Krafthalvledarenhet

En effekthalvledarenhet är en halvledarenhet som används som en omkopplare eller likriktare i kraftelektronik (till exempel i en switch-mode strömförsörjning ). En sådan enhet kallas också en kraftenhet eller, när den används i en integrerad krets , en kraft-IC .

En effekthalvledarenhet används vanligtvis i "kommuteringsläge" (dvs. den är antingen på eller av), och har därför en design optimerad för sådan användning; den ska vanligtvis inte användas i linjär drift. Linjära strömkretsar är utbredda som spänningsregulatorer, ljudförstärkare och radiofrekvensförstärkare.

Krafthalvledare finns i system som levererar så lite som några tiotals milliwatt för en hörlursförstärkare, upp till runt en gigawatt i en högspänningslikströmsledning .

Historia

Den första elektroniska enheten som användes i kraftkretsar var den elektrolytiska likriktaren - en tidig version beskrevs av en fransk experimentator, A. Nodon, 1904. Dessa var kort populära bland tidiga radioexperimentörer eftersom de kunde improviseras från aluminiumplåtar och hushållskemikalier . De hade låga motståndsspänningar och begränsad effektivitet.

De första halvledarenheterna för halvledarkraft var kopparoxidlikriktare, som användes i tidiga batteriladdare och strömförsörjning för radioutrustning, tillkännagav 1927 av LO Grundahl och PH Geiger.

Den första germaniumeffekthalvledaren dök upp 1952 med introduktionen av effektdioden av RN Hall . Den hade en omvänd spänningsblockerande förmåga på 200 V och en strömstyrka på 35 A.

Germanium bipolära transistorer med betydande effekthanteringsförmåga (100 mA kollektorström) introducerades runt 1952; med i stort sett samma konstruktion som signalapparater, men bättre värmesänkning. Effekthanteringsförmågan utvecklades snabbt, och 1954 fanns transistorer av germaniumlegering med 100 watts förlust. Dessa var alla relativt lågfrekventa enheter, som användes upp till cirka 100 kHz och upp till 85 grader Celsius korsningstemperatur. Krafttransistorer i kisel tillverkades inte förrän 1957, men när de var tillgängliga hade de bättre frekvensrespons än germaniumenheter och kunde arbeta upp till 150 C korsningstemperatur.

Tyristorn dök upp 1957. Den klarar mycket hög omvänd genombrottsspänning och kan också bära hög ström . En nackdel med tyristorn i omkopplingskretsar är emellertid att när den väl blir "låst på" i det ledande tillståndet; den kan inte stängas av med extern kontroll, eftersom tyristorns avstängning är passiv, dvs strömmen måste kopplas bort från enheten. Tyristorer som kunde stängas av, så kallade gate turn-off tyristorer (GTO), introducerades 1960. Dessa övervinner vissa begränsningar hos den vanliga tyristorn, eftersom de kan slås på eller av med en applicerad signal.

Power MOSFET

Ett genombrott inom kraftelektronik kom med uppfinningen av MOSFET (metall-oxid-halvledarfälteffekttransistor) av Mohamed Atalla och Dawon Kahng vid Bell Labs 1959. Generationer av MOSFET-transistorer gjorde det möjligt för kraftdesigners att uppnå prestanda- och densitetsnivåer som inte var möjliga med bipolära transistorer. På grund av förbättringar i MOSFET-tekniken (som ursprungligen användes för att producera integrerade kretsar ) blev kraft-MOSFET tillgänglig på 1970-talet.

1969 introducerade Hitachi den första vertikala power MOSFET, som senare skulle bli känd som VMOS (V-groove MOSFET). Från 1974 började Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony och Toshiba tillverka ljudförstärkare med power MOSFETs. International Rectifier introducerade en 25 A, 400 V effekt MOSFET 1978. Denna enhet tillåter drift vid högre frekvenser än en bipolär transistor, men är begränsad till lågspänningstillämpningar.

Den bipolära transistorn med isolerad grind ( IGBT) utvecklades på 1980-talet och blev allmänt tillgänglig på 1990-talet. Denna komponent har effekthanteringsförmågan hos den bipolära transistorn och fördelarna med den isolerade grinddriften hos effekt-MOSFET.

Vanliga enheter

Några vanliga strömenheter är ström - MOSFET , strömdiod , tyristor och IGBT . Effektdioden och effekt-MOSFET-enheten fungerar på liknande principer som sina motsvarigheter med låg effekt, men kan bära en större mängd ström och är vanligtvis kapabla att motstå en större omvänd förspänning i off-tillståndet .

Strukturella förändringar görs ofta i en kraftenhet för att ta emot den högre strömtätheten, högre effektförlusten och/eller högre omvänd genombrottsspänning. Den stora majoriteten av de diskreta (dvs icke-integrerade) kraftenheterna är byggda med en vertikal struktur, medan småsignalenheter använder en sidostruktur. Med den vertikala strukturen är enhetens strömvärde proportionell mot dess yta, och spänningsblockeringsförmågan uppnås i höjden av formen. Med denna struktur är en av anslutningarna på enheten placerad på botten av halvledarformen .

Power MOSFET är den vanligaste kraftenheten i världen, på grund av dess låga grinddrivkraft, snabba växlingshastighet och avancerade parallellkopplingsförmåga. Den har ett brett utbud av kraftelektroniska applikationer, såsom bärbara informationsapparater , integrerade strömkretsar, mobiltelefoner , bärbara datorer och kommunikationsinfrastrukturen som möjliggör Internet . Från och med 2010 står effekt-MOSFET för majoriteten (53 %) av krafttransistormarknaden, följt av IGBT (27 %), sedan RF- förstärkaren (11 %) och sedan den bipolära kopplingstransistorn (9 %).

Solid-state enheter

Enhet Beskrivning Betyg
Diod Unipolär, okontrollerad, omkopplingsenhet som används i applikationer som likriktning och kretsriktad strömkontroll. Omvänd spänningsblockerande enhet, vanligen modellerad som en switch i serie med en spänningskälla, vanligtvis 0,7 VDC. Modellen kan förbättras för att inkludera ett korsningsmotstånd för att exakt förutsäga diodspänningsfallet över dioden med avseende på strömflödet. Upp till 3000 ampere och 5000 volt i en enda silikonenhet. Högspänning kräver flera serier av silikonenheter.
Silikonkontrollerad likriktare (SCR) Denna halvkontrollerade enhet slås på när en grindpuls är närvarande och anoden är positiv jämfört med katoden. När en grindpuls är närvarande fungerar enheten som en vanlig diod. När anoden är negativ jämfört med katoden stängs enheten av och blockerar positiva eller negativa spänningar. Grindspänningen tillåter inte att enheten stängs av. Upp till 3000 ampere, 5000 volt i en enda silikonenhet.
Tyristor Tyristorn är en familj av enheter med tre terminaler som inkluderar SCR, GTO och MCT. För de flesta enheterna slår en grindpuls på enheten. Enheten stängs av när anodspänningen faller under ett värde (relativt katoden) som bestäms av enhetens egenskaper. När den är avstängd anses den vara en omvänd spänningsblockerande enhet.
Gate-avstängningstyristor (GTO) Grindens avstängningstyristor, till skillnad från en SCR, kan slås på och av med en grindpuls. Ett problem med enheten är att avstängda grindspänningar vanligtvis är större och kräver mer ström än påslagningsnivåer. Denna avstängningsspänning är en negativ spänning från grind till källa, vanligtvis behöver den bara vara närvarande under en kort tid, men storleken är i storleksordningen 1/3 av anodströmmen. En snubberkrets krävs för att tillhandahålla en användbar omkopplingskurva för denna anordning. Utan snubberkretsen kan GTO inte användas för att stänga av induktiva belastningar. Dessa enheter är, på grund av utvecklingen inom IGCT-teknik, inte särskilt populära inom kraftelektroniksfären. De anses vara kontrollerade, uni-polära och bi-polära spänningsblockerande.
Triac Triacen är en enhet som i huvudsak är ett integrerat par av fasstyrda tyristorer kopplade inverst-parallellt på samma chip. Precis som en SCR, när en spänningspuls finns på gateterminalen, slås enheten på. Den största skillnaden mellan en SCR och en Triac är att både den positiva och negativa cykeln kan slås på oberoende av varandra, med hjälp av en positiv eller negativ grindpuls. På samma sätt som en SCR, när enheten väl är påslagen, kan enheten inte stängas av. Denna enhet anses vara bipolär och omvänd spänningsblockering.
Bipolär övergångstransistor (BJT) BJT kan inte användas med hög effekt; de är långsammare och har mer resistiva förluster jämfört med enheter av typen MOSFET. För att bära hög ström måste BJT:er ha relativt stora basströmmar, så dessa enheter har höga effektförluster jämfört med MOSFET-enheter. BJTs tillsammans med MOSFETs anses också vara unipolära [ förtydliga ] och blockerar inte backspänning särskilt bra, såvida de inte installeras i par med skyddsdioder. I allmänhet används inte BJT i ​​kraftelektronikomkopplingskretsar på grund av de I2R- förluster som är förknippade med resistans- och basströmkrav. BJT:er har lägre strömförstärkningar i högeffektspaket, vilket kräver att de ställs in i Darlington-konfigurationer för att hantera de strömmar som krävs av kraftelektroniska kretsar. På grund av dessa multipla transistorkonfigurationer är omkopplingstiderna i hundratals nanosekunder till mikrosekunder. Enheter har spänningsklasser som maxar runt 1500 V och ganska höga strömvärden. De kan också parallellkopplas för att öka strömhanteringen, men måste begränsas till cirka 5 enheter för strömdelning.
Power MOSFET Den största fördelen med effekt-MOSFET jämfört med BJT är att MOSFET är en utarmningskanalanordning och därför är spänning, inte ström, nödvändig för att skapa en ledningsbana från avlopp till källa. Vid låga frekvenser minskar detta avsevärt gate-strömmen eftersom det bara krävs att ladda gate-kapacitansen under omkoppling, men när frekvenserna ökar minskar denna fördel. De flesta förlusterna i MOSFETs beror på på-motstånd, kan öka när mer ström flyter genom enheten och är också större i enheter som måste ge en hög blockeringsspänning. BV dss .

Växlingstider sträcker sig från tiotals nanosekunder till några hundra mikrosekunder. Nominella spänningar för MOSFET-omkopplingsenheter sträcker sig från några få volt till lite över 1000 V, med strömmar upp till cirka 100 A eller så, även om MOSFET-enheter kan parallellkopplas för att öka omkopplingsströmmen. MOSFET-enheter är inte dubbelriktade och de blockerar inte heller omvänd spänning.

Bipolär transistor med isolerad grind (IGBT) Dessa enheter har de bästa egenskaperna hos MOSFET och BJT. Liksom MOSFET-enheter har den bipolära transistorn med isolerad grind en hög grindimpedans, och därmed låga grindströmkrav. Liksom BJT:er har denna enhet lågt spänningsfall i tillståndet, vilket innebär låg strömförlust över omkopplaren i driftläge. I likhet med GTO kan IGBT användas för att blockera både positiva och negativa spänningar. Driftströmmarna är ganska höga, överstiger 1500 A och växlingsspänning upp till 3000 V. IGBT har reducerad ingångskapacitans jämfört med MOSFET-enheter, vilket förbättrar Miller-feedbackeffekten under på- och avstängning av hög dv/dt.
MOS-kontrollerad tyristor (MCT) Den MOS-styrda tyristorn är tyristorlik och kan triggas på eller av av en puls till MOSFET-grinden. Eftersom ingången är MOS-teknik finns det väldigt lite strömflöde, vilket möjliggör styrsignaler med mycket låg effekt. Enheten är konstruerad med två MOSFET-ingångar och ett par BJT-utgångssteg. Ingångs-MOSFET:er är konfigurerade för att tillåta påslagningskontroll under positiva och negativa halvcykler. BJT-utgångarna är konfigurerade för att möjliggöra dubbelriktad styrning och lågspänningsblockering. Några fördelar med MCT är snabba växlingsfrekvenser, ganska hög spänning och medelströmsvärden (cirka 100 A eller så).
Integrerad gate-kommuterad tyristor (IGCT) Liknar en GTO, men utan de höga strömkraven för att slå på eller stänga av lasten. IGCT kan användas för snabb omkoppling med liten grindström. Enhetens höga ingångsimpedans till stor del på grund av MOSFET-grinddrivrutinerna. De har låga resistansutgångar som inte slösar med kraft och mycket snabba transienttider som kan jämföras med BJT:er. ABB Group har publicerat datablad för dessa enheter och tillhandahållit beskrivningar av de inre funktionerna. Enheten består av en grind, med en optiskt isolerad ingång, lågresistans BJT-utgångstransistorer som leder till ett lågt spänningsfall och låg effektförlust över enheten vid ganska höga kopplingsspänningar och strömnivåer.

Ett exempel på den här nya enheten från ABB visar hur den här enheten förbättrar GTO-tekniken för omkoppling av hög spänning och hög ström i kraftelektroniktillämpningar. Enligt ABB kan IGCT-enheterna växla över 5000 VAC och 5000 A vid mycket höga frekvenser, något som inte är möjligt att göra effektivt med GTO-enheter.

Klassificeringar

Fig. 1: Strömenhetsfamiljen, som visar de viktigaste strömbrytarna.

En kraftenhet kan klassificeras som en av följande huvudkategorier (se figur 1):

  • En enhet med två terminaler (t.ex. en diod ), vars tillstånd är helt beroende av den externa strömkrets som den är ansluten till.
  • En enhet med tre terminaler (t.ex. en triod ), vars tillstånd inte bara är beroende av dess externa strömkrets, utan också signalen på dess drivande terminal (denna terminal är känd som grinden eller basen ) .
  • En enhet med fyra terminaler (t.ex. Silicon Controlled Switch -SCS). SCS är en typ av tyristor med fyra lager och fyra terminaler som kallas anod, anodgrind, katodgrind och katod. terminalerna är anslutna till det första, andra, tredje respektive fjärde lagret.

En annan klassificering är mindre uppenbar, men har ett starkt inflytande på enhetens prestanda:

  • En majoritetsbäraranordning (t.ex. en Schottky-diod, en MOSFET, etc.); detta använder endast en typ av laddningsbärare.
  • En minoritetsbäraranordning (t.ex. en tyristor, en bipolär transistor, en IGBT, etc.); detta använder både majoritets- och minoritetsbärare (dvs. elektroner och elektronhål ).

En majoritetsbärarenhet är snabbare, men laddningsinjektionen av minoritetsbärarenheter möjliggör bättre prestanda i tillståndet.

Dioder

En idealisk diod bör ha följande egenskaper:

  • När den är framåtspänd bör spänningen över ändterminalerna på dioden vara noll, oavsett strömmen som flyter genom den (på-tillstånd).
  • När den är förspänd ska läckströmmen vara noll, oavsett spänning (av-tillstånd).
  • Övergången (eller kommuteringen) mellan på-tillståndet och från-tillståndet bör vara omedelbar.

I verkligheten är designen av en diod en kompromiss mellan prestanda i på-tillstånd, från-tillstånd och kommutering. I själva verket måste samma område av enheten upprätthålla blockeringsspänningen i från-tillståndet och tillåta strömflöde i på-tillståndet; eftersom kraven för de två tillstånden är helt motsatta måste en diod antingen optimeras för ett av dem, eller så måste tiden tillåtas att växla från ett tillstånd till det andra (dvs. kommuteringshastigheten måste minskas).

Dessa avvägningar är desamma för alla kraftenheter; till exempel har en Schottky-diod utmärkt växlingshastighet och på-tillståndsprestanda, men en hög nivå av läckström i off-state. Å andra sidan är en PIN-diod kommersiellt tillgänglig i olika kommuteringshastigheter (de som kallas "snabb" och "ultrasnabba" likriktare), men varje ökning av hastigheten är nödvändigtvis förknippad med en lägre prestanda i påslaget.

Växlar

Fig.2: Ström-/spännings-/växlingsfrekvensdomäner för huvudströmelektronikomkopplarna.

Avvägningarna mellan spänning, ström och frekvensklasser finns också för en switch. Faktum är att vilken effekthalvledare som helst förlitar sig på en PIN-diodstruktur för att upprätthålla spänning; detta kan ses i figur 2. Power MOSFET har fördelarna med en majoritetsbärvågsenhet, så den kan uppnå en mycket hög driftfrekvens, men den kan inte användas med höga spänningar; eftersom det är en fysisk gräns förväntas ingen förbättring i designen av en MOSFET av kisel vad gäller dess maximala spänningsvärden. Dess utmärkta prestanda i lågspänningsapplikationer gör den dock till den valda enheten (faktiskt det enda valet för närvarande) för applikationer med spänningar under 200 V. Genom att placera flera enheter parallellt är det möjligt att öka strömstyrkan för en switch. MOSFET är särskilt lämpad för denna konfiguration, eftersom dess positiva termiska motståndskoefficient tenderar att resultera i en strömbalans mellan de individuella enheterna.

IGBT är en ny komponent, så dess prestanda förbättras regelbundet i takt med att tekniken utvecklas . Den har redan helt ersatt den bipolära transistorn i krafttillämpningar; En effektmodul finns tillgänglig där flera IGBT-enheter är parallellkopplade, vilket gör den attraktiv för effektnivåer upp till flera megawatt, vilket ytterligare tänjer på gränsen där tyristorer och GTO:er blir det enda alternativet. I grund och botten är en IGBT en bipolär transistor som drivs av en effekt MOSFET; den har fördelarna av att vara en minoritetsbärarenhet (bra prestanda i tillståndet, även för högspänningsenheter), med den höga ingångsimpedansen hos en MOSFET (den kan köras på eller av med mycket låg effekt) .

Den huvudsakliga begränsningen för IGBT för lågspänningstillämpningar är det höga spänningsfallet den uppvisar i tillståndet (2-till-4 V). Jämfört med MOSFET är driftfrekvensen för IGBT relativt låg (vanligtvis inte högre än 50 kHz), huvudsakligen på grund av ett problem under avstängning som kallas ström-svans: Den långsamma avklingningen av ledningsströmmen under avstängning resulterar i från en långsam rekombination av ett stort antal bärare som svämmar över den tjocka "drift"-regionen av IGBT under ledning. Nettoresultatet är att avstängningsförlusten [ de ] för en IGBT är avsevärt högre än dess tillslagsförlust. Generellt, i datablad, nämns avstängningsenergi som en uppmätt parameter; detta antal måste multipliceras med växlingsfrekvensen för den avsedda applikationen för att uppskatta avstängningsförlusten.

Vid mycket höga effektnivåer används fortfarande ofta en tyristorbaserad enhet (t.ex. en SCR , en GTO, en MCT , etc.). Denna enhet kan slås på av en puls som tillhandahålls av en drivkrets, men kan inte stängas av genom att ta bort pulsen. En tyristor stängs av så fort ingen mer ström flyter genom den; detta sker automatiskt i ett växelströmssystem vid varje cykel, eller kräver en krets med medel för att avleda ström runt enheten. Både MCT:er och GTO:er har utvecklats för att övervinna denna begränsning och används ofta i kraftdistributionsapplikationer .

Ett fåtal tillämpningar av krafthalvledare i switch-läge inkluderar lampdimmer , switch -mode strömförsörjning , induktionsspisar , biltändningssystem och AC- och DC-elektriska motorer av alla storlekar.

Förstärkare

Förstärkare arbetar i det aktiva området, där både enhetsström och spänning är lik noll. Följaktligen försvinner ström kontinuerligt och dess design domineras av behovet att avlägsna överskottsvärme från halvledaranordningen. Effektförstärkarenheter kan ofta kännas igen av kylflänsen som används för att montera enheterna. Det finns flera typer av effekthalvledarförstärkaranordningar, såsom den bipolära övergångstransistorn, den vertikala MOS-fälteffekttransistorn och andra. Effektnivåerna för individuella förstärkarenheter sträcker sig upp till hundratals watt, och frekvensgränserna sträcker sig upp till de lägre mikrovågsbanden . En komplett ljudeffektförstärkare, med två kanaler och en effekt i storleksordningen tiotals watt, kan läggas in i ett litet integrerat kretspaket som bara behöver några externa passiva komponenter för att fungera. En annan viktig applikation för aktivt lägesförstärkare är linjärt reglerade strömförsörjningar, när en förstärkaranordning används som en spänningsregulator för att bibehålla belastningsspänningen vid en önskad inställning. Även om en sådan strömförsörjning kan vara mindre energieffektiv än en strömförsörjning med switchat läge , gör den enkelhet att använda dem populära, särskilt i strömområden upp till cirka en ampere.

Parametrar

En kraftenhet är vanligtvis ansluten till en kylfläns för att ta bort värmen som orsakas av driftsförluster.
Effekthalvledarmatrisen för en treterminalsenhet (IGBT, MOSFET eller BJT). Två kontakter finns på toppen av formen, den återstående är på baksidan.
  1. Genombrottsspänning : Ofta finns det en avvägning mellan genomslagsspänningsklassificering och på-resistans, eftersom ökning av genombrottsspänningen genom att införliva ett tjockare och lägre dopat driftområde leder till ett högre på-motstånd.
  2. På-motstånd : En högre strömstyrka sänker på-motståndet på grund av ett större antal parallella celler. Detta ökar den totala kapacitansen och saktar ner hastigheten.
  3. Stig- och falltider : Den tid det tar att växla mellan på- och frånläge.
  4. Säkert arbetsområde : Detta är en termisk spridning och "låsning" övervägande.
  5. Termisk motstånd : Detta är en ofta ignorerad men extremt viktig parameter ur praktisk designsynpunkt; en halvledare fungerar inte bra vid förhöjd temperatur, och ändå värms en krafthalvledarenhet alltid upp på grund av stor strömledning. Därför måste en sådan anordning kylas genom att den värmen kontinuerligt avlägsnas; förpacknings- och kylflänsteknik ger ett sätt att ta bort värme från en halvledarenhet genom att leda den till den yttre miljön. Generellt har en stor strömanordning en stor form och förpackningsytor och lägre termiskt motstånd.

Forskning och utveckling

Förpackning

Förpackningens roll är att:

  • anslut en dyna till den externa kretsen.
  • tillhandahålla ett sätt att ta bort värmen som genereras av enheten.
  • skydda formen från den yttre miljön (fukt, damm, etc.).

Många av tillförlitlighetsproblemen för en kraftenhet är antingen relaterade till för hög temperatur eller trötthet på grund av termisk cykling. Forskning bedrivs för närvarande inom följande ämnen:

Forskning pågår också om elektriska frågor som att minska parasitinduktansen hos förpackningar; denna induktans begränsar driftfrekvensen, eftersom den genererar förluster under kommutering.

En lågspännings-MOSFET är också begränsad av parasitresistansen i dess paket, eftersom dess inneboende resistans i tillstånd är så låg som en eller två milliohm.

Några av de vanligaste typerna av krafthalvledarpaket inkluderar TO-220, TO-247, TO-262, TO-3, D 2 Pak, etc.

Förbättring av strukturer

IGBT-designen är fortfarande under utveckling och kan förväntas ge ökningar i driftspänningar. I den högeffektiva delen av sortimentet är den MOS-styrda tyristorn en lovande enhet. Att uppnå en stor förbättring jämfört med den konventionella MOSFET-strukturen genom att använda super junction charge-balance-principen: i huvudsak tillåter den att den tjocka driftregionen hos en kraft-MOSFET dopas kraftigt, vilket minskar det elektriska motståndet mot elektronflöde utan att kompromissa med genomslagsspänningen. Detta ställs intill ett område som på liknande sätt är dopat med motsatt bärarpolaritet ( hål ); dessa två liknande, men motsatt dopade regioner tar effektivt ut sin mobila laddning och utvecklar en "utarmad region" som stödjer högspänningen under off-state. Å andra sidan, under på-tillståndet, tillåter den högre dopningen av driftområdet det lätta flödet av bärare, vilket därigenom minskar på-motståndet. Kommersiella enheter, baserade på denna super junction-princip, har utvecklats av företag som Infineon (CoolMOS-produkter) och International Rectifier (IR).

Halvledare med breda bandgap

Det stora genombrottet inom krafthalvledarenheter förväntas från ersättningen av kisel med en halvledare med breda bandgap. För närvarande kiselkarbid (SiC) vara den mest lovande. En SiC Schottky-diod med en genomslagsspänning på 1200 V är kommersiellt tillgänglig, liksom en 1200 V JFET . Eftersom båda är en majoritetsbärare kan de arbeta i hög hastighet. En bipolär enhet utvecklas för högre spänningar (upp till 20 kV). Bland dess fördelar kan kiselkarbid arbeta vid en högre temperatur (upp till 400 °C) och har ett lägre termiskt motstånd än kisel, vilket möjliggör bättre kylning.

Se även

Anteckningar och referenser

Anteckningar

Referenser

externa länkar