Tranzystory IGBT – budowa, parametry i ich obwo

Tranzystory IGBT – budowa, parametry i ich obwody sterowania
Tranzystory IGBT – budowa, parametry i ich obwody sterowania (cz.1)
Karol Świerc
P
racując w branży elektronicznej, przyzwyczailiśmy się już do dynamiki jej postępu technicznego. Technologia goni rozwiązania układowe, te
zaś muszą sprostać w najefektywniejszym wykorzystaniu
cech, jakie oferują kluczowe elementy. Do elementów
kluczowych należy przede wszystkim zaliczyć elementy
wykonawcze, którymi najczęściej są elementy kluczujące.
To zaś tranzystory i tyrystory, o lampach elektronowych
już się zapomina, że w ogóle istniały i wyznaczały trend
młodej branży elektronicznej. Faktycznie, jako klucze nie
zdawały egzaminu. Burzliwy rozwój układów kluczujących
datuje się od wynalezienia tranzystora. Jakże daleko technologia posunęła się od czasu pierwszych germanowych
tranzystorów bipolarnych.
Potrzeba jest matką wynalazku. Potrzeba w zakresie
sprawnych kluczy, potrafiących przełączać duże prądy i
napięcia, czynić to z niewielkimi stratami energii, była i jest
ogromna. Kiedy nie dawały rady tranzystory krzemowe,
znacznie wzrosła popularność tyrystorów, co z techniki
telewizyjnej znamy szczególnie dobrze. Tyrystory były
niezłymi kluczami, jednak problem z ich wyłączaniem
był zmorą i utrapieniem. Dlatego kiedy technologia tranzystorów pozwoliła na ich zastąpienie, o tyrystorach
zapomniano bez żalu. Obecnie królują dwa typy kluczy:
wysokonapięciowe tranzystory bipolarne i polowe. Jak na
razie „idą dość równo”, choć wydaje się, że tranzystory
MOSFET wychodzą na prowadzenie. Coraz lepsze są
same elementy, a także zoptymalizowano ich drivery, co
czyni klucze lepszymi niż kiedykolwiek dotąd. Niestety,
do ideału jeszcze im daleko. Podwyższanie częstotliwości
pracy jest pokusą nie do odparcia. Choć klucz jest niemal
idealny w stanie statycznym, dynamika zawsze będzie
problemem. Już w „Serwisie Elektroniki” datowanym na
maj 2000 roku publikowaliśmy artykuł porównujący warunki pracy tranzystora-klucza w przetwornicy napięcia
i układzie odchylania poziomego odbiornika OTVC. Porównywaliśmy także wielokrotnie tradycyjne tranzystory
BU… z ich unipolarnymi konkurentami. Sporo ciekawych
informacji można by także podać w temacie tyrystorów,
ale te niestety, już nikogo nie interesują.
Czy zatem mamy do czynienia wyłącznie z dwoma
elementami w zakresie wysokonapięciowych kluczy,
nazywanych często w skrócie BU i BUZ? Naprawiając
jedynie elektronikę RTV można odnieść takie wrażenie.
Insulate Gate Bipolar Transistor, IGBT, bipolarny
tranzystor z izolowaną bramką jest alternatywą dla przywołanych wyżej kluczy. To skrzyżowanie tranzystora
bipolarnego z unipolarnym daje zupełnie nową jakość.
Łączy w sobie zalety, ale także i wady obu technologii.
Okazuje się, iż tranzystor IGBT jest atrakcyjną alternatywą
w zakresie bardzo dużych prądów i napięć. Elementy te
pojawiły się na rynku we wczesnych latach osiemdziesiatych dwudziestego wieku.
Kilka następnych stron naszego pisma wygospodarowaliśmy dla przybliżenia technologii IGBT. Dodajmy
jednak na wstępie, „gwoli sprawiedliwości”.
W przytoczonym wyżej wstępie, a także w całym
artykule, mówimy o kluczach. A przecież tranzystor został wynaleziony, jako element aktywny. Jako element
potrafiący realizować wzmocnienie sygnału. To prawda,
jednak z biegiem czasu, zyskiwał on na znaczeniu jako
klucz. Nawet w tak „z krwi i kości analogowym obwodzie”
jakim jest akustyczny wzmacniacz fonii (od którego wymaga się przede wszystkim znikomych zniekształceń
sygnału), tranzystory coraz częściej pracują jako elementy
kluczujące. Ten tryb pracy (klasa D) narzucają wymogi
sprawności wzmacniacza. Omawiając technologię IGBT,
także pozostaniemy przy ich zastosowaniu jako klucze.
Nie znaczy to oczywiście, że tranzystor ten nie może pracować na aktywnej części swojej charakterystyki. W tym
zakresie nie ma żadnych technologicznych ograniczeń. O
rezygnacji z pracy liniowej, decydują wyłącznie względy
sprawności energetycznej obwodu.
1. Klucz idealny kontra rzeczywisty
Poszukiwanie idealnego klucza, jest tak stare jak
konstrukcje obwodów “switch power …”. Najlepszym
byłby prawdopodobnie klucz mechaniczny, np. w postaci
kontaktronu, gdyby nie wolna natura obwodów mechanicznych, oraz … zużycie styków. Klucze mechaniczne
znamy praktycznie z jednej kategorii obwodów, układów
zapłonowych samochodów i motocykli. Mowa oczywiście
o motoryzacji „sprzed lat”, nie naszpikowanej elektroniką.
Mimo prostoty obwodu, przerywacz był jednym z najbardziej awaryjnych elementów silnika, z którym jednak
dobrze sobie radził każdy fachowiec. O ile w aplikacji
silnika spalinowego klucz mechaniczny nadążał, o tyle w
przypadku przetwornic napięcia, różnego rodzaju inwerterów, falowników, driverów bezkomutatorowych silników
elektrycznych, nie ma już o tym mowy. Poszukiwanie idealnego klucza półprzewodnikowego rozważa następujące
aspekty. Powinien mieć (1) zerową rezystancję w stanie
włączenia, (2) nieskończoną w stanie wyłączenia, (3) czas
przełączania zerowy, a także (4) zerową moc wymaganą
do jego przełączania. Przy tym, aby pracował bezpiecznie,
musi z należnym marginesem pokrywać zakresy napięć
i prądów przewidziane aplikacją.
2. Porównanie tranzystorów bipolarnych i MOSFET oraz tyrystorów jako
kluczy półprzewodnikowych
Technologie obu konkurujących rodzin elementów
półprzewodnikowych są zasadniczo różne w sposobie
SERWIS ELEKTRONIKI 1
Tranzystory IGBT – budowa, parametry i ich obwody sterowania
działania i wykazują odmienne charakterystyki.
BJT – Bipolar Junction Transistor jest elementem
wykorzystującym zjawiska fizyki półprzewodników występujące na złączu, tj. na styku dwu półprzewodników
w różny sposób domieszkowanych. Tranzystor bipolarny
jest elementem sterowanym prądowo i jego charakterystyka wejściowa jest zbliżona do charakterystyki prądowo-napięciowej diody; nieliniowość w dużej mierze ma
charakter ekspotencjalny. Charakterystyka wyjściowa
jest także dobrze znana, od niej zaczyna się praktycznie
każdy kurs lub wykład poświęcony elektronice półprzewodników. W pracy tranzystora jako klucza, istotny jest
fragment charakterystyki w obszarze nasycenia.
Mimo że charakterystyka wyjściowa tranzystora MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
wykazuje zbliżony kształt, w obszarze nasycenia jest zdecydowanie różna. W przypadku tranzystora bipolarnego
mówi się o napięciu nasycenia, w przypadku tranzystorów
polowych – o rezystancji włączonego kanału. Sugeruje
to rezystancyjny charakter włączonego tranzystora polowego i charakter progowy spadku napięcia na tranzystorze bipolarnym. Faktycznie, w przypadku tranzystora
bipolarnego nieliniowość jest silniejsza, niemniej, spadek
napięcia jest też funkcją prądu. O ile od idealnego klucza
żądamy zerowej rezystancji, zakres (kluczowanych) prądów zadecyduje, który z tranzystorów (BJT czy MOSFET)
jest lepszym kluczem pod względem kryterium (1). Przy
małych prądach korzystniejsza jest liniowość tranzystora
MOSFET, przy dużych nieliniowość złącza tranzystora
bipolarnego. Okazuje się jednak, że nie tylko prąd decyduje o tym, który tranzystor wykaże mniejszy spadek
napięcia na włączonym kluczu. Tajniki technologii budowy
tranzystorów polowych uzasadniają, iż rezystancja kanału
szybko rośnie, gdy wymagamy dużych napięć przebicia.
RDSON proporcjonalny jest do Ubreakdown do potęgi ok. 2.7.
Okazuje się zatem, iż w układach wysokonapięciowych,
w stanie włączonym, lepszym kluczem jest zwykle BJT.
W stanie wyłączonym oba klucze są praktycznie idealne,
i analizę w tym zakresie można pominąć.
W pogoni za coraz wyższymi częstotliwościami kluczowania, coraz większego znaczenia nabiera dynamika.
Współczesne tranzystory MOSFET są szybsze od swych
starszych braci. Wynika to z faktu, iż działanie tranzystora
bipolarnego opiera się na ruchliwości nośników mniejszościowych, przeciwnie jest w przypadku tranzystorów
MOSFET.
Zdecydowaną przewagę tranzystory polowe wykazują
pod względem złożoności obwodów sterowania. Sterowane są bowiem napięciem, bezprądowo. Tranzystory
Power MOSFET wykazują jednak znaczne pojemności
bramka-źródło, co powoduje, iż prąd przeładowywania
tej pojemności może osiągać znaczne wartości. Mimo to,
driver jest zwykle prostszy, aniżeli w przypadku wysokonapięciowych tranzystorów bipolarnych, które wykazują
niewielkie wzmocnienie prądowe. Natomiast moc sterowania kluczy jest już znacznie niższa w przypadku tranzystorów MOSFET. Jest jeszcze jedna cecha, o której należy
powiedzieć porównując tranzystory BJT i tranzystory
MOSFET. Technologia budowy tranzystora polowego z
izolowaną bramką wymusza istnienie pasożytniczej diody
„antyrównoległej” do obwodu dren-źródło. Jako element
pasożytniczy, powinien być niepożądany. Często jednak,
dioda taka w obwodach kluczujących jest potrzebna, a
często po prostu „nie przeszkadza”. Bywa zatem, że istnienie pasożytniczej diody upraszcza obwód, w którym
tranzystor MOSFET kluczuje. Równocześnie, należy mieć
świadomość, iż parametry tej diody, jako elementu pasożytniczego, nie są na etapie produkcji optymalizowane.
Dlatego, często na schemacie widzimy diodę dyskretną,
mimo istnienia takowej w kluczu. Tranzystory bipolarne nie
wykazują pasożytniczego złącza i jeśli zachodzi taka potrzeba, dioda jest zaimplementowana w strukturę celowo
(np. BU508D). Podsumowując, istnienie pasożytniczego
złącza w tranzystorze polowym przemawia czasem na
jego korzyść, czasem jest zaś wadą dyskwalifikującą
tranzystor jako klucz.
Porównując klucze półprzewodnikowe, wypada co
najmniej wspomnieć też o tyrystorach. Pomijamy już
porównanie tranzystorów MOSFET z ich kuzynami tranzystorami złączowymi JFET; nie jest to tematem niniejszego
opracowania.
Tyrystor jest czterowarstwową strukturą półprzewodnika npnp. Wykazuje trzy złącza i jego działanie jest
bliższe tranzystorowi BJT. W istocie, tyrystor można
zasymulować obwodem dwu tranzystorów npn i pnp o
silnym wzajemnym (dodatnim) sprzężeniu zwrotnym. Jak
powiedziano we wstępie, tyrystory nie są złymi kluczami,
jednak zmorą jest brak możliwości wyłączenia klucza
z obwodu bramki. Fakt ten prowadzi do skomplikowanych obwodów komutacji, aby klucz tyrystorowy mógł w
ogóle poprawnie pracować. Niewiele sytuację poprawiło
opracowanie tyrystorów GTO (wyłączanych bramką),
nie znalazły one szerszego zastosowania. A zatem, do
niedawna głównymi konkurentami w zakresie wysokonapięciowych elementów kluczujących były tranzystory
BJT i tranzystory MOSFET. Jednak, narodziła się nowa
technologia – IGBT.
3. Pomysł na Bipolarny Tranzystor z
Izolowaną Bramką
Tranzystor polowy okazał się jakościowo odmiennym
elementem względem bipolarnego złączowego. Ale, czy
nie da się połączyć obu technologii? Czy jest możliwe
wykonanie klucza charakteryzującego się niskim napięciem nasycenia (jak BJT), sterowanego napięciem jak
MOSFET i oferującego dynamikę elementu opartego na
ruchliwości nośników większościowych?
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor to nie „do końca” nowa technologia, lecz „skrzyżowanie” obu „starych”.
Powstaje jednak nowa jakość.
3.1. Budowa tranzystora IGBT i jego napięcie
nasycenia
Przekrój przez strukturę tranzystora IGBT pokazano
na rysunku 1. Kanapka różnie domieszkowanych półprzewodników tworzy kilka złączy. Formują one tranzystor
npn, pnp i MOS połączone w obwód, jaki pokazano na
rysunku 1b.
SERWIS ELEKTRONIKI Tranzystory IGBT – budowa, parametry i ich obwody sterowania
a/
a/ MOSFET
POLYSILICON
GATE
GATE
SOURCE
EMITTER
ALUMINIUM
METAL
SiO 2
POLYSILICON GATE
P–
N+
N+
N+
N+
P+
P
N+
NPN
P+
DRAIN
P+
P+
Drain-to-Source Body Diode
(Created when NPN
base-emitter is properly
shorted by source metal)
NN+
P+
N+
JFET
channel
SUBSTRATE
N- EPI
GATE
SOURCE
N+ SUBSTRATE
COLLECTOR
DRAIN
Rys.1a. Budowa tranzystora IGBT
b/ IGBT
GATE
b/
C
EMITTER
METAL
SiO 2
POLYSILICON GATE
N+
R shorting
P+
P-
P-
N+
COLLECTOR
NPN
MOSFET
PNP
P+
R mod
N- EPI
N+ BUFFER
G
P+ SUBSTRATE
GATE
EMITTER
E
COLLECTOR
Rys.1b. Schemat zastępczy tranzystora IGBT
c/
C
G
E
Rys.1c. Uproszczony schemat zastępczy tranzystora
IGBT
W połączeniu tranzystorów npn i pnp rozpoznajemy tyrystor. Nic dziwnego, to czterokanapkowa struktura npnp.
Faktycznie, istnieje niebezpieczeństwo, iż tranzystor IGBT
zatrzaśnie się “latch up” z uwagi na silne dodatnie sprzężenie zwrotne między strukturami npn i pnp. Rezystancja
obszaru bazy pasożytniczego tranzystora npn i sposób
jego domieszkowania są jednak tak dobrane, że zjawisko
latch up (w deklarowanych katalogiem warunkach pracy)
nie występuje. Dlatego, dla dalszych rozważań pominiemy
istnienie tranzystora npn, pozostanie struktura podobna
do Darlingtona dwu bipolarnych tranzystorów pnp, lecz
tym razem jest to połączenie tranzystora bipolarnego pnp
z tranzystorem MOSFET.
Rys.2. Przekrój przez strukturę tranzystora MOSFET i
IGBT
Faktycznie, pomysł na skonstruowanie tranzystora
IGBT powstał jako rozwinięcie Vertical Power MOSFET.
Lepiej to widać na rysunku 2, gdzie rys.2a pokazuje „komórkę” MOSFET Cell, zaś rys.2b już tranzystor IGBT.
Obok tych „przekrojów” pokazano schematyczne oznaczenia obu tranzystorów.
Faktycznie, „przekroje” 2a i 2b są niemal identyczne.
Można rzec, iż IGBT to MOSFET wykonany na podłożu
półprzewodnika p+ (p – silnie domieszkowanego). Ta
czwarta kanapka (P+ SUBSTRATE) tworzy dodatkowe
złącze. Nośniki wstrzykiwane są do epitaksjalnego obszaru N-EPI „modulując” jego przewodnictwo. Pokrótce,
jak to działa?
Tranzystor polowy, jeśli ma być wysokonapięciowym,
musi mieć grubą warstwę N-, ona decyduje o wartości
napięcia przebicia. To słabo domieszkowany półprzewodnik, decydujący także o rezystancji włączonego
kanału. Nieznane autorowi tajniki, decydują o zależności
potęgowej z wykładnikiem ok. 2.7. W tranzystorze IGBT
udało się pokonać tę niekorzystną relację. Rozwiązaniem okazała się „modulacja przewodności” (conductivity
modulation). W obszarze bliskim złącza, zwiększa się
liczba dziur i elektronów, przez co, rezystancja warstwy
epitaksjalnej maleje. Na rysunku 2b zaznaczono to
schematycznie rezystorem Rmod. Kanał tranzystora IGBT
jest zdolny do przyjęcia wiele większej gęstości prądu,
SERWIS ELEKTRONIKI Tranzystory IGBT – budowa, parametry i ich obwody sterowania
niż pierwowzór MOSFET. Teraz (rys.2b), podłoże P+,
warstwa n-epi oraz p+emiter tworzą bipolarny tranzystor
BJT w którym warstwa n-epi działa jak szeroki obszar
bazy. Wzmocnienie takiego tranzystora nie jest duże,
jednak dzięki zjawisku conductivity modulation spadek
napięcia na włączonym kluczu jest niższy. Jest on niższy,
mimo wprowadzenia dodatkowego złącza p-n między
podłożem i półprzewodnikiem domieszkowanym donorowo. Działanie tego złącza jest bowiem nieuchronnie
dwojakie. Powoduje modulację przewodności warstwy
n-epi (o tym wspomnieliśmy), jednak tworzy też diodę, na
której w stanie przewodzenia występuje znaczny spadek
napięcia. Dlatego napięcia nasycenia nie są imponująco
niskie, mimo to obserwuje się mniejsze straty mocy na
włączonym kluczu, aniżeli daje się uzyskać w przypadku
klasycznych tranzystorów MOSFET. Przy tym, osiągane
gęstości prądów i napięcia przebicia są już imponujące.
Tranzystory IGBT, nie pracują „byle gdzie”. Są stosowane (najczęściej) w układach energetyki o prądach
przekraczających 1000A i napięciach powyżej 1000V
(szczytowe osiągi to ponad 3kA i 6kV). Są to elementy
wykonawcze drogie i produkowane często w postaci
modułów (zwykle po 6 tranzystorów). Dążenie do minimalizacji strat mocy nie jest zabiegiem marginalnym.
Mimo znacznego improvementu jaki udało się osiągnąć,
moduły IGBT wymagają często chłodzenia cieczą. Nie
mają jednak konkurentów w zakresie mocy liczonej w
dziesiątkach i setkach kilowatów.
Na razie „rozprawiliśmy się” z kryterium (1) nieidealnego klucza. Drugim kryterium, któremu warto poświęcić
nieco miejsca, to czasy przełączania. To od nich zależy
energia przełączania. Jest ona nieuchronnie wyrażona
iloczynem napięcia i prądu. W stanie statycznym, jedna
z tych wielkości jest (przynajmniej teoretycznie) zerowa.
W stanie przełączania, prąd narasta szybciej niż zdąży
opaść napięcie, lub odwrotnie. W kluczu są wydzielane
znaczne impulsy mocy. Ich wpływ na sprawność jest
zawsze odwrotnie proporcjonalny do częstotliwości z
jaką układ kluczuje. W tranzystorach IGBT nieco inaczej
wygląda problem włączania i wyłączania klucza, dlatego
te dwa zjawiska rozważymy oddzielnie.
3.2. Włączanie klucza
Faza włączenia (turn on) tranzystora IGBT wygląda
identycznie jak w przypadku tranzystorów Power MOSFET i jest dobrze poznana. Nie sprawia ona zwykle kłopotów, jest szybka i może być kontrolowana impedancją
wyjściową drivera; zwykle za czas turn on odpowiedzialny jest odpowiednio dobrany zewnętrzny rezystor. W
pewnym zakresie, niekorzystne spowolnienie procesu
włączania tranzystora może wystąpić w wyniku efektu
Millera wywołanego pojemnością widzianą między kolektorem i bramką tranzystora IGBT. Powiemy o tym szerzej
w punkcie poświęconym driverowi.
3.3. Faza wyłączania turn off
Tranzystor łatwo włączyć i utrzymać w tym stanie w
szerokim zakresie prądów w obwodzie kolektora. Nie
trzeba się martwić o głębokość nasycenia, o wyjście
tranzystora z tego stanu przy dużym prądzie kolektora lub
o nasycenie zbyt głębokie w sytuacji przeciwnej. Bramka
statycznego prądu nie pobiera, a równocześnie nie traci
kontroli nad obwodem wyjściowym jak w tyrystorze SCR.
W czym więc problem?
Wyłączanie tranzystora IGBT jest problemem i w
wielu aplikacjach stanowi ograniczenie przed szerszym
stosowaniem tych elementów. Nośniki mniejszościowe
wypełniają obszar bazy; w przypadku tranzystorów IGBT,
to warstwa n-epi. To te same nośniki które powodują
conductivity modulation tej warstwy półprzewodnika.
Nośniki prądu wypełniając obszar bazy tworzą ładunek
przestrzenny, który w fazie wyłączania należy usunąć.
Podobnie jest w tranzystorze bipolarnym BJT, jednak
tu można sobie pomóc ujemnym prądem bazy. Na te
problemy zwracaliśmy już uwagę parokrotnie, omawiając
drivery kluczy BU…. O sterowaniu hard- bądź soft-switching pisaliśmy w artykule „Opis działania drivera linii
oraz zasilacza OTVC chassis GR1-AX firmy Philips” w
„SE” nr 4 i 5/2008. Bramka tranzystora IGBT nie jest w
stanie zapewnić ujemnego prądu, jego wyłączanie jest
zatem podobne do wyłączania tranzystora BJT z tzw.
otwartym obwodem bazy. Likwidacja ładunku w obszarze
n-epi musi bazować na procesie rekombinacji. Ten zaś
zależy wprost od parametru, jakim jest średni czas życia
nośników, elektronów i dziur. Manipuluje się nie tylko tym
parametrem, także sposobem domieszkowania i geometrią struktury tranzystora. Jednak, jak to często bywa,
chcąc optymalizować kilka parametrów równocześnie,
dochodzimy do sprzecznych założeń. Niezbędny jest
kompromis. W istocie, w procesie wyłączania tranzystora
IGBT obserwuje się dwuetapowość. W pierwszej fazie
(injection phase) prąd kolektora opada szybko, po czym,
obserwuje się wolny „ogon” (recombination phase). Ta
faza trwa typowo kilka mikrosekund, to znacznie dłużej,
aniżeli obserwuje się w przypadku tranzystorów MOSFET, a także dłużej aniżeli w tranzystorach bipolarnych z
poprawnie wykonanym driverem. Szczegółowe poznanie
fizyki zjawisk w tranzystorze podczas jego kluczowania pozwoliło na konstrukcje z czasem tf na poziomie
ułamka mikrosekundy, jednak istnieje też kompromis
pomiędzy dynamiką a napięciem nasycenia. Są zatem
produkowane serie high speed i low saturation. Od częstotliwości pracy obwodu zależy, który tranzystor okaże
się korzystniejszy dla danej aplikacji. Niemniej, w nowych
generacjach tranzystorów IGBT katalog gwarantuje zarówno mniejsze napięcie nasycenia, jak i krótsze czasy
przełączania klucza.
Rozpatrując dynamikę elementów kluczujących jakimi
są tranzystory IGBT, skupialiśmy się na problemie, jak je
przyspieszyć. Czy tak jest zawsze? Bywa, iż w obwodach
regulacji mocy IGBT jest dobrą alternatywą dla tyrystora/
triaka z uwagi na możliwość kontroli jego czasu przełączania. Ta kontrola jest możliwa przez dobór rezystora
w bramce. Jeśli regulator pracuje na częstotliwości sieci
energetycznej, wzrost mocy strat w kluczu na jego przełączanie nie jest krytyczny. „Wolny” klucz jest zaś pożądany
z uwagi na redukcję zakłóceń EMI. Pozwala bowiem na
uproszczenie kłopotliwych filtrów LC stosowanych w tym
celu. }
SERWIS ELEKTRONIKI Dokończenie w następnym numerze