значительно упрощает схемы управления и во многих случаях затвор может управляться непосредственно логическими интегральными схемами, такими как CMOS и TTL, осуществляя непосредственное управление цапями большой мощности. Поскольку затвор изолирован от истока, требования к цепи управления почти не зависят от тока нагрузки. Это уменьшает стоимость цепи упраалания и приводит к понижению стоимости всей системы.

Область безопасной работы

Мощный МОП-транзистор в отличие от биполярного не требует уменьшения рабочей мощности в зависимости от приложенного напряжания. Явление вторичного пробоя не имеат места в предалах номинальных допустимых параметров прибора. В зависимости от применения могут быть исключены демпфирующие цепи или в них может быть применена меньшая емкость. Границы области безопасной работы определяются максимальным допустимым значением тока, напряжением пробоя и допустимой мощностью рассеяния прибора.

Напряжение открытого прибора

Минимальное напряжение открытого мощного МОП-транзистора определяется сопротивлением прибора в открытом состоянии гоз(оп)- Для приборов низкого напряжения значение rQS(on; чрезвычайно низкое, но для приборов высокого напряжения это значение увеличивается, rogfon) имеет положительный температурный коэффициент, что благоприятно при параллельном соединении приборов. Благодаря положительному температурному коэффициенту Гсд(оп) и отрицательному температурному коэффициенту крутизны, цепи с мощными МОП-транзисторами существенно менее чувствительны к изменениям теплового режима.

Примеры преимуществ, представляемых МОП-транзисторами

Высоковольтный преобразователь обратного хода

Для того, чтобы показать преимущества мощных МОП-транзисторов над биполярными, сравнивают работу двух приборов в одном и том же устройстве. Поскольку требования к цепи управления не одинаковы, речь не идет о простом замещении биполярного тран-

+V ,<36 v

MTUNHO Q1

1.0k

Vc<800 V

---- п..-) ilF

зистора на полевой, а о проектировании соответствующих цепей управления, дающих эквивалентный выход, как показано на рис. 1.tO. и 1.11. Рисунки 1.10 и 1.11 - схемы высоковольтного преобразователя обратного хода для выходной цепи с TMOS и с биполярным транзистором.

В рассматриваемом случае требовалась амплитуда выходного напряжения, питающего нагрузку 30 кОм (Рвых - 16 Вт) около 700 вольт. При указанных значениях компонент и согласовании ао времени ток индуктор/прибор, требующийся для генерирования этого напряжения обратного хода должен был бы линейно изменяться приблизитально до 3.0 А.

На рис. 1.10 показан вариант с TMOS. Благодаря высокому импедансу полевой транзистор MTM2N90 может управляться непосредственно от ШИМ-интег-ральной схемы. Однако ШИМ должен иметь амплитуду выходного напряжения около 15 вольт и давать около 100 мА для относительно высокочастотного переключения полевого транзистора. Это условие требует, чтобы на входе полевого транзистора был один или два резистора. Максимальное значение тока стока 3,2 А находится в пределах допустимых значений импульсного тока 7,0 А (2,0 - непрерывный ток) транзистора MTM2N90 и линия выключения нагрузки 3,2 А, 700 В хорошо укладываатся в область безопасной работы прибора при переключении (7 А, 900 В). Таким образом схема демонстрирует достоинства TMOS:

- высокий входной импеданс;

- высокую частоту переключения;

- отсутствие вторичного пробоя.

Сравним эту схему с вариантом на биполярном транзисторе (рис. 1.11).

Для достижения выходного напряжения в случае применения высоковольтного мощного биполярного транзистора MJ85505 в ключевом режиме требуатся довольно сложная схема генерирования соответствующих значений и 1вг- В этой схеме использованы три дополнительных транзистора (два из которых - мощные), три диода Вакег фиксации уровня, одиннадцать пассивных компонент и источник отрицательного напряжения для получения запирающего напряжения. Кроме того, допустимая область безопасной работы этого прибора составляет только 3 А при 900 В и 4,7 А

+ 170V

VCC 1

MTP4N50

Рис. 1.10. Выходной каскад на TMOS.

Рис. 1.12. Вариант с TMOS.

j50p?

o.ouf; s

1n8h . .

ше200 в,

. .-и-

v <70<1

: : 0.5,f

МС34060

PSA55

+ 170V

MJE13005

Рис. 1.11. Схема управления и выходная цепь биполярного транзистора.

Рис. 1.13. Вариант с биполярнымт ранзистором.

при 800 В - значения ниже допустимых 7,0 А и 900 В для полевого МОП-транзистора.

Переключатель на 20 кГц

Пример преимущества TMOS над биполярным транзистором, демонстрирующий его превосходящую скорость переключений, показан в силовой выходной цепи на рис. 1.12 и 1.13.

Рисунки 1.12 и 1.13 - сравнение TMOS и биполярного транзистора в силовой выходной цепи переключателя на 20 кГц.

В дополнение к упрощению схемы управления м понижению количества элементов, большая скорость переключения приводит к лучшему коэффициенту полезного действия схемы. В этом регуляторе переключения на 35 Вт наблюдалось повышение температуры при использовании одинаковых маленьких теплоотво-дов для каждого прибора: для мощного МОП-транзистора MTP4N50 - 18°С, а для биполярного транзистора MJE13005 - 45С.

Хотя потери в открытом состоянии были больше для TMOS, преобладающими были более низкие потери на переключении, что приводит к более эффективному переключающему устройству. Обычно при низких частотах переключения, когда преобладают статические потери, биполярные приборы более эффективны. При более высоких частотах, свыше 30 кГц до 100 кГц более эффективны мощные ПТ.

В настоящее время разработкой и производством мощных полевых транзисторов и мощных интегральных схем на их основе занимаются более 30 зарубежных фирм (табл. 1.1).

По количеству типов выпускаемых приборов лидирующее положение занимают фирмы Siliconix, Motorola и др. Фирма FerrantI производит серию мощных п- и р-канальных МОП-транзисторов IRF по ДМОП - технологии с восьмиугольной геометрией ячеек. При этом использованы технологические процессы БЙС: проекционная фотолитография и ионная имплантация. Плотность ячеек достигает 150 тыс. на кв.см. Транзисторы с каналом п-типа рассчитаны на напряжение до 500 В, с каналом р-типа - от 50 до 200 В. Использование параллельного соединения огромного количества ячеек {около 150 тыс. на 1 кв.см) способствует уменьшению сопротивления во включенном состоянии; для дальнейшего снижения значения сопротивления необходимо увеличивать Либо площадь пластины при фиксированной плотности ячеек, либо плотность ячеек на фиксированной площади. Сопротивление во аключенном состоянии МОП-транзисторов на напряжение 50...60 В даже меньше, чем у биполярных транзисторов на то же напряжение. Приборы нового поколения фирм Generation III (Falrchlld), HEXFET III (International Rectifier). TMOS (Motorola), MOSPOWER 6 (Siliconix) имеют плотность около ЗСО тыс. ячеек на 1 кв. см. что достигается использованием оптической проекционной литографии, ионной имплантации и плазменного травления.

Кроме дискретных МДП-транзисторов зарубежными фирмами выпускаются силовые модули на их основе. Фирма International Rectifier производит модули, содержащие несколько HEXFET элементов и представляющие два различных вида конструкции:

1) в виде (Сильноточного моно-модуля с расположенными несколькими параллельными кристаллами;

2) в виде полумостовых модулей с несколькими включенными параллельно кристаллами в каждой ветви полумоста.

Фирмы SemiKron + Siemens производят модули Semltrans типа SKMi5IF, переключающие нагрузку в несколько киловатт в течение 500 не. Они рассчитаны на напряжение 500 В, ток ЭВ А и содержат включенный астречно-параллельно эпитаксальный диод для уменьшения числа внешних компонентов. Модули типа SKMiat на напряжение 800 В, ток 30 А имеют изолированное металлическое основание для удобства монтажа нескольких модулей. Они используются в ультразвуковом оборудовании, установках индукционного

n-{Ng)

Рис. 1.14. Структура СИТ.

нагревь и инверторах с широтно-импульсной модуляцией на частотах до 20 кГц. Фирмой Toshiba (Япония) выпускаются ск.човые модули следующих типов:

1) мощный МДП-транзистор с обратным диодом;

2) полумостовой модуль (предельные параметры - 4Ш В. 50 А);

3) мостовой модуль (500 В, 10 А MGIOH4CMI;

4) мостоаой трехфазный модуль (500 В, 10 А, МР6704).

Параллельно с развитием высоковольтных ОДП-приборов совершенствуются и развиваются полевые транзисторы .с управляющим р-п-переходом, среди которых особое место занимают мощные полевые транзисторы со статической индукцией (СИТ), имеющие выходные вольт-амперные характеристики триодного типа.

Структура полевых транзисторов со статической индукцией приведена на рис. 1.14.

Верхний слой полупроводника п-типа содержит примеси р+ (затвор) и п+ (исток). Этот слой почти весь занят областью пространственного заряда (ОПЗ). В результате реализуется структура, в которой удается получить достаточную ОПЗ только с помощью диффузионного потенциала. В обычном планарном полевом транзисторе канал имеет достаточно большую длину в направлении потока носителей (по сравнению с шириной канала). В канале происходит омическое падение напряжения и вдоль него разность падений напряжений между затвором и каналом возрастает в направлении к стоку. Расширение области пространственного заряда пропорционально этой разности напряжений и поэтому перекрытие происходит в той части канала, которая ближе всего расположена к стоку. При этом максимальная рабочая частота ограничивается постоянной времени, определяемой входной емкостью и последовательным сопротивлением между истоком и областью перекрытий канала.

В полевых транзисторах со статической индукцией область истока почти совпадает с областью перекрытия канала, г собственный полупроводник между затвором и стоком обеспечивает сравнительно малую величину емкости затвора. В области, расположенной вслед за затвором, носители заряда проходят со скоростью, близкой к продольной, соответствующей высоким напряжениям и поэтому последовательное омическое сопротивление прибора не увеличивается. Время пролета в этой области аналогично времени пролета в дрейфовом транзисторе. Каналы индукционного полевого транзистора в отличие от каналов обычных полевых транзисторов, представляющих нейтральную область, образуются в слое пространственного заряда. Прохождение носителей через слой пространственного заряда определяет стоковые характеристики: ток стока не насыщается, а экспоненциально возрастает с увеличением напряжения на стока. Главное преимущество СИТ - сочетание высокого рабочего напряжения и тока с быстродействием. Имеются сообщения о серийно выпускаемых приборах на 1200 в, 80 А с временем выключения 500 не. Кроме того. СИТ имеет возможность работать в биполярно-полевом режиме, что

Таблица 1 I