Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение

СИЛОВЫЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
КЛЮЧИ

СЕМЕЙСТВА
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРИМЕНЕНИЕ

П.А.
Воронин

МОСКВА, 2023

ДодэкаXXI

ДМК Пресс

3-е издание, электронное

УДК 621.316.54:621.314.632
ББК 31.264
В75

В75
Воронин, Павел Анатольевич.

Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, 
применение / П. А. Воронин. — 3-е изд., эл. — 1 файл pdf : 382 с. — Москва : 
ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2023. — Систем. требования: Adobe 
Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.

ISBN 978-5-89818-433-9

Представлена эволюция развития семейств мощных ключевых приборов. 
Приведены базовые структуры полупроводниковых ключей, их характеристики, 
методы управления и защиты. Рассмотрены особенности их применения в 
устройствах энергетической электроники. Исправлены опечатки и неточности, 
обнаруженные в первом издании книги. Существенно переработан раздел 7.1, 
представляющий самые современные достижения в области разработок силовых 
ключей. В книгу включен также материал по созданию перспективных 
ключевых приборов на основе карбида кремния. Внесены соответствующие 
изменения и в приложения к книге, представляющие справочные данные по 
силовым ключам.
Для специалистов, занимающихся разработкой силовых схем и применением 
мощных ключевых приборов.

УДК 621.316.54:621.314.632 
ББК 31.264

Электронное издание на основе печатного издания: Силовые полупроводниковые 
ключи: семейства, характеристики, применение / П. А. Воронин. — 2-е изд., перераб. и 
доп. — Москва : ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2015. — 383 с. — ISBN 978-5-97060-266-9. — 
Текст : непосредственный.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами 
защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или 
выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-433-9
© Издательский дом «Додэка-XXI»
© Издание, ДМК Пресс, 2015

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ .........................................................................................................7

ГЛАВА 1 
Эволюция развития силовых полупроводниковых ключей...................................9
1.1. В круге первом ...................................................................................................10
1.2. Воплощение идей в жизнь ..................................................................................13
1.3. Первое «обустройство» транзистора ..................................................................15
1.4. В единстве всегда сила.......................................................................................18
1.5. Соты нужны не только пчелам.............................................................................21
1.6. У каждой потайной двери есть свой ключ ...........................................................28
1.7. Kто на новенького?.............................................................................................40

ГЛАВА 2 
Базовые структуры силовых полупроводниковых ключей..................................51
2.1. Введение............................................................................................................52
2.2. Транзисторы.......................................................................................................54

2.2.1. Силовые биполярные транзисторы...........................................................54

2.2.2. Мощные МДПтранзисторы......................................................................62
2.2.3. Биполярные транзисторы с  изолированным затвором ............................71
2.2.4. Статические индукционные транзисторы..................................................78
2.3. Тиристоры ..........................................................................................................83
2.3.1. Однооперационные тиристоры.................................................................84
2.3.2. Запираемые тиристоры............................................................................92
2.3.3. Индукционные тиристоры.........................................................................99
2.3.4. Полевые тиристоры ................................................................................102

ГЛАВА 3 
Характеристики и параметры силовых ключей .................................................111
3.1. Выбор ключевого элемента схемы....................................................................112
3.2. Основные группы справочных данных по силовым ключам ...............................113
3.2.1. Характеристики ключей и режим работы схемы......................................123
3.2.2. Влияние температуры на параметры силовых ключей ............................143
3.3. Предельные характеристики полупроводниковых ключей.................................148
3.3.1. Области безопасных режимов ................................................................149
3.4. Тепловые характеристики полупроводниковых ключей.....................................158
3.4.1. Потери в силовых ключах........................................................................160
3.4.2. Тепловые сопротивления........................................................................164
3.4.3. Допустимые режимы работы ключей ......................................................175

ГЛАВА 4 
Управление полупроводниковыми ключами......................................................179
4.1. Формирователи управляющих импульсов в структуре систем
управления преобразователями.......................................................................180
4.2. Основные типы формирователей импульсов управления .................................185
4.3. Формирователи импульсов управления с совместной 
передачей энергии и формы управляющего сигнала........................................188
4.3.1. Трансформаторные ФИУ биполярных транзисторов...............................188
4.3.2. Трансформаторные ФИУ для ключей с изолированным затвором ..........191
4.3.3. Трансформаторные ФИУ тиристоров......................................................195
4.4. Формирователи импульсов управления с раздельной передачей энергии
и информационного сигнала.............................................................................199
4.4.1. Потенциальная развязка информационного сигнала ..............................199
4.4.2. Драйверы силовых транзисторов............................................................201
4.4.3. Подключение драйверов к входным цепям силовых 
транзисторов..........................................................................................208
4.4.4. Драйверы тиристоров.............................................................................216
4.5. Источники питания драйверов..........................................................................219

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 5 
Методы и схемы защиты полупроводниковых ключей .....................................223
5.1. Основные виды перегрузок по напряжению и току............................................224
5.2. Методы защиты от помех..................................................................................227
5.3. Защитные цепи силовых ключей.......................................................................233
5.3.1. Цепи формирования траектории рабочей точки транзисторов ...............233
5.3.2. Защитные цепи тиристорных ключей......................................................238
5.3.3. Защитные цепи силовых модулей...........................................................241
5.4. Защита силовых ключей от режимов короткого замыкания ..............................244
5.5. Силовые ключи с интегрированной системой защиты ......................................251

ГЛАВА 6 
Применение мощных полупроводниковых ключей в силовых схемах.............259
6.1. Основные области применения ключевых приборов.........................................260
6.2. Типовые схемы транзисторных ключей .............................................................265
6.2.1. Kлюч на биполярном транзисторе ..........................................................265
6.2.2. Ключ на мощном МДПтранзисторе........................................................271
6.2.3. Kлюч на биполярном транзисторе с изолированным затвором...............274
6.2.4. Kлюч на статическом индукционном транзисторе...................................276
6.3. Тиристорные ключи...........................................................................................282
6.3.1. Kлюч на тиристоре с электростатическим управлением .........................282
6.3.2. Kлючи на тиристорах с регенеративным включением .............................284
6.3.3. Особенности запирания тиристорных ключей ........................................289
6.4. Применение ключевых транзисторов в схемах 
электронных балластов.....................................................................................299
6.5. Применение мощных МДПтранзисторов
в импульсных источниках питания ....................................................................304
6.5.1. МДПтранзисторы  в отнотактных схемах 
импульсных преобразователей..............................................................305
6.5.2. МДПтранзисторы в двухтактных схемах 
импульсных преобразователей..............................................................309
6.5.3. МДПтранзисторы в схемах синхронных выпрямителей .........................313
6.6. Применение мощных ключей в схемах управления 
электродвигателями переменного тока ............................................................316
6.6.1. Основные режимы работы силовых ключей в ШИМинверторах
для асинхронных электродвигателей ......................................................316
6.6.2. Особенности применения IGBT в схемах с индуктивной нагрузкой.........322
6.6.3. Переключение полевых тиристоров МСТ в мостовых схемах..................326
6.6.4. GTOи GCTключи в силовых инверторах с двигательной нагрузкой ......329

СОДЕРЖАНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЯ .......................................................................................................333
1. Биполярные транзисторы с интегрированной схемой 
ограничения насыщения .................................................................................335
2. Мощные низковольтные МДПтранзисторы ....................................................336
3. Мощные высоковольтные МДПтранзисторы..................................................338
4. Высокочастотные биполярные транзисторы 
с изолированным затвором.............................................................................342
5. Мощные полупроводниковые 
ключи технологии Trench Gate ........................................................................355
6. IGBTмодули с улучшенной конструкцией корпуса..........................................357
7. Сверхмощные полупроводниковые ключи 
новых технологий ...........................................................................................359
8. Интегральные оптроны для драйверов 
дискретных ключей .........................................................................................362
9. Интегральные драйверы транзисторов...........................................................365
10. Интегральные драйверы силовых модулей ...................................................367
Словарь терминов...................................................................................................370
Список литературы..................................................................................................374
Список фирм—изготовителей полупроводниковых приборов .................................380

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Бурный рост производства ключевых полупроводниковых приборов в последние
годы сопровождался расширением не только их электрических и мощностных диапазонов, но и улучшением качественных показателей, уровня "интеллектуальности",
многообразием новых типов. Все это потребовало от разработчиков силовых схем детального изучения новых классов полупроводниковых ключей, исследования их параметров и характеристик.
Выход на отечественный рынок большого количества зарубежных приборов вкупе
с широкой номенклатурой интегральных драйверов управления, в том числе с прекрасно оформленными каталогами и сервисными дополнениями, породило ошибочное мнение о простоте технологии их применения. Однако практика показала, что даже самые современные типы силовых ключей только приближаются к понятию идеальности, скрывая тонкие моменты в режимах своей работы. Поэтому попрежнему актуальной остается задача грамотного применения ключевых приборов в схемах силовой
электроники с учетом их взаимного влияния и это до сих пор можно отнести к разряду
искусства.
Настоящая книга и ставит своей целью ответить на большинство вопросов, которые могут возникнуть при использовании полупроводниковых ключей в схемотехнике.
Первая глава начинается с истории создания и разработки основных типов полупроводниковых переключателей и показывает постоянное стремление фирм производителей решить эту проблему с точки зрения создания универсального ключа с характеристиками, близкими к идеальному. С этих же позиций представлена история развития различных семейств полупроводниковых ключей в последующих главах. Отдельно
рассмотрены особенности применения ключей в силовых схемах. В приложениях к
книге дана подробная справочная информация от большинства известных производителей силовых полупроводниковых приборов. 
В книге был использован многолетний научнометодический опыт, накопленный на
кафедре Промышленной электроники МЭИ в области разработки, исследования и
применения различных классов силовых полупроводниковых ключей в устройствах
промышленной электроники. Этот опыт позволил автору разработать и внедрить в
учебный процесс современный курс лекций и построить практикум по разделу полупроводниковых ключей.
Книга может быть полезна как разработчикам новых схем на базе силовых ключей
новейших технологий, так и тем, кто эксплуатирует уже готовые варианты преобразователей. Ее можно также рекомендовать студентам специальностей, связанных с
энергетической электроникой и преобразовательной техникой.

7

Автор благодарит заведующего кафедры Промышленной электроники МЭИ д.т.н.,
профессора  Д. И. Панфилова за значительную помощь при работе над рукописью и ее
научнометодическое редактирование, весь коллектив кафедры Промышленной электроники за возможность использования многолетнего опыта в области применения
силовых полупроводниковых ключей.
Выражаю большую признательность сотрудникам фирмы Infineon Technologies AG.
Благодарю дра Л. Лоренца и дра И. Зверева за постоянную техническую поддержку
в работе над книгой, а также дра М. Лизеца за большой материал по самым современным разработкам в области силовых ключевых приборов.
Автор  признателен также Н.А. Гусевой за помощь при оформлении книги и  своей
жене И.Н. Ворониной  за постоянную поддержку в работе.

Автор

1Глава

Эволюция развития
силовых
полупроводниковых
ключей

ГЛАВА 1. Эволюция развития силовых полупроводниковых ключей

1.1. В круге первом

Прогресс большинства областей современной техники неразрывно
связан с успехами энергетической или силовой электроники. Ее значимость определяется все возрастающей потребностью в эффективных
преобразователях и регуляторах электрической энергии. Свойства, характеристики и параметры силовых схем зависят, в свою очередь, от применяемых полупроводниковых приборов. Высокое качество полупроводниковых переключателей, их уникальные характеристики открывают долговременные перспективы совершенствования электронных устройств. С
другой стороны, процесс полупроводникового производства является отражением передовых научнотехнических достижений в области физики,
электроники, автоматики, машиностроения. Получается некий циклический процесс, каждый виток которого является этапом непрерывного совершенствования и взаимовлияния.
Энергетическая электроника предназначена для преобразования
мощности. Поэтому полупроводниковые приборы представляют здесь
интерес с точки зрения ключевого режима работы. Роль полупроводникового ключа заключается в коммутации различных частей схемы. С точки зрения разработчика силовой схемы ключ должен обладать идеальными свойствами. Он должен мгновенно, при нулевой мощности управления, переключать бесконечно большие токи и блокировать бесконечно
большие напряжения, иметь нулевое остаточное напряжение и токи утечки. Наверно, это достижимо только в виртуальных задачах, например при
моделировании электронных схем на ЭВМ. Практические ключи могут
лишь в той или иной степени приближаться к «идеальным».
Поскольку требования потребителей в отношении токов нагрузки, блокируемых напряжений, частоты и времени переключения весьма широки, не
существует единого типа полупроводникового ключа универсального применения. Современное состояние силовых приборов достаточно подробно
отражено в справочных каталогах и литературе по применению ведущих
фирмпроизводителей, среди которых отметим Infineon Technologies,
Mitsubishi Electric, Semikron, Motorola. Лидирующие мировые позиции, новейшие технологические разработки новых поколений, наконец, партнерство в научном и учебном плане заставляют обратить первоочередное внимание именно на достижения этих компаний. Kонечно, мы будем обращать
внимание и на уникальные разработки других фирм, дополняющие общую
картину современного состояния полупроводниковых силовых ключей.
Прежде чем провести оценку достижений полупроводниковых изделий и наметить тенденции их развития, проведем обзор основных исторических этапов разработки силовых ключей (Рис. 1.1).

В круге первом

Kаждому из этапов развития, внесшему наиболее значимый вклад в
совершенствование свойств полупроводниковых ключей, посвящен отдельный параграф. Чтобы помочь читателю в восприятии всего многообразия информации, перечислим данные этапы в хронологической последовательности с краткой оценкой полученных результатов:

?

?

1922 г.
1948 г.
1952 г.

Неуправляемый
ключ

1963 г.

2000 г.
Ключ с изолированным
затвором

Идеальный ключ

E
C

B

E

C

G

А

C

G

S

G

D

< 1 мкм

1

6

2
3
4

4
5

3 мкм
5 мкм

PSS_001a

Основные этапы развития силовых полупроводниковых ключей

Рис. 1.1

ГЛАВА 1. Эволюция развития силовых полупроводниковых ключей

1. Kонец 40х — начало 60х годов. Разработка основных типов управляемых полупроводниковых ключей (биполярных и униполярных транзисторов и обыкновенных тиристоров) на базе известных теорий твердотельной электроники. Повышение мощности приборов достигается в
этот период, как правило, за счет увеличения физических размеров
структуры. Для тиристорных ключей подобный подход обеспечивает увеличение коммутируемых токов до 100 А и напряжений до 1000 В. Для
транзисторов попрежнему остается актуальной задача разработки прибора на большие токи с хорошими динамическими показателями.
2. Kонец 50х — начало 70х годов. Разработка первых полупроводниковых ключей на базе вертикальных и многоканальных структур. Появление планарной и эпитаксиальной технологий, а также совершенствование методов диффузии в полупроводниковые структуры. Разрабатываются промышленные образцы мощных биполярных и полевых транзисторных ключей, способных рассеивать мощность в несколько ватт. Практическое применение первых мощных транзисторов позволило выявить сильные и слабые стороны биполярных и униполярных приборов и сформулировать задачу создания более совершенной комбинированной структуры.
3. 70е годы. Разработка составных транзисторных и тиристорных
ключей на дискретных элементах, сочетающих преимущества биполярных и полевых приборов. Этот период можно характеризовать как схемотехнический этап в преддверии нового технологического скачка.
4. Kонец 70х — начало 80х годов. Применение усовершенствованных методов интегральной электроники в технологии силовых полупроводниковых ключей. Разработка мощных гибридных модулей. Создание первых поколений совмещенных биполярнополевых монолитных
структур. В этот отрезок времени удается повысить мощность, переключаемую приборами, более чем в 100 раз. Для транзисторных ключей уровень коммутируемых токов и напряжений составляет сотни ампер и тысячи вольт. Тиристорные ключи становятся полностью управляемыми и захватывают мегаваттный диапазон мощностей.
5. 90е годы. Совершенствование технологии полупроводниковых
ключей в заданном диапазоне мощностей и предельных напряжений.
Этот период характеризуется улучшением качественных показателей
ключевых приборов по быстродействию и остаточным напряжениям.
6. Kонец 90х годов. Разработка новых поколений силовых ключей с
применением субмикронных технологий. Внедрение управляющих структур с изолированным затвором в структуры мощных тиристорных ключей.
Широкое применение «разумных» или «интеллектуальных» приборов.
Kонец ХХ века демонстрирует тенденцию к созданию универсального полупроводникового ключа, управляемого по изолированному затвору, с мощ

Идеи воплощаются в жизнь

ностью переключения, соответствующей «тиристорному» диапазону, и остаточным напряжением, близким к прямому напряжению обычного диода.
Итак, почти полувековой путь эволюции развития ключевых приборов представляет собой виток большой спирали, которая устремлена в
будущее, к ключу с «идеальными» свойствами. Свое начало спираль берет от обычного диода, как первого (к сожалению, неуправляемого) полупроводникового ключа. 

1.2. Воплощение идей в жизнь

Систематические исследования полупроводников были начаты в 30х годах. В основу
первых полупроводниковых ключей были положены теория выпрямления на границе pnперехода и открытие принципа полевого эффекта.
Усиленное развитие электроники и радиолокационной техники после второй мировой войны
поставило задачу создания малогабаритного
твердотельного прибора, способного заменить
электронную лампу. Исследования завершились созданием Бардиным (Bardeen J.) и Браттейном (Brattain W.) в 1948 году точечного биполярного транзистора
(Рис. 1.2). В 1949—1950 г. г. Шокли (Shockley W.) на основе германия (Ge)
разработал первый маломощный плоскостной биполярный транзистор
— БТ (BJT — Bipolar Junction Transistor). Он же в начале 50х годов сформулировал идею четырехслойной pnpnструктуры. В 1948 году Шокли
попытался изготовить маломощный полевой транзистор — ПТ (FET —
Field Effect Transistor) путем напыления слоя германия на диэлектрик.
Но потребовались дополнительные годы исследований поверхностных
состояний и разработка специальной технологии, чтобы в 1952 году
создать полевой транзистор с управляющим
pnпереходом — унитрон (Unipolar Transistor)
(Рис. 1.3). Kонструкция первого маломощного
транзистора со структурой металлдиэлектрикполупроводник МДП (MOS — Metal Oxide
Semiconductor Transistor) была предложена
Хофстейном (Hofstein S.) и Хейманом (Heiman
F.) только в 1963 году, когда первых успехов удалось добиться в области интегральной технологии (Рис. 1.4).

PSS_002

p+
p+
n

Эмиттер (E)
Коллектор (C)

База (B)

Структура точечного
транзистора

Рис. 1.2

PSS_003a

Затвор (G)
Исток (S)

Сток (D)

n

p

Kонструкция унитрона

Рис. 1.3

ГЛАВА 1. Эволюция развития силовых полупроводниковых ключей

Развитие силовой
полупроводниковой
электроники начинается в конце 50х годов. Развитие преобразовательной техники поставило задачу
разработки надежного и эффективного пол у п р о в о д н и к о в о г о
ключа, способного вытеснить применявшиеся ранее газоразрядные
переключатели. Основой первых силовых приборов становится кремний (Si). Применение кремния позволило расширить температурный
диапазон, существенно увеличить пробивное напряжение и мощность
приборов. В 1955 году под руководством Молла (Moll J.) исследуются
первые кремниевые приборы с тиратронной характеристикой, получившие название тиристоры (Thyristor). А в 1956 году Йорк (York R.)
стал инициатором успешного проекта изготовления кремниевого управляемого pnpnпереключателя SCR (Silicon Controlled Rectifier) на
большие токи. В 1958 году Тешнер (Teszner S.) предпринимает попытку
повысить мощность униполярного транзистора за счет использования
цилиндрической геометрии. По имени изобретателя этот прибор был
назван текнетроном (Tecnetron) (Рис. 1.5). Однако простое увеличение
физических размеров приборов для повышения коэффициента усиления и амплитуды тока приводило к заметному ухудшению частотных
свойств ключа. Увеличение площадей переходов и повышение допустимых напряжений увеличивали паразитные емкости и сопротивления
каналов. Для тиристоров в их первоначальных вариантах применения
(контакторы, коммутаторы тока, регуляторы напряжения в выпрямителях) это не представляло особой проблемы. Основная задача при разработке их первых промышленных образцов состояла в повышении рабочих токов и напряжений в целях полной
замены 
газоразрядных приборов. K началу 60х годов были изготовлены управляемые полупроводниковые вентили на токи
до сотен ампер и напряжения запирания

PSS_004a

Z

S
G

L

d

D

n+

p

n+

Структура МДПтранзистора

Рис. 1.4

PSS_005

Исток

Сток

Затвор

n

p

w

a
Канал
(nслой)
pслой

Переход

Kонструкция текнетрона

Рис. 1.5