Электронная аппаратура. Биполярные транзисторы с изолированным затвором. Силовые модули

И. К. Никифоров









ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА.
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ.
СИЛОВЫЕ МОДУЛИ


Учебное пособие





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК621.382.33
ББК32.853.3; 32.859
    Н62

Рецензент:
канд. техн. наук, доцент кафедры промышленной электроники ФБГОУ ВО «Чувашский государственный
университет им. И. Н. Ульянова» Г. В. Малинин




    Никифоров, И. К.
Н62 Электронная аппаратура. Биполярные транзисторы с изолированным затвором. Силовые модули : учебное пособие / И. К. Никифоров. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 516 с. : ил., табл.
       ISBN978-5-9729-1242-1

    Рассматриваются биполярные транзисторные структуры с изолированным затвором во всем их разнообразии как полупроводниковых приборов, их особенности и применение в устройствах электронной аппаратуры. Приводится ряд примеров схем, рекомендации по применению в силовой преобразовательной технике и мощных источниках электропитания.
     Для студентов электротехнических и радиотехнических специальностей и специалистов, занимающихся разработкой силовых электронных преобразовательных устройств и мощных источников вторичного электропитания.


                                               УДК621.382.33
                                               ББК 32.853.3; 32.859








ISBN 978-5-9729-1242-1

   © Никифоров И. К., 2023
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

Обозначения физических величин


C   электрическая емкость
с   удельная теплоемкость
Ё напряженность внешнего электрического поля Ef  энергия уровня Ферми
Eg  энергия запрещенной зоны
Eпр электрическая прочность материала е   условно свободный электрон
eL  ЭДС самоиндукции
e т термоЭДС
е ф фотоэлектрон
f   частота тока
h   постоянная Планка
hv  фотон
i   электрический ток
j   плотность электрического тока
к постоянная Больцмана (если не указано иное в тексте) l   длина
М коэффициент размножения носителей заряда mₑ эффективная масса электрона mu эффективная масса «дырки» nₐ  концентрация акцепторных зарядов (дополнительных «дырок»)
nₑ концентрация электронов nd концентрация донорных зарядов (дополнительных электронов) nl  концентрация «ловушек» в структуре кристаллической решетки
ni концентрация свободных носителей зарядов в собственном полупроводнике i-типа nᵤ  концентрация «дырок»
Р   электрическая мощность
Q электрический заряд на обкладках конденсатора qₑ  заряд электрона
r дифференциальное электрическое сопротивление R электрическое сопротивление или радиус, согласно тексту R~ сопротивление переменному току
Rth тепловое сопротивление кристалл-основание 5   площадь сечения
5к  площадь кристалла
Т   абсолютная температура
t время tg5 тангенс угла диэлектрических потерь


3

U    электрическое напряжение                                   
Ud   действующее значение напряжения                            
й    «дырка» (или протонный заряд)                              
Uзбр обратное приложенное напряжение                            
Uр   прямое напряжение                                          
ат   температурный коэффициент                                  
Y    коэффициент рекомбинации (или по смыслу текста)            
X    теплопроводность материала (или длина волны, или показатель
     интенсивности отказов; см. смысл текста)                   
Ц    магнитная проницамость                                     
Ц е  подвижность электронов                                     
Ц i  подвижность ионов                                          
Ц n  подвижность зарядов в полупроводнике п-типа                
Ц p  подвижность зарядов в полупроводникер-типа                 
Ц и  подвижность «дырок»                                        
т    постоянная времени какого-либо процесса                    
Р v  удельное объемное электрическое сопротивление              
д    глубина проникновения тока                                 
V    частота электромагнитных колебаний                         
е    диэлектрическая проницаемость                              
£о   диэлектрическая постоянная                                 
Р    удельное электрическое сопротивление                       
Р n  удельное электрическое сопротивление n-области             
Р р  удельное электрическое сопротивлениер-области              
Р S  удельное поверхностное электрическое сопротивление         
V    скорость движения электрона                                
ГО   циклическая частота                                        

Условные сокращения

ААС   Advanced Active Clamping (функция активного ограничения)  
вют   Bimode Insulated Gate Transistor - двухрежимный управляе- 
      мый по затвору транзистор                                 
CBI   Convertor/Brake/Invertor                                  
ССС   Collector Clamp Circuit                                   
CMTI  Common Mode Transient Immunity                            
CSTBT Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor             
DBC   Direct Bonded Copper (дословно: медь с прямым соединением)
DCB   Direct Copper Bonded (дословно: прямо присоединенная      
      медь; технология толстопленочного осаждения меди)         

4

DGC    Dynamic Gate Control (динамическое управление затвором)    
DLB    Direct Lead Bonding (прямое сварное соединение выводов)    
DPWM   Discontinuous Pulse Width Modulation (прерывистая          
       широтно-импульсная модуляция)                              
DSCP   Dynamic Short Circuit Protection                           
E-LPT  Enhanced Light Punch Through IGBT (дословно: улучшенный    
       пробой светом насквозь)                                    
EP     Enhanced Planar (дословно: усовершенствованный плоский)    
ET     Enhanced-Trench (дословно: улучшенная траншея)             
FRD    Fast Recovery Diode (быстро восстанавливающийся диод)      
FS SPT Field Stop Soft Punch Through                              
GPD    General-Purpose Drive (привод общего назначения)           
HiGT   High technology (дословно: высокие технологии)             
HV     High-Voltage (высоковольтный)                              
HVDC   High-Voltage DC Insert (высоковольтные «вставки» постоян-  
       ного тока)                                                 
HEV    Hybrid Electric Vehicle                                    
IEGT   Injection Enhanced Gate Transistor                         
IGBT   Insulated Gate Bipolar Transistor                          
IMB    Insulated Metal Baseplate (дословно: изолированная металли-
       ческая опорная плита (основание))                          
IPM    Intelligent power module - интеллектуальный силовой мо-    
       дуль                                                       
ISDS   IGBT Status and Diagnostic System                          
LiPT   Low Injection Punch Through - слабо инжектированный        
       Punch-Through; Punch-Through - смыкание p-n-перехода,      
       технология PT                                              
LFC    Low-temperature Fireable Ceramics                          
LPT    Light Punch Through                                        
LTCC   Low Temperature Co-fired Ceramics - низкотемпературная     
       обожженная керамика, или стеклокерамика                    
MAG    Metal Active Gas                                           
MIG    Metal Inertgas Gas                                         
MMA    Manual Metal Arc.                                          
MMC    Metal Matrix Composite или Multi-level Converters (см. по  
       тексту)                                                    

MOSFET Metall-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor

MPD  Mega Power Dual (силовые модули большой мощности)       
MPT  Micro-Pattern Trench (дословно: траншея с микрорисунком)
MPPT Maximum power point tracking                            
NPC  Neutral Point-Clamp(ed) (ing) - схема с общей точкой    

5

NPT    Non Punch Through (дословно: не пробивает насквозь)        
ОСР    Over Current Protection (буквально: перегрузка по току)    
PCM    Phase Change Material                                      
PC-TIM Phase Change Thermal Interface Material (дословно: материал
       термоинтерфейса с фазовым переходом)                       
PCU    Power Control Unit                                         
PPI     Press-Pack IGBT (IGBT прижимной дисковой конструкции)     
PT      Punch Through                                             
RB-IGBT Reverse Blocking IGBT                                      
RBSOA   Reverse Bias Safe Operating Area                          
RFC     Relaxed Field Cathode (дословно: катод с ослабленным по-  
        лем, т. е. обедненный носителями слой)                    
RTCC    Real Time Current Control                                 
SCWT    Short circuit withstand time                              
SiC-SBD SiC Schottky barrier diode (SiC диод Шоттки)              
SEMiX   Силовой модуль с прессованной посадкой разработки фир-    
        мы SEMIKRON                                               
SEPR    Single Ended Parallel Resonant Inverter - параллельный    
        резонансный инвертор с одним выходом                      
SFM     Solderable Front Metal                                    
SKiiP   Semicron integrated intelligent Power                     
SKiN    Скин-технология - способ вакуумной упаковки               
SLC     SoLid Cover - жесткое покрытие                            
SOA     Safe Operating Area (область безопасной работы)           
SOI     Silicon On Insulator (кремний на изоляторе)               
SPT     Soft Punch Through                                        
SSD     Soft Shut Down (режим плавного отключения)                
TIG     Tungsten Inert Gas                                        
TIM     Thermal Interface Material (теплопроводящие материалы)    
TGFS    Trench Gate Field Stop                                    
TSPT    Trench SPT                                                
UIS     Unclamped Inductive Switching                             
ULSI    Ultra Large Scale Integration - сверхмасштабная интеграция
UPS     Uninterruptible power systems (источник бесперебойного пи-
        тания)                                                    
UVLO    Under Voltage LockOut (снижение напряжения управления)    
WBG     Wide Band Gap (ПП с широкой запрещенной зоной)            
ZCS     Zero-Current-Switching - отключение при нулевом токе      
ZVS     Zero Voltage Switching - отключение при нулевом напряже-  
        нии (режим «мягкого» переключения)                        
АБС     Акрибутадиенстирол                                        

6

БМТ    Биполярный мощный транзистор (Bipolar Power Transistor)
(ВРТ)                                                         
БСЭ    Большая Советская энциклопедия                         
ВАХ    Вольт-амперная характеристика                          
ВЧ     Высокие частоты (высокочастотный)                      
ВЭУ    Ветроэнергетическая установка                          
ДСЦ    Демпферно-снабберная цепь (цепочка)                    
ивэп   Источники вторичного электропитания                    
ИК     Инфракрасный                                           
имс    Интегральная микросхема                                
ип     Источник питания                                       
иэк    Идеальный электронный ключ                             
КЗ     Короткое замыкание                                     
ккм    Корректор коэффициента мощности (нагрузки)             
КМОП   Контакт-металл-окисел-полупроводник                    
КН     Компаратор напряжения                                  
КП     Коллекторный переход (коллектор-база) в ТБТ            
КТР    Коэффициент теплового расширения                       
мдп    Металл-диэлектрик-полупроводник                        
мнк    Метод(ы) неразрушающего контроля                       
МОП    Металл-оксид-полупроводник                             
МОП пт МОП полевой транзистор                                 
ОБР    Область безопасной работы                              
ОКР    Опытно-конструкторские работы                          
003    Область объемного заряда                               
ОС     Обратная связь                                         
ОУ     Операционный (интегральный) усилитель                  
пно    Потенциально ненадежные образцы                        
пп     Полупроводник, полупроводниковый                       
РЭА    Радиоэлектронная аппаратура                            
СВЧ    Сверхвысокие(ой) частоты                               
сит    Статический индукционный транзистор                    
сзп    Схема защиты от перенапряжения                         
СУ     Схема (система) управления                             
СФ     Спецфакторы                                            
СЭА    Силовая электронная аппаратура                         
СЭУ    Солнечные энергетические установки                     
ТБТ    Традиционный биполярный транзистор                     
твм    Термоволновой микроскоп                                
тз     Техническое задание                                    
тк     Температурный коэффициент                              

7

ткн температурный коэффициент напряжения   
ТКР температурный коэффициент расширения   
ткс температурный коэффициент сопротивления
тпм теплопроводящий материал               
ТУ  технические условия                    
тэм термоэлектрические модули              
тэс термоэлектрические сборки              
УГО Условное графическое обозначение       
УЗС Ультразвуковая сварка                  
УФ  Ультрафиолетовый                       
ФНЧ Фильтр низких (нижних) частот          
ЧРП Частотно-регулируемый привод           
ШЗП Широкозонные ПП                        
шим Широтно-импульсная модуляция           
эдп электронно-дырочный переход            
эк  электронный ключ                       
эмп электромагнитные помехи                
эмс электромагнитная совместимость         
эп  эмиттерный переход (эмиттер-база) в тБт

8

ПРЕДИСЛОВИЕ


    Данное учебное пособие продолжает серию книг, объединенных под общим заглавием «Электронная аппаратура».
    В 1-й книге были рассмотрены основы электроники, радио-и электротехнические материалы и изделия на их основе; далее при ссылке на неё -1-я кн. серии.
    Во 2-й книге были рассмотрены резисторы, предохранители, конденсаторы, применяемые как в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), так и в силовой электронной аппаратуре (СЭА) и мощных источниках вторичного электропитания (ИВЭП); далее ссылка на неё - 2-я кн. серии.
    В 3-й книге рассмотрены основы магнитоэлектроники, индуктивные компоненты и элементы СЭА и ИВЭП; аналогично, ссылка на неё - 3-я кн. серии.
    В 4-й книге рассмотрены основные материалы и технологии, применяемые в микро- и наноэлектронике и некоторые технологии для устройств силовой электроники; далее при ссылке на неё - 4-я кн. серии.
    В 5-й книге рассмотрены диодные и тиристорные структуры, особенности их применения в СЭА и ИВЭП; далее при ссылке на неё - 5-я кн. серии.
    В 6-й книге рассмотрены биполярные и полевые транзисторы, разнообразие их технологий и особенности применения в СЭА и ИВЭП; далее при ссылке на нее - 6-я кн. серии.
    Для понимания материала данного учебного пособия необходимо иметь базовые знания по характеристикам и свойствам полупроводниковых материалов, которые были рассмотрены в 1-й кн. серии (см. подразд. 4).
    Основная задача данного учебного пособия - показать многообразие биполярных транзисторных структур с изолированным затвором, их особенности при применении в узлах и модулях силовых электропреобразовательных установках.
    Приводимые ссылки, не только на книги, но и на статьи, должны способствовать выработке у студентов самостоятельного изучения и нахождения материала по интересуемым их вопросам.

9

1. IGBT. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ И ТЕХНОЛОГИИ СТРУКТУР

    1.1. Общие вопросы

    Транзистор происходит от английского слова transistor (англ, transforme of resistance). В общем случае различают три больших класса транзисторов, исходя из основной технологии изготовления и принципу работы: биполярные, униполярные (полевые) комбинированные структуры. Указанные транзисторы рассмотрены в 6-й кн. серии.
    В данном учебном пособии рассматриваются разновидности биполярных транзисторов с изолированным затвором; общепринятое международное сокращенное обозначение IGBT -Insulated Gate Bipolar Transistor. Эти транзисторы (как будет видно далее) сочетают по своей структуре свойства биполярных и полевых структур.
    На схемах электрических принципиальных все типы транзисторов (независимо от типа проводимости и технологий) обозначаются буквамиУТ. Условное графическое обозначение (УГО) IGBT на схемах схоже с выходной - силовой - частью с традиционными биполярными транзисторами (в 6-й кн. серии, обозначен сокращенно как ВРТ), отличие по входной части -вместо базы используется изолированный от выходной части затвор. Здесь также по аналогии используются сокращения электрических выводов прибора: коллектор (англ. Collector; сокращенно С), эмиттер (англ. Emitter; сокращенно Е), затвор (англ. Gate; сокращенно G). Соответственно используются сокращения наименований электродов при обозначении электрических величин в отдельной части, например, напряжение в цепи коллектор-эмиттер Uю (или Uce); напряжение в цепи затвор-эмиттер UJ3 (или UGE) и т. д. Приведем типовые УГО IGBT в виде дискретных (в отдельном корпусе) приборов и в виде интегральных структур (формируемых на ПП-подложках чипов по интегральной технологии):
    -дискретный прибор”^^^ или”^^^ с источником питания по коллектору положительного напряжения и управлением


10