Силові IGBT і MOSFET транзистори

  СИЛОВІ IGBT і MOSFET ТРАНЗИСТОРИ

Вступ

Силові транзистори IGBT і MOSFET стали основними елементами, вживаними в могутніх імпульсних перетворювачах. Їх унікальні статичні і динамічні характеристики дозволяють створювати пристрої, здатні віддати в навантаження десятки і навіть сотні кіловат при мінімальних габаритах і КПД, що перевищує 95 %.

Загальним у IGBT і MOSFET є ізольований затвор, внаслідок чого ці елементи мають схожі характеристики управління. Завдяки негативному температурному коефіцієнту струму короткого замикання з'явилася Спроможність створювати транзистори, стійкі до короткого замикання. Зараз транзистори з нормованим часом перевантаження по струму випускаються практично всіма провідними фірмами.

Відсутність струму управління в статичних режимах дозволяє відмовитися від схем управління на дискретних елементах і створити інтегральні схеми управління — драйвери. В даний час ряд фірм, таких як International Rectifier, Hewlett-Packard, Motorola, випускає широку гамму пристроїв, що управляють одиночними транзисторами, напівмостами і мостами — двух- і трифазними. Окрім забезпечення струму затвора, вони здатні виконувати і ряд допоміжних функцій, таких як захист від перевантаження по струму і короткого замикання (Overcurrent Protection, Short Circuit Protection) і падіння напруги управління (Under Voltage LockOut — UVLO). Для ключових елементів з управляючим затвором падіння напруги управління є небезпечним станом. При цьому транзистор може перейти в лінійний режим і вийти з ладу через перегрів кристала.

Користувачам буває нелегко розібратися в широкій гаммі мікросхем, що випускаються зараз для використовування в силових схемах, не дивлячись на схожість їх основних характеристик. У даній статті розглядаються особливості використовування найпопулярніших драйверів, що випускаються різними фірмами.

1. Особливості застосування драйверів MOSFET і IGBT

Основною допоміжною функцією драйверів є захист від перевантаження по струму. Для кращого розуміння роботи схеми захисту необхідно проаналізувати поведінку силових транзисторів в режимі короткого замикання (або КЗ — звична для розробників абревіатура).

Причини виникнення струмових перевантажень різноманітні. Найчастіше це аварійні випадки, такі як пробій на корпус або замикання навантаження.

Перевантаження може бути викликана і особливостями схеми, наприклад перехідним процесом або струмом зворотного відновлення діода оппозітного плеча. Такі перевантаження повинні бути усунені методами схемотехнік: застосуванням ланцюгів формування траєкторії, вибором резистора затвора, ізоляцією ланцюгів управління від силових шин і ін.

Принципова схема і епюри напруги, відповідні цьому режиму, приведені на рисунках 1 та 2. Всі графіки одержані при аналізі схем за допомогою програми PSpice. Для аналізу були використані вдосконалені моделі транзисторів MOSFET фірми International Rectifier і макромоделі IGBT і драйверів.

Рисунок 1. – Режими короткого замикання

Максимальний струм в ланцюзі колектора транзистора обмежений напругою на затворі і крутизною транзистора. Через наявність ємністі в ланцюзі живлення внутрішній опір джерела живлення не впливає на струм КЗ. У момент включення струм в транзисторі наростає плавно через паразитну індуктивність LS в ланцюзі колектора. З цієї ж причини напруга має провал (нижній графік). Після закінчення перехідного процесу до транзистора прикладена повна напруга живлення, що приводить до розсіяння величезної потужності в кристалі. Режим КЗ необхідно перервати через деякий час, необхідне для виключення помилкового спрацьовування. Цей час звичайно складає 1–10 мкс. Природно, що транзистор повинен витримувати перевантаження протягом цього часу.

Рисунок 2. – Коротке замикання навантаження для включеного транзистора

Принципова схема і епюри напруги, відповідні цьому режиму, приведені на рисунку 2. Як видно з графіків, процеси в цьому випадку відбуваються трохи інакше. Струм, як і у попередньому випадку, обмежений параметрами транзистора, наростає з швидкістю, визначуваною паразитною індуктивністю Ls (середній графік на рисунку 3). Перш ніж струм досягне сталого значення, починається зростання напруги Vce (нижній графік). Напруга на затворі зростає за рахунок ефекту Міллера (верхній графік). Відповідно зростає і струм колектора, який може перевищити стале значення. У цьому режимі окрім відключення транзистора необхідно передбачити і обмеження напруги на затворі.

Рисунок 3.

Як було відмічено, стале значення струму КЗ визначається напругою на затворі. Проте зменшення цієї напруги приводить до підвищення напруги насичення і, отже, до збільшення втрат провідності. Стійкість до КЗ тісно пов'язана і з крутизною транзистора. Транзистори IGBT з високим коефіцієнтом посилення по струму мають низьку напругу насичення, але невеликий допустимий час перевантаження. Як правило, транзистори, найстійкіші до КЗ, мають високу напругу насичення і, отже, високі втрати.

Допустимий струм КЗ у IGBT набагато вищий, ніж у біполярного транзистора. Звичайно він рівний 10-кратному номінальному струму при допустимих напругах на затворі. Провідні фірми, такі як International Rectifier, Siemens, Fuji, випускають транзистори, що витримують без пошкодження подібні перевантаження. Цей параметр обмовляється в довідкових даних на транзистори і називається Short Circuit Ration, а допустимий час перевантаження — tsc — Short Circuit Withstand Time.

Швидка реакція схеми захисту взагалі корисна для більшості застосувань. Використовування таких схем в поєднанні з високо економічними IGBT підвищують ефективність роботи схеми без зниження надійності.