга с помощью положительного или отрицательного импульса на затворе. Как и в случае с SCR, после включения устройство нельзя выключить. Это устройство считается двуполярным и блокирует обратное напряжение. Биполярный транзистор (BJT) – BJT не подходят для использования при высокой мощности, они медленнее и имеют большие потери на сопротивлении по сравнению с устройствами типа MOSFET. Для пропускания большого тока BJT требуется относительно большой базовый ток, поэтому эти устройства имеют большие потери мощности по сравнению с MOSFET. BJT, наряду с MOSFET, плохо блокируют обратное напряжение, если не установлены парами с защитными диодами. Как правило, BJT не используются в коммутационных схемах силовой электроники из-за потерь I2R, связанных с сопротивлением в открытом состоянии и требованиями к базовому току.

Выключатели

Существуют компромиссы между номинальными значениями напряжения, тока и частоты и для коммутатора. Фактически, любой силовой полупроводник опирается на PIN-диодную структуру для поддержания напряжения; это видно на рисунке 2. Мощный MOSFET обладает преимуществами устройства с основным типом носителей заряда, поэтому он может достигать очень высокой рабочей частоты, но не может использоваться при высоких напряжениях; поскольку это физический предел, улучшений в конструкции кремниевого MOSFET в отношении его максимальных номинальных напряжений не ожидается. Однако его отличные характеристики в низковольтных приложениях делают его устройством выбора (фактически, единственным выбором в настоящее время) для применений с напряжениями ниже 200 В. Размещая несколько устройств параллельно, можно увеличить номинальный ток коммутатора. MOSFET особенно хорошо подходит для этой конфигурации, поскольку его положительный температурный коэффициент сопротивления способствует балансировке тока между отдельными устройствами. IGBT – относительно новый компонент, поэтому его характеристики регулярно улучшаются 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 мощным MOSFET; он сочетает в себе преимущества устройства с малым типом носителей заряда (хорошая производительность в открытом состоянии, даже для устройств высокого напряжения) с высоким входным сопротивлением MOSFET (его можно включать и выключать с использованием очень малого количества энергии). 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 превышает 50 кГц), главным образом из-за проблемы при выключении, известной как "последействие тока": медленное уменьшение тока проводимости при выключении является результатом медленной рекомбинации большого количества носителей заряда, заполняющих толстый "дрейфовый" слой IGBT во время проводимости. В результате потери при выключении IGBT значительно выше, чем потери при включении. Как правило, в технических паспортах указывается энергия, рассеиваемая при выключении, как измеренный параметр; это значение необходимо умножить на частоту переключения предполагаемого применения для оценки потерь при выключении. При очень высоких уровнях мощности по-прежнему 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 снятия импульса. Тиристор выключается, как только через него перестает течь ток; это происходит автоматически в системе переменного тока на каждом цикле или требует схемы, способной отводить ток от устройства. И MCT, и GTO были разработаны для преодоления этого ограничения и широко используются в приложениях распределения электроэнергии. Некоторые области применения силовых полупроводников в импульсном режиме включают диммеры ламп, импульсные источники питания, индукционные плиты, автомобильные системы зажигания и приводы электродвигателей переменного и постоянного тока всех размеров.

Усилители

Усилители работают в активном режиме, где и ток, и напряжение устройства отличны от нуля. Следовательно, мощность постоянно рассеивается, и при их проектировании основное внимание уделяется отводу избыточного тепла от полупроводникового прибора. Устройства усилителей мощности часто можно узнать по радиатору, используемому для их монтажа. Существуют различные типы силовых полупроводниковых усилителей, такие как биполярный транзистор, вертикальный МОП-транзистор и другие. Мощность отдельных усилительных приборов может достигать сотен ватт, а пределы частоты – нижних диапазонов микроволнового излучения. Комплектный аудиоусилитель мощности с двумя каналами и выходной мощностью порядка десятков ватт может быть размещен в небольшом интегральном корпусе, требующем лишь несколько внешних пассивных компонентов для функционирования. Важным применением усилителей в активном режиме также являются линейные стабилизированные источники питания, где усилительное устройство используется в качестве регулятора напряжения для поддержания напряжения нагрузки на заданном уровне. Хотя такие источники питания могут быть менее энергоэффективными, чем импульсные источники питания, простота их применения делает их популярными, особенно при токах до одного ампера.

Параметры

Напряжение пробоя: Часто существует компромисс между номинальным напряжением пробоя и сопротивлением в открытом состоянии, поскольку увеличение напряжения пробоя за счет использования более толстого и менее легированного дрейфового слоя приводит к увеличению сопротивления в открытом состоянии. Сопротивление в открытом состоянии: Более высокий номинальный ток снижает сопротивление в открытом состоянии благодаря большему количеству параллельно соединенных ячеек. Это увеличивает общую емкость и снижает скорость переключения. Время нарастания и спада: Время, необходимое для переключения между состояниями "включено" и "выключено". Безопасная рабочая область: Этот параметр учитывает теплоотвод и защиту от ложного срабатывания ("сквозного пробоя"). Тепловое сопротивление: Это часто игнорируемый, но чрезвычайно важный параметр с точки зрения практического проектирования; полупроводник неэффективно работает при повышенных температурах, однако из-за высокой проводимости тока силовое полупроводниковое устройство неизбежно нагревается. Поэтому такие устройства необходимо охлаждать, непрерывно отводя тепло; технология корпусирования и радиаторы обеспечивают возможность отвода тепла от полупроводникового устройства путем его передачи во внешнюю среду. Как правило, устройство с большим током имеет большую площадь кристалла и корпуса, а также более низкое тепловое сопротивление.

Улучшение структур

Конструкция IGBT все еще находится в стадии разработки и, как ожидается, позволит увеличить рабочее напряжение. В области высоких мощностей управляемый МОП-тиристор представляется перспективным устройством. Значительное улучшение по сравнению с традиционной структурой MOSFET достигается за счет применения принципа баланса зарядов в сверхпереходной структуре: по сути, он позволяет сильно легировать толстый дрейфовый слой мощного MOSFET, тем самым снижая электрическое сопротивление потоку электронов без ухудшения пробивного напряжения. Это достигается за счет создания области с аналогичной легировкой, но с противоположной полярностью носителей заряда (дырками); эти две схожие, но легированные противоположно области эффективно компенсируют свой подвижный заряд и формируют "обедненную область", которая обеспечивает удержание высокого напряжения в выключенном состоянии. С другой стороны, во включенном состоянии более высокая легировка дрейфового слоя облегчает протекание носителей заряда, тем самым снижая сопротивление в открытом состоянии. Коммерческие устройства, основанные на этом принципе сверхперехода, разработаны такими компаниями, как Infineon (продукты CoolMOS) и International Rectifier (IR).

Полупроводники с широким диапазоном разрыва

Основной прорыв в силовых полупроводниковых приборах ожидается благодаря замене кремния полупроводником с широкой запрещенной зоной. В настоящее время карбид кремния (SiC) считается наиболее перспективным материалом. Коммерчески доступны диод Шоттки на карбиде кремния (SiC) с напряжением пробоя 1200 В, а также JFET на 1200 В. Поскольку оба являются приборами с преобладающими носителями заряда, они могут работать на высоких скоростях. Для более высоких напряжений (до 20 кВ) разрабатывается биполярный прибор. К преимуществам карбида кремния относится возможность работы при более высокой температуре (до 400 °C) и более низкое тепловое сопротивление по сравнению с кремнием, что обеспечивает более эффективное охлаждение.