Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Tranzystory: historia i współczesność, część 5. Super Junction MOSFET, IGBT, tyrystory (budowa i działanie )

W poprzednim odcinku stwierdziliśmy, że nie sposób wytworzyć wysokonapięciowych MOSFET-ów o małej rezystancji RDSon i zapewniającej dużą szybkość małej pojemności wejściowej. W niektórych źródłach linia z rysunku 4b z poprzedniego odcinka nazywana jest nieprzekraczalną granicą dla tranzystorów MOSFET, wynikającą z własnościowi krzemu. Nie jest to do końca prawdą, ponieważ tak rysowane linie zazwyczaj dotyczą tylko krzemowych tranzystorów MOSFET o, powiedzmy, klasycznej budowie.
Article Image

Okazuje się, że znaczące zmodyfikowanie wnętrza półprzewodnikowej struktury pozwala w istotny sposób poprawić właściwości MOSFETów wysokonapięciowych.

Super Junction MOSFET - budowa i działanie

Koncepcja nazywana Super Junction (superzłącza) została opracowana w ostatnich latach XX wieku. Rysunek 1 pokazuje w uproszczeniu różnicę budowy wewnętrznej i uzyskiwane zmniejszenie rezystancji.

Rys.1 Różnica budowy wewnętrznej - klasyczny MOSFET i Super Junction MOSFET

Kluczem jest wytworzenie w strukturze dość głębokich „kolumn”, co nie jest łatwe, a do czego obecnie wykorzystuje się głównie albo technikę wielokrotnej epitaksji (multiple epitaxy) lub technikę trawienia „głębokich rowów” (deep trench) – rysunek 2. Te „kolumny” nie pozwalają nośnikom prądu „uciekać na boki” i zapewniają jednolity rozkład pola elektrycznego na długości (zamkniętego, nieprzewodzącego) kanału, przez co kanał może być krótszy i mieć mniejszą rezystancję podczas przewodzenia.

Rys.2 Technika wielokrotnej epitaksji (multiple epitaxy) i technika trawienia „głębokich rowów” (deep trench)

Tak ulepszone tranzystory, zwane najczęściej Super Junction MOSFET (SJMOS), są dostępne na rynku. Fotografia 3 pokazuje elementy rodziny Infineon CoolMOS, a rysunek 4 to fragmenty karty katalogowej CoolMOS IPW65R019C7 o napięciu 650V, prądzie 75A (w impulsie 496A), który ma rezystancję RDSon tylko 0,019Ω.

Tranzystory Super Junction MOSFET zapewniają znaczące polepszenie paramentów, ale nie radykalną poprawę. Zupełnie inną, popularną drogą poprawy są tranzystory IGBT.

Fot.3 Elementy rodziny Infineon CoolMOS
Rys.4 Fragmenty karty katalogowej CoolMOS IPW65R019C7

IGBT (tranzystor bipolarny z izolowaną bramką) - budowa i działanie

Insulated Gate Bipolar Trasnsistor to inaczej tranzystor bipolarny z izolowaną bramką. Rysunek 5 pokazuje uproszczony schemat zastępczy i spotykane symbole tranzystora IGBT. Tranzystory takie zostały wynalezione w latach 80., a na rynku stały się dostępne w latach 90. Są to tranzystory dużej mocy, łączące zalety MOSFET-ów (łatwość sterowania) i klasycznych bipolarnych tranzystorów złączowych BJT (duży prąd i napięcie pracy, małe napięcie nasycenia).

Są one sterowane napięciowo tak jak MOSFET-y, więc wyeliminowana zostaje główna wada bipolarnych tranzystorów wysokonapięciowych – konieczność zapewnienia dużego prądu bazy (a także wady związane z wyłączaniem). Jednocześnie pozostaje główna zaleta tranzystorów bipolarnych – wysokie napięcie pracy oraz stosunkowo małe napięcie nasycenia przy dużych prądach przewodzenia.

Rys.5 Uproszczony schemat zastępczy i spotykane symbole tranzystora IGBT

Rysunek 5 sugeruje, że IGBT to połączenie dwóch niezależnych tranzystorów. W rzeczywistości IGBT to pojedyncza struktura półprzewodnikowa (rysunek 6) o specyficznych cechach, a rysunek 5 jest mocno uproszczony, by pokazać kluczowe właściwości. Taka struktura półprzewodnikowa ma specyficzne cechy i ograniczenia. Zagadnienie jest skomplikowane. Pewne pojęcie o ograniczeniach daje rysunek 7, pokazujący dokładniejszy schemat zastępczy takiego elementu.

Rys.6 IGBT to pojedyncza struktura półprzewodnikowa
Rys.7 Ograniczenia tranzystora IGBT

Dziś tranzystory IGBT znajdują szereg zastosowań tam, gdzie występują wysokie napięcia i płyną duże prądy. Wykorzystywane są m.in. do budowy falowników, spawarek inwertorowych, nagrzewnic indukcyjnych, przecinarek plazmowych, itd. Dla porządku warto nadmienić, że nie ma tranzystorów IGBT niskonapięciowych ani IGBT małej mocy.

Rysunek 8 pokazuje fragmenty karty katalogowej Renesas RJH6088BDPK w obudowie TOP-3, o napięciu 600V, prądzie 60A i mocy strat ponad 260W. Istnieją też tranzystory IGBT o jeszcze wyższym napięciu pracy. Rysunek 9 pokazuje tranzystor IXYS IXEL40N400 o napięciu UCE = 4000V i prądzie 40A.

Rys.8 Fragmenty karty katalogowej Renesas RJH6088BDPK
Rys.9 Tranzystor IXYS IXEL40N400

Oprócz tranzystorów IGBT w klasycznych obudowach, dostępne są też wersje o dużych prądach oraz moduły, zawierające dwa lub więcej tranzystorów IGBT. Fotografia 10 pokazuje tranzystor z trzema równolegle połączonymi strukturami Infineon FZ3600R17KE3, o napięciu pracy 1700V, prądzie maksymalnym 4800A (w impulsie 7200A), o mocy strat 18000W, mający wymiary 190 x 140 x 38mm.

Fot.10 Tranzystor z trzema równolegle połączonymi strukturami Infineon FZ3600R17KE3

Dostępne są też jeszcze potężniejsze moduły o napięciu UCE = 6500V i prądach sięgających 1000A. Rysunek 11 pokazuje tranzystor Mitsubishi CM750HG-130R 6500V o prądzie ciągłym 750A (w impulsie 1500A). Z uwagi na cenę nie są to elementy dla hobbystów, ale też hobbyści nie mają potrzeb pracy z napięciami rzędu kilku kilowoltów i prądami rzędu kiloampera. Tranzystor IGBT o napięciu kilkuset woltów i prądzie kilkudziesięciu amperów można kupić w sklepie za kilka, kilkanaście, najwyżej kilkadziesiąt złotych, na przykład: www.tme.eu/pl/katalog#id_category=112842&page=1&s_field=niski_prog&s_order=ASC.

Rys.11 Tranzystor Mitsubishi CM750HG-130R 6500V

Na giełdach i aukcjach można kupić tranzystory i moduły IGBT z demontażu po bardzo atrakcyjnych cenach, więc nawet potężne IGBT są dziś także w zasięgu hobbystów – byle tylko potrafili je sensownie wykorzystać.

Zamykając temat IGBT, można by jeszcze wspomnieć o tranzystorach IEGT (Injection-Enhanced Gate Transistor), które mogą mieć jeszcze większe moce. Nie są to jednak popularne elementy. Można z grubsza przyjąć, że w układach impulsowych przy napięciach do 400V...1000V i prądach do 10A wykorzystuje się MOSFET-y, a powyżej tych granic dominują tranzystory IGBT. Klasyczne tranzystory BJT w takich zastosowaniach straciły swoje znaczenie, głównie z uwagi na powolne wyłączanie i „ogon prądowy” (current tail), wynikający z konieczności usunięcia nośników z obszaru bazy.

Rys.12 Maksymalna częstotliwość jest związana z prądem pracy

W zastosowaniach impulsowych kluczowe znaczenie mają parametry związane z szybkością włączania i wyłączania. Duża szybkość działania to podstawowy parametr w wielu zastosowaniach, a właśnie także w tranzystorach IGBT występują istotne ograniczenia częstotliwości przełączania do kilkudziesięciu kiloherców, najwyżej kilkuset kiloherców. Maksymalna częstotliwość jest też związana z prądem pracy – czym większy prąd (więcej nośników), tym dłuższe przełączanie i mniejsza maksymalna częstotliwość pracy. Ilustruje to rysunek 12.

Tyrystory - zasada budowy i działania

Choć tyrystory to odrębny temat, jednak warto wspomnieć o tych, wynalezionych w roku 1957, elementach bardzo dużej mocy. Zasada budowy i działania tyrystora jest bardzo prosta. To czterowarstwowy element npnp, który zachowuje się jak dwa połączone tranzystory – rysunek 13.

Prąd bramki włącza „dolny” tranzystor TA, a jego przewodzenie otwiera też „górny” tranzystor TB i taki element się „zatrzaskuje” wskutek silnego dodatniego sprzężenia zwrotnego. Po zaniku prądu bramki tyrystor nadal przewodzi aż do zaniku prądu anodowego.

Rys.13 Tyrystor to czterowarstwowy element npnp, który zachowuje się jak dwa połączone tranzystory

O ile trudno było opracować tranzystory o napięciach powyżej 100V, które miałyby zadowalające wzmocnienie prądowe, o tyle stosunkowo szybko powstały tyrystory o napięciach 1000V, a nawet więcej i o prądach pracy rzędu setek amperów.

Koniecznie należy także wspomnieć o wynalezionych w roku 1960 tyrystorach GTO (Gate Turn Off), które można także wyłączać prądem bramki, przez co mogą pracować podobnie jak tranzystory. Do dziś tyrystory i tyrystory GTO są wykorzystywane jako elementy przełączające w energoelektronice, przy czym ich napięcia pracy sięgają 10000V, a prądy – rzędu tysięcy amperów. Żadne tranzystory nie mogą pracować w takich warunkach. Jednak poważnym ograniczeniem w tyrystorach zwykłych i GTO jest niska częstotliwość pracy, poniżej 1kHz. Większość tych elementów pracuje w sieciach energetycznych z przebiegami o częstotliwości 50Hz.

Podsumowanie informacji na temat omawianych tranzystorów

Można powiedzieć, że zarówno klasyczne tranzystory bipolarne, MOSFET-y, jak też tranzystory IGBT, osiągnęły już wiek dojrzały i nie można się spodziewać radykalnej poprawy ich właściwości, w tym zwiększenia maksymalnej szybkości przełączania.

Rysunek 14 pokazuje przybliżony zakres „możliwości” przełączających elementów półprzewodnikowych: tranzystorów bipolarnych, MOSFET-ów oraz tyrystorów zwykłych i GTO. Jak widać, elementy naprawdę dużej mocy są powolne. Tymczasem nieustannie rośnie zapotrzebowanie na coraz szybsze elementy przełączające. Jak na razie, wygląda na to, że dotychczas znane rozwiązania oparte na krzemie nie zrewolucjonizują techniki impulsowej. Barierą są pewne właściwości krzemu i inne ograniczenia związane z budową dotychczas wynalezionych elementów.

Rys.14 Przybliżony zakres „możliwości” przełączających tranzystorów bipolarnych, MOSFET-ów oraz tyrystorów zwykłych i GTO

Dużą poprawę sytuacji może przynieść zastosowanie innych materiałów półprzewodnikowych. Zanim jednak przejdziemy do takich innych materiałów i wykonanych z nich elementów przełączających, które z uwagi na lepsze właściwości w ostatnich latach zyskują popularność, za miesiąc wspomnimy o jeszcze innych bardzo szybkich elementach dużej mocy. Elementach, które nie są wprawdzie przełącznikami, ale pracują przy zawrotnie wysokich częstotliwościach, wielokrotnie większych niż najszybsze przełączające tranzystory.

Tematyka materiału: MOSFET, IGBT, tyrystory
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich marzec 2019
Udostępnij
UK Logo