1й=1 A/DIV t=5 s/DIV

lOV/DIV

ICR 5050

ПРОВОЛОЧНОЕ Ig=2A/DI¥ СОПРОТИВЛЕНИЕ .д

Ip=l A/DIV t=548/DI¥ МТРШОв

lOV/DIV 0-

Puc. 2.23 Сравнение ключа на базе СТО и TMOS при часпютг 33 кГц.

ет 0,6 В (типовое значение roscon) 0,15Ом) и 0,4 В Хотя и не показано на графике, но увеличение обратного смещения от О В до -5 В снимает температуру только на 2*С при частоте 33 кГц, т.к. при этом скорость выключения незначительно увеличивается.

Биполярный транзистор 2N6487

У данного транзистора отмечается повышение эффективности на высоких частотах, когда напряжение смещения увеличивается от О В до -5 В. Без смещения температура корпуса составляет 115°С при частоте 33 кГц, тогда как при \/вщощ -5 В она уменьшается до 7(ГС.

Транзистор Дарлингтона TIP 100

Низковольтный прибор TIP100 не имеет быстродействующего диода, подключенного к его базо-эмит-терному резистору и таким образом накопленный заряд выходного транзистора не может быть эффективно выведен. Соответственно нет какого-либо улучшения в температуре корпуса при низких и номинальных частотах и только на частоте 33 кГц наблюдается некоторое снижение (со 133°С до 117*С) при увеличении смещения до -5 В.

Данный прибор имеет самое большое напряжение насыщения из всех 4-х приборов, и поэтому начиная с частот 5 кГц, имеет самую высокую температуру корпуса.

СТО тиристор (экспериментальный образец)

По своим статическим потерям этот прибор занимает среднее положение между биполярным транзи-

стором и схемой Дарлингтбна. Его напряжение в открытом состоянии примерно 1,2 В при токе 4 А. При частоте 33 кГц, однако, его температура корпуса увеличивается до 125*С. Это связано с относительно медленными временами переключения, которые можно наблюдать на рис. 2.23. Рисунки 2.23 (а)., (в) и (с) показывают форму анодного тока, анодного напряжения и тока управления на частоте 33 кГц. Эти осциллограммы можно сравнить с током стока (рис. 2.23 d] и стоковым напряжением (рис.2.23 е) мощного МДП транзистора. Отметим, что время нарастания тока нагрузки ограничено индуктивностью проволочного резистора нагрузки и при этом МДП транзистор переключается все же намного быстрее.

Сравнение GEMFET с биполярным транзистором и МДП транзистором

GEMFET - МДП транзистор с дополнительным усилением - новый полупроводниковый прибор. Обладая структурной мощностью МДП транзистора этот прибор в то же время имеет небольшое напряжение в открытом состоянии, соизмеримое с биполярными транзисторами. И также высокий входной импеданс и быстрое включение при изолированном затворе. Но при высокой скорости включения, прибор обладает относительно медленным выключением, что является существенным недостатком по крайней мере в приборах первого поколения.

Основным преимуществом GEMFET над МДП транзистором является его низкое сопротивление открытого канала, ros(on) высоковольтных МДП приборов значителен и растет с увеличением температуры корпуса

Ь 40

D ID го ao 40 50 eo 70 80 Коэсрсрициент запопнения, % Рис 2.24 Зависимость температуры корпуса от коэффициента заполнения импульсов при двигательной нагрузке.

и с ростом тока стока, наоборот го8(оп) У GEMFET у.!еиы11ается с ростом температуры и не сильно зависит от тока стока; Т.к. у МДП транзистора отсутствует сдвиг напряжения в выходных характеристиках, при малых токах напряжения открытого состояния у МДП транзистора очень небольшое. Однако на больших токах и при высоких температурах GEMFET все же предпочтительней.

Для иллюстрации эффективности двух приборов в корпусе ТО-220 - GEMFET MGP20N50 и МДП MTP4N50 (примерно одинаковые размеры), а также биполярного высоковольтного транзистора (корпус ТО-220) ключевого типа была использована испытательная схема на низкой частоте из предыдущего раздела, результаты испытания: температура корпуса от коэффициента заполнения, приведены на рис. 2.24.

Отметим, что на низких частотах, где преобладают потери на насыщение, GEMFET более эффективен, чем МДП транзистор, особенно при низких коэффициентах заполнения (высокие токи в двигателе). А при увеличении ширины импульсов (ток в двигателе уменьшается) даже начинает превосходит биполярный прибор.

0.5 1.0 г.о 5.0 f, Частота, кГц

Рис. 2.26 Зависимость температуры корпуса от частоты переключения при резистивной нагрузке для различных групп транзисторов.

Другое испытание для сравнения трех приборов было приведено на индуктивную нафузку при разлтных частотах (при этом на всех частотах поддерживался одинаковый пик тока, за счет изменения и*адуктивности. Результаты испытания приведены на рис. 225. На вьюоких частотах GEMFET более перегрет из-за медленного выключения. При этом преимущества МДП транзистора становятся очевидными на частотбк выше 25 кГц

Эффективность силовых сборок МДП транзисторов, биполярных транзисторов и транзисторов Дарлингтона

в настоящее время наряду с различными типами переключателей полевые транзисторы также входят в состав сборок на токи порядка 100 А. Силовые корпусы (EMS) которые были специально разработаны для схем Дарлингтона реально приспособлены и к полевым транзисторам, это корпус серии Case 353 .

В дополнение к проведенным испытаниям приборов в обычных корпусах ТО-204 (ТО-3) и ТО-220, были проведены температурные испытания, когда приборы помещались в EMS силовой корпус. В качестве испытуемых приборов присутствовали низковольтный на средние токи мощный МДП транзистор MTE100N06 (100 А, 60 В) и аналогичных размеров низковольтные экспериментальные образцы транзисторов - биполярного и Дарлингтона. Результаты их испытания на резистивную нагрузку при изменении частоты от 100 Гц до 12 кГц приведены на рис. 2.26 (зависимость температуры корпуса от частоты переключения). Из приведенной зависимости следует, что силовая сборка МДП транзисторов более эффективна особенно с увеличением частоты.

Индуктивная нагрузка -ЬМ=1СМ=0.5А -

Коэфф. залолнения=25% Ta-25C ~

-Плоский радиатор 4 х4 х1 Д

MOSFET MTP4N50

GEMFET

/ MGPP20N50

D.5 1.0 2.0 5.0 ID

f. Частота, кГц

Рис. 2.25 Зависимость температуры корпуса от изменения частоты для различных типов транзисторов.

2.3 Особенности применения новых полевых приборов GEMFET- новое направление для силового управления

Мощные переключатели должны стремиться к своему идеалу: в закрытом состоянии это бесконечное сопротивление и нулевое сопротивление в открытом, мгновенное время переключения и нулевая входная мощность для управления. Койструкции реальных приборов обладают характеристиками близкими к идеальным для реального применения. Для выбора ключа рассматривают величины напряжения, тока, частоты переключения, схемы управления, индуктивность нагрузок, температурные эффекты и т.п. Каждый переключатель имеет строгие показатели, по которым судят о его применимости в данной ситуации.

Для твердотельных переключателей существуют три

характеристики, которые наиболее желательны - это быстрая скорость переключения, простая схема управления, и малые потери в открытом состоянии. Для низковольтных применений новые разработки мощных МДП транзисторов имеют очень низкие сопротивления открытого канала и близки к идеальным ключам. Однако в высоковольтных приборах относительно высо-кое сопротивление все еще ограничивает эффективность МДП приборов. Дальнейшее уменьшение сопротивления в открытом состоянии rDS(on) становится затруднительным, т.к. теоретически оно приближенно к своему минимуму, который определяется оптимальной геометрией элемента и резистивностью пространственного N слоя (N - Ер1). Следовательно, для уменьшения гоэ[оп) уже требуются новые технологии.

GEMFET - это результат одной из требуемых технологий. Это относительно новый высоковольтный мощный полупроводниковый прибор с характеристиками ранее не достигаемыми в силовых схемах. По отношению к мощному МДП транзистору GEMFET имеет прямое падение напряжения соизмеримое с биполярным прибором и в то же время очень высокое входное сопротивление и быстрое включение как и у приборов с изолированным затвором.

Хотя время включения и очень быстрое, время спада тока составляет примерно 4 мкс. т.е. относительно медленное, что может ограничивать использование приборов (по крайней мере первого поколения) только область низкочастотных схем.

При частотах переключения ниже 10 кГц, GEMFET представляет альтернативу для большинства известных биполярнкй, мощных МДП и тиристорных приборов. В сравнений со стандартными тиристорами, GEMFET более быстр и обладает повышенным входным импедан-

ИетаАлизация истока Оксид затвора Полнкремний

Сток

МетвАлизация истока

Оксид затвора ПоАикремний

Сток

Рис. 2.27 а) Элемент структуры TMOS б) Элемент структуры GEMFET

сом, более устойчив к эффекту dv/dt И, как сказано выше, выключается по электроду управления (по затвору), несмотря на то, что некоторые виды тиристоров (например GTO или запираемые тиристоры) могут выключаться по цепи управления, им требуются значительные обратные токи в цепи управления, тогда как для выключения GEMFET требуется только разрядить входную емкость затвора. С другой стороны, тиристоры, конечно, имеют более высокий класс по напряжению и току в сравнении с GEMFET.

В характеристиках управления GEMFET предпочтительнее биполярных приборов. Например, для биполярного прибора на 10 А требуется ток управления в базу порядка 2 А (предполагая реальным р - 5), тогда как для GEMFET это только наноамперы для перевода его в открытое состояние. Транзистор Дарлингтона также прост в управлении, однако имеет высокое падение напряжения в открытом состоянии.

Иногда МДП-транзисторы используют в низкочастотных схемах из-за простоты в управлении. Во многих высоковольтных низкочастотных схемах замена МДП-транзисторов на GEMFET более выгодна, например, для уменьшения стоимости переключателя. Т.к. структура цепи управления обоих приборов аналогична, схемы управления практически пригодны без существенной модернизации.

Итак, GEMFET более предпочтительны для схем на высокие токи, высокие напряжения, низкие частоты. Область применения GEMFET включает схемы управления двигателями, автомобильные переключатели, программируемые контролеры, роботы, бытовая техника и т.д.

Структура прибора

GEMFET очень напоминает мощный МДП-транзистор, изготовленный по методу двойной диффузии; GEMFET может быть изготовлен практически по тем же маскам, что и МДП приборы. Рисунок 2.27 иллюстрирует практически две одинаковые структуры за исключением Р+ слоя, соседнего со слоем металлизации стока. Дополнительные носители заряда в виде дырок, инжектируемые из Р+ подложки в высокоом-иый пространственный N слой приводит к уменьшению прямого напряжения. В результате четырехслой-ная структура (P-N-P-N) приводит к плотности тока много большей, чем та, что в мощном -МДП транзи-

О Сток

Затвор О-

Сток

Затвор

Исток

Обознач

MOSFET

Затвор О-

6 Исток

MQSPET

эквивалентная схема

Сток

Исток

Исток

СЕКРЕТ

Обозначение СЕп эквивалентная схема

Рис 2.28 Обозначение и жвивалентая схема MOSFET и GEMFET.