Потери на переключение и потери проводимости

Новое поколение транзисторов

Новая технология РТ IGBT против мощных полевых МОП транзисторов

Последнее время пристальное внимание разработчиков, в области силовой электроники, сконцентрировано на стремительном развитии последних технологий биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), и в частности, возможности их использования как недорогой альтернативы мощным полевым МОП транзисторам.

В данной статье приводится сравнение динамических характеристик, потерь на переключение и проводимости мощных полевых МОП транзисторов и биполярных транзисторов с изолированным затвором PT (Punch Through) новой технологии IGBT Advanced Power Technology Power MOS 7®. Также рассматривается использование последних в некоторых типовых, наиболее распространенных схемах включения.

Мы постараемся подробнее рассмотреть одно из направлений силовых полупроводниковых приборов – линию дискретных биполярных транзисторов с изолированным затвором РТ IGBT, выполненных по новой технологии Advanced Power Technology Power MOS 7®.

Структура РТ IGBT

Всем известно, что биполярные транзисторы с изолированным затвором обладают преимуществами легкого управления полевых МОП транзисторов и низкими потерями проводимости, характерными для биполярных транзисторов. Традиционно IGBT используют в применениях, где необходимо работать с высокими токами и напряжениями. Сегодня Advanced Power Technology представляет новое поколение РТ IGBT, которое позволяет сбалансировать потери на переключение и проводимости, и использовать биполярные транзисторы с изолированным затвором в области высоких частот, где обычно применяются полевые МОП транзисторы, одновременно обеспечивая высокий КПД.

Общая структура РТ IGBT представлена на рис. 1. Как видно из рисунка, структура РТ IGBT практически идентична структуре других топологий биполярных транзисторов с изолированным затвором.

Рисунок 1 - Структура РТ IGBT

Особенностью структуры РТ IGBT является наличие комбинации инжектирующего слоя p+ и буферного слоя n+. Благодаря высокой инжектирующей способности слоя p+, буферный слой контролирует коэффициент передачи транзистора при помощи ограничения числа дырок, которые были изначально введены в область дрейфа. В связи с тем, что время жизни неосновных носителей в буферном слое намного ниже, чем в области дрейфа, буферный слой поглощает захваченные дырки в момент выключения.

В дополнение к работе буферного слоя n+, «хвостовой» ток в PT IGBT контролируется ограничением общего времени жизни неосновных носителей до того, как они рекомбинируют. Это свойство называется управлением временем жизни неосновных носителей. Облучение электронами в процессе производства создает дополнительные рекомбинационные центры во всем пространстве кристалла кремния, которые существенно уменьшают время жизни неосновных носителей и, следовательно, хвостовой ток. Дырки быстро рекомбинируют, даже при условии отсутствия напряжения в устройстве, характерного для режима мягкого переключения.

Устройства нового поколения PT IGBT Power MOS 7® выделяются среди прочих IGBT высокой скоростью переключений. Этому способствует металлическая полосковая топология затвора. В результате применения данной топологии, устройства обладают очень низким внутренним эквивалентным сопротивлением затвора (EGR), доли Ом; гораздо меньшим, чем у устройств с поликремниевым затвором. Низкое сопротивление затвора дает возможность быстрее осуществлять переключения и, следовательно, уменьшить потери. Полосковая металлическая топология обеспечивает равномерное и быстрое возбуждение затвора, уменьшая нагрев при переходных процессах и повышая надежность. И наконец, полосковая структура затвора более устойчива к дефектам, которые неизбежно возникают во время производства, и улучшает выносливость и надежность устройства, особенно в режиме работы транзистора при высоком токе и высокой температуре.

Управление PT IGBT Power MOS 7® очень похоже на управление традиционными полевыми МОП транзисторами. При прямой замене полевых транзисторов устройствами PT IGBT Power MOS 7® в высокочастотных применениях, можно использовать те же уровни, даже если они составляют всего 10В. Хотя, в этих случаях, рекомендуемые значения управляющего напряжения затвора, для уменьшения потерь при включении, составляет 12 – 15В, как для биполярных транзисторов с изолированным затвором, так и для полевых МОП транзисторов.

Потери на переключение и потери проводимости

Динамические характеристики включения биполярных транзисторов с изолированным затвором практически идентичны характеристикам полевых МОП транзисторов. При выключении, есть различия, связанные с наличием хвостового тока. Подавить хвостовой ток полностью не удается, и поэтому у IGBT импульсная энергия выключения намного больше энергии включения. Стремление получить высокие динамические характеристики и сокращение потерь на переключение приводит к росту потерь проводимости, поэтому перед разработчиками часто стоит проблема выбора оптимального соотношения. Чтобы уменьшить потери проводимости, импульсная энергия должна увеличиваться и наоборот, а снижение напряжения приводит к росту потерь на переключение.

Рисунок 2 - Зависимость импульсной энергии E_off от напряжения V_CE(on)

Рисунок 2 изображает выбор оптимального соотношения между импульсной энергией выключения Еoff и напряжением коллектор-эмиттер в открытом состоянии транзистора VCE(on). Представлены зависимости для двух поколений IGBT: характеристика предыдущего поколения IGBT и характеристика нового поколения Advanced Power Technology РТ IGBT Power MOS 7®. При использовании устройств нового поколения РТ IGBT удается снизить энергию выключения на 30-50% без значительного увеличения VCE(on). Результатом этого является повышение КПД в импульсных источниках питания, использующих PT IGBT новой технологии Advanced Power Technology Power MOS 7®.