eng
Содержание
Содержание
Предисловие ............................................................................................. 6
Введение ........................................................................................................... 10
Глава 1. Элементная база силовой электроники .................................................... 14
1.1.
Проблемы преобразования электрической энергии................................. 14
1.2.
Классификация элементной базы силовой электроники ........................ 17
Глава 2. Полупроводниковые приборы силовой электроники ............................. 20
2.1.
Силовые полупроводниковые диоды ......................................................... 20
2.2.
Силовые транзисторы ................................................................................. 25
2.2.1.
Биполярный транзистор .................................................................... 25
2.2.2.
Мощные биполярные транзисторы и каскады Дарлингтона .......... 27
2.2.3.
Мощные полевые транзисторы (МОSFET) ..................................... 29
2.2.4.
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) ........ 31
2.3.
Многослойные интегральные силовые приборы ...................................... 33
2.3.1.
Тиристоры ........................................................................................... 33
2.3.2.
Динисторы .......................................................................................... 35
2.3.3.
Симисторы ......................................................................................... 36
Глава 3. Интегральные микросхемы силовой электроники .................................. 37
3.1.
Микросхемы для источников питания ...................................................... 38
3.1.1.
Структура источников питания ........................................................ 38
3.1.2.
Полупроводниковые выпрямители напряжения
для источников питания ................................................................... 39
3.2.
Микросхемы стабилизаторов напряжения................................................ 43
3.2.1.
Схемотехническая реализация источников опорного
напряжения (ИОН) ........................................................................... 45
3.2.2.
Источник опорного напряжения, равного ширине
запрещенной зоны полупроводника ................................................ 47
3.2.3.
Источники опорного напряжения на МОП транзисторах ............. 49
3.2.4.
Особенности схемотехнической реализации мощных
выходных каскадов микросхем стабилизаторов напряжения ........ 50
3.2.5.
Схема защиты от повышенного входного напряжения ................... 53
3.2.6.
Схемы защиты от превышения температуры кристалла ................. 53
3.2.7.
Схема защиты выхода микросхемы стабилизатора напряжения
от тока короткого замыкания ........................................................... 55
3.2.8.
Подгонка параметров микросхем в процессе производства
путем пережигания перемычек ......................................................... 56
3.2.9.
Электрическая и лазерная подгонка параметров микросхем
в процессе производства ................................................................... 58
3.3.
Микросхемы управления импульсными источниками питания ............. 60
3.3.1.
Структурная схема и принцип работы микросхемы
управления импульсными источниками питания .......................... 60
4
Содержание
3.3.2.
Структурная схема и принцип работы микросхемы
ШИМ контроллера с дополнительной обратной связью
по току ................................................................................................ 62
3.3.3.
Микросхемы импульсных стабилизаторов напряжения ................. 65
3.3.4.
Коррекция коэффициента мощности .............................................. 66
3.3.5.
Схемотехника микросхем импульсных стабилизаторов
напряжения ........................................................................................ 69
3.3.6.
Схемотехника микросхем управления
импульсными источниками питания ............................................... 83
3.4.
Микросхемы управления электродвигателями ......................................... 93
3.4.1.
Обобщенная структура и классификация электродвигателей ........ 93
3.4.2.
Микросхемы управления шаговыми двигателями .......................... 95
3.4.3.
Микросхемы управления коллекторными
электродвигателями .......................................................................... 99
3.4.4.
Отечественные микросхемы управления коллекторными
двигателями переменного тока ....................................................... 102
3.4.5.
Микросхемы для управления вентильными двигателями
постоянного тока ............................................................................. 103
3.4.6.
Типовой пример микросхемы управления вентильными
двигателями...................................................................................... 105
3.5.
Микросхемы управления осветительным оборудованием ..................... 106
3.5.1.
Виды источников света и их основные характеристики ............... 106
3.5.2.
Микросхемы управления лампами накаливания .......................... 111
3.5.3.
Микросхемы управления газоразрядными источниками света ...... 113
3.5.4.
Микросхемы управления светодиодными источниками света ....... 120
3.5.5.
Отечественные микросхемы драйверов светодиодов .................... 127
3.6.
Силовые микросхемы для автомобильной электроники........................ 132
3.6.1.
Электронные системы управления автомобилями ........................ 132
3.6.2.
Силовые микросхемы и полупроводниковые приборы
для систем электропитания автомобилей ...................................... 138
3.6.3.
Электронные системы управления двигателями
внутреннего сгорания (ЭСУД) ........................................................ 140
3.7.
Драйверы управления MOSFET и IGBT ................................................. 144
3.7.1.
Требования к входным сигналам MOSFET и IGBT....................... 144
3.7.2.
Схемы управления MOSFET и IGBT ............................................. 146
3.7.3.
Быстродействующие драйверы MOSFET и IGBT ......................... 149
3.7.4.
Драйверы MOSFET и IGBT с расширенными
функциональными возможностями ............................................... 150
Глава 4. Технологии изготовления ИМС силовой электроники ......................... 154
4.1.
Биполярные технологии изготовления ИМС ......................................... 154
4.2.
КМОП технология изготовления ИМС силовой электроники ............. 156
4.3.
БиКМОП технология изготовления ИМС силовой электроники......... 158
4.4.
ДМОП, КДМОП и БиКДМОП технология изготовления ИМС
силовой электроники ................................................................................ 160
Содержание 5
4.5.
Достоинства и недостатки ИМС силовой электроники,
реализованных по разным технологиям .................................................. 164
Глава 5. Статистический анализ и оптимизация в задачах
сквозного проектирования микросхем силовой электроники ........................... 166
5.1.
Статистический анализ и оптимизация параметров микросхем
силовой электроники ................................................................................ 166
5.2.
Иерархический статистический анализ микросхем силовой
электроники ............................................................................................... 170
5.2.1.
Статистическое моделирование прибора ....................................... 171
5.2.2.
Моделирование на уровнях схемы и системы ................................ 173
5.3.
Обобщенная структура методологии сквозного статистического
анализа и оптимизации в силовой электронике ..................................... 174
5.4.
Результаты проведения сквозного статистического анализа
и оптимизации параметров типовой микросхемы силовой
электроники ............................................................................................... 176
5.4.1.
Статистический анализ параметров технологии ........................... 176
5.4.2.
Статистический анализ параметров прибора
(n МОП транзистора) ..................................................................... 185
5.4.3.
Статистический анализ параметров схемы (инвертор на базе
n МОП транзисторов) .................................................................... 187
Выводы по главе 5 ...................................................................................... 192
Глава 6. Особенности корпусирования мощных полупроводниковых
приборов и интегральных микросхем ........................................................... 194
6.1.
Проблема отвода тепла. Тепловое сопротивление.
Способы уменьшения теплового сопротивления ................................... 194
6.2.
Основные типы корпусов для полупроводниковых приборов
и микросхем силовой электроники .......................................................... 196
6.3.
Измерение тепловых сопротивлений силовых
полупроводниковых приборов ................................................................. 201
Литература................................................................................................ 206
Предисловие
Предлагаемая вниманию читателя книга ориентирована на широкий круг чита
телей – ученых, инженерно технических работников, студентов профессиональ
но технических училищ, колледжей и высших учебно технических заведений,
инженеров разработчиков радиоэлектронной аппаратуры, разработчиков диск
ретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, а также инже
неров и технических специалистов по ремонту и эксплуатации в таких разных по
профилю профессиональной деятельности сферах, как промышленная и быто
вая радиоэлектронная аппаратура, автомобильная электроника, электротехника,
осветительная техника, электрические машины и различные устройства преобра
зования электрической энергии.
Столь широкий круг потенциальных читателей книги обусловлен уникальнос
тью предмета исследований книги – силовой электроникой. Это достаточно новое
и стремительно развивающееся направление научно технического прогресса сегод
ня даже не имеет четко установившейся общепринятой терминологии. Если лю
бознательный читатель обратится к Интернету и с помощью всезнающей Википе
дии попробует узнать, а что же это за такое направление, он будет разочарован.
Обычно вся суть нового явления (направление, вид деятельности) в этой общеприз
нанной универсальной энциклопедии описывается в так называемых «основных
статьях» по каждому из направлений, которые в терминологии Википедии называ
ются «категориями» и «подкатегориями». Так вот – по категории «силовая электро
ника» такая «основная статья» еще не написана, хотя всего в двух там присутствую
щих «подкатегориях» («системы управления электродвигателями» и «источники
питания») уже имеются более тридцати страниц, посвященных терминологии пред
метов исследований этой области науки и техники – (электронный привод, тирис
торы, выпрямители, преобразователи энергии, IGBT, MOSFET, тиристорные регу
ляторы мощности, силовые модули, бортовые электронные системы управления
двигателями и т.п.).
С другой стороны, в многочисленной зарубежной и даже в не столь многочис
ленной отечественной литературе существует множество различных публикаций
(статьи, монографии, справочники, описания патентов, руководства по примене
нию и т.д.), рассматривающих некоторые частные аспекты проблемы силовой по
лупроводниковой электроники – теоретические исследования, методы расчета и
проектирования конкретных силовых машин и устройств, методы расчета проек
тирования дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем,
предназначенных для использования в различных устройствах, связанных с преоб
разованием энергии, и др.
Наиболее полно проблематика научно технического направления «силовая
электроника» рассмотрена в фундаментальной работе «Semiconductor Technical
information, technologies and characteristics date», опубликованной «Pablisic
Corporate Publishing» в Германии в 2000 г. Это издание было подготовлено штаб
квартирой одного из мировых лидеров в области полупроводниковой технологии
и ее применений – фирмы Infinion Technologies AG и представляет собой факти
чески универсальное справочное пособие для ученых и инженеров, специализи
Предисловие 7
рующихся в области проектирования и применения современных полупроводни
ковых изделий, состоящее из отдельных глав по конкретным направлениям, под
готовленных большим авторским коллективом ученых и специалистов с миро
вым именем под редакцией председателя правления этой крупнейшей междуна
родной корпорации профессора Ульриха Шумахера. Несомненным достоинством
этой книги является то, что авторы в пределах одной монографии сумели талант
ливо изложить в ней все современные тенденции, веяния и достижения в области
полупроводниковых технологий.
При ее написании авторы исходили из двух сформулированных ими основ
ных постулатов. Во первых, будущим инженерам электронщикам и электротех
никам, а также преподавателям и пользователям всегда нужно иметь под рукой
сборник справочных материалов по современной микроэлектронике. Во вторых,
чтобы стать популярным среди специалистов, это издание должно выполнять фун
кции и классического учебника, и надежного краткого справочника, и просто
увлекательной книги.
Надо отметить, что создатели этой уникальной коллективной монографии
действительно достигли этой цели – в 2004 г. вышло уже третье актуализирован
ное издание, а в 2012 г. в Германии было издано уже очередное – седьмое дорабо
танное издание этой книги, которое пользуется огромной популярностью у ши
рокого круга читателей.
Из 16 ти глав этой фундаментальной работы только четыре главы в той или
иной степени рассматривают проблемы современной силовой электроники и ее
элементной базы.
К сожалению, на русский язык эта монография до сих пор не переведена, хотя
сегодня различные ее русскоязычные версии можно легко найти в Интернете.
К мелким недостаткам этой книги можно отнести только тот факт, что прак
тические вопросы применения микроэлектронных изделий силовой электрони
ки в составе конкретных систем и законченных приборов, важные для основного
контингента читателей, рассмотрены здесь на ограниченном количестве приме
ров (только для демонстрации принципа использования) и только на зарубежных
микросхемах и полупроводниковых приборах (ППП). А, как известно, многочис
ленные отечественные разработчики надежной аппаратуры, особенно специаль
ного и двойного назначения, могут использовать достаточно широкий ряд отечест
венных микросхем, разработанных и производимых в России и Беларуси, что
может позволить им избежать неприятных проблем с надежностью и качеством
заполнивших мировой рынок китайских дешевых клонов микросхем известных
американских и европейских фирм производителей элементной базы силовой
электроники.
Удивительно, но одним из наиболее удачных примеров переводной литературы
является книга индийского профессора С. Рама Редди «Fundamentals of Power
Electronics», изданная более 13 ти лет назад в Дели (Индия) по результатам препо
давания им соответствующего предмета в университетах и технических колледжах
Индии. Как мы знаем, полупроводниковая промышленность Индии в тот момент
практически отсутствовала, да и в настоящий момент ее уровень весьма далек от
уровня индустриально развитых стран мира. В переводе на русский язык под назва
8 Предисловие
нием «Основы силовой электроники» эта книга была в 2005 г. опубликована изда
тельством «Техносфера» и, в связи с актуальностью тематики, неоднократно пере
издавалась (следует отметить, что в Индии после 2005 г. она больше не издавалась).
При сравнительно небольшом объеме книги (280 стр.) автору удалось в достаточно
популярной форме изложить физические принципы работы основных известных
на тот момент времени приборов силовой электроники (транзисторов, тиристоров,
переключающих схем, выпрямителей, инверторов, частотных преобразователей) и
привести известные, самые простейшие электрические схемы их возможных при
менений в электротехнических устройствах.
Конечно, на момент написания этой «простой» и достаточно популярной кни
ги просто не существовало еще такой элементной базы, которая бы позволяла ис
пользовать рассматриваемые полупроводниковые приборы в автомобильных элек
тронных устройствах управления, в осветительной технике, в устройствах управле
ния систем преобразования энергии и других сферах применения, которые сегодня
стремительно развиваются. Конечно, там не представлены и микросхемы силовой
электроники по той причине, что тогда их просто не было.
Авторы представляемой читателю новой книги поставили перед собой доста
точно амбициозную задачу – попытаться обобщить многочисленную литературу
по этой проблеме (как зарубежную, так и отечественную) и в рамках ограниченно
го объема этой одной книги рассмотреть как основные физические механизмы и
принципы работы собственно элементной базы полупроводниковой силовой элек
троники (дискретных полупроводниковых приборов и специализированных мик
росхем), так и дать конкретные детализированные примеры и рекомендации по их
практическому применению в составе различных систем и устройств силовой элек
троники, причем в качестве примеров используемых ППП и ИМС рассматривать в
первую очередь микросхемы отечественного производства (хотя в подавляющем
большинстве все они имеют зарубежный функциональный аналог, за исключением
отдельных случаев). Прежде всего, к таким устройствам относятся системы управ
ления двигателями (вентильными и коллекторными электродвигателями, карбю
раторными и дизельными двигателями автомобилей), устройства управления ис
точниками света, импульсными источниками питания и др.
Эта идея возникла в ходе многолетней плодотворной работы авторов над кни
гой «Основы схемотехники микроэлектронных устройств», которая была задума
на как дальнейшее развитие идей и подходов, изложенных в вышедшей в про
шлом веке монографии «Искусство схемотехники» – классического учебника по
цифровой и аналоговой схемотехнике, (по которой учились и авторы настоящей
книги), написанной выдающимися американскими учеными практиками Paul
Horowitz и Winfield Hill, которая за свою необычайную для такого рода изданий
популярность среди студентов и инженеров по электронике в 90 х годах прошло
го века получила вполне заслуженное неофициальное звание «библия электро
ники» и до сих пор не сходит с прилавков книжных магазинов. Книга «Основы
схемотехники микроэлектронных устройств» была опубликована в 2012 г. в изда
тельстве «Техносфера», и многочисленные отзывы читателей, приходящие до сих
пор на адреса электронной почты авторов, подтверждают правильность выбран
ной ими концепции изложения сложного материала.
Один из основополагающих принципов этой концепции, использованных авто
рами и при написании представленной читателям книги, – представление как доста
точного объема необходимой справочной информации собственно по принципам
работы и составу элементной базы силовой электроники, так и, в отличие от клас
сических учебников с изобилием математических выкладок и физических формул,
попытаться простым языком, на большом количестве практических примеров, из
ложить основные аспекты как проектирования и изготовления самих элементов
силовой электроники (физические принципы работы, схемотехнические решения,
технологии изготовления, корпусные особенности), так и важнейшие аспекты эта
пов расчета и конструирования основных типов энергосберегающих приборов и уст
ройств на уровне, доступном для понимания даже слабоподготовленным читателем.
Насколько авторам удалось в рамках данной книги реализовать эту концеп
цию – судить читателям.
В основу книги, кроме обобщенных результатов анализа отечественных и за
рубежных литературных источников, результатов собственных исследований,
опубликованных ранее в монографиях, патентах и статьях, результатов своей прак
тической деятельности в области проектирования и применения силовых прибо
ров и микросхем, положены материалы лекционных курсов «Схемотехника и тех
нология базовых элементов силовой электроники» и других, много лет читаемых
авторами в вузах и академических институтах для студентов, аспирантов, магист
рантов и преподавателей по следующим специальностям: 1 41 01 01 «Технология
материалов и компонентов электронной техники», 5515002 «Приборостроение»;
5507002 «Электроника и микроэлектроника»; 551102 «Проектирование и техно
логия электронных средств»; 5528002 «Информатика и вычислительная техника»;
2000003 «Электронная техника, радиотехника и связь» и др.
В частности, использованы материалы лекционных курсов и практических
занятий, проведенных авторами в период с 2000 по 2012 г. в Белорусском нацио
нальном техническом университете, Белорусском государственном университете
информатики и радиоэлектроники, использованы также материалы лекций и се
минаров для иностранных студентов, магистрантов и инженеров разработчиков,
проведенных авторами в Китае (Северо восточный институт микроэлектрони
ки), Индии (Институт космических исследований, BHARAT ELECTRONIC, Ис
следовательский центр Имарат), Вьетнама (Ханойский технический универси
тет), Болгарии. Польше и других странах.
При работе над материалами гл. 6 существенную помощь авторам оказали
профессор, д.т.н. Нелаев В.В. и к.т.н. Стемпицкий В.Р., техническое оформление
рукописи выполнено Гордиенко С.В.
Авторы благодарят заведующего кафедрой нано и микроэлектроники Белорус
ского государственного университета информатики и радиоэлектроники, д.ф м.н.,
профессора Борисенко В.Е. и проректора Белорусского национального техническо
го университета, д.т.н., профессора Гусева О.К. за конструктивную критику и полез
ные предложения по уточнению содержания и структуры построения материала, сде
ланные в процессе рецензирования данной работы.
Введение
Структура изложения материалов в данной книге направлена на реализацию сфор
мулированной в предисловии концепции изложения сложного материала в макси
мально упрощенном (но не в ущерб качеству) виде, а именно: представление чита
телю достаточного, но минимального объема информации о принципах работы,
составе и основных технических характеристиках базовых элементов силовой элек
троники, а также на практических примерах изложить основные аспекты как про
ектирования и изготовления самих элементов силовой электроники (физические
принципы, схемотехнические решения), так и важнейшие аспекты этапов расчета
и конструирования основных типов энергосберегающих приборов и устройств (для
автоэлектроники, осветительной техники, управления электродвигателями и ис
точниками питания и др.).
Для достижения этой цели материал книги разбит на 6 глав.
В первой, вводной главе, состоящей всего лишь из двух разделов, в очень сжа
том виде представлены основные предпосылки возникновения и развития сило
вой электроники, в первую очередь обусловленные необходимостью снижения
энергопотребления и повышения эффективности использования различных ви
дов энергии. Здесь же представлена классификация элементной базы силовой
электроники, необходимая для систематизации изложения и более полного по
нимания читателем содержания последующих глав.
Вторая глава в целом носит обзорный характер, здесь в достаточно сжатом
виде, с минимальным использованием математических выкладок и формул рас
смотрены принципы работы и типовые конструкции основных, наиболее широко
используемых, полупроводниковых приборов силовой электроники. Прежде все
го, это силовые полупроводниковые диоды и стабилитроны. Исследованы особен
ности возникновения и развития лавинного и туннельного (зенеровского) пробоев
p n переходов, в том числе с привлечением минимального количества формул рас
смотрены физические механизмы работы диодов Зенера и диодов Шоттки.
В рамках отдельного параграфа рассмотрены структуры, конструкции и фи
зические механизмы работы основных типов силовых транзисторов (биполярных
средней и высокой мощности, каскадов Дарлингтона, полевых транзисторов сред
ней и большой мощности (MOSFET), биполярных транзисторов с изолирован
ным затвором (IGBT) и др.
В конце этой главы рассмотрены принципы работы и особенности практи
ческого применения многослойных полупроводниковых структур (тиристоры,
динисторы, симисторы) в составе различных устройств силовой электроники.
Третья глава является основной по насыщенности информационным мате
риалом и посвящена анализу работы и особенностям применения интегральных
микросхем силовой электроники. Так, здесь детально рассмотрены типовые струк
туры микросхем для источников питания и приведены типовые, апробирован
ные на практике, детализированные электрические схемы их использования в со
ставе различных источников питания радиоэлектронной и промышленной аппа
ратуры, приведены эквивалентные электрические схемы и приведены важные для
практического применения особенности интегральных выпрямителей напряже
ния, наиболее широко используемых в известных устройствах преобразования
энергии.
Для наиболее популярных микросхем стабилизаторов напряжения приведен
анализ схемотехнических решений важнейших составных узлов и блоков (источ
ники опорного напряжения на биполярных и полевых транзисторах), важнейшие
особенности схемотехнической реализации мощных выходных каскадов различ
ных микросхем стабилизаторов напряжения, а также схем защиты кристаллов от
несанкционированного воздействия повышенного входного напряжения, от пре
вышения допустимой температуры кристалла, от ситуации короткого замыкания
в нагрузке и др.
Здесь же рассмотрены основные средства и методы подгонки численных зна
чений параметров этих микросхем, используемые в процессе их промышленного
изготовления (электрическая и лазерная подгонка, подгонка путем пережигания).
В отдельный параграф этой главы также выделено рассмотрение типовых
структурных схем и принципов работы микросхем, предназначенных для работы
в составе сравнительно нового и стремительно развивающегося класса энерго
сберегающих источников – импульсных источников питания.
Поскольку при построении таких импульсных источников широко использу
ются новые алгоритмы и методы обработки («модуляции») обрабатываемых сиг
налов, детально анализируются структура и принципы работы так называемых
микросхем ШИМ контроллеров (приборов с использованием так называемого
«метода широтно импульсной модуляции»), в том числе – ШИМ контроллеров
с дополнительной обратной связью по току.
Также для нового класса микросхем стабилизаторов – импульсных стабили
заторов напряжения (иначе часто называемых DC DC преобразователями) рас
смотрены типовые схемотехнические решения повышающих, понижающих и
инвертирующих импульсных стабилизаторов с анализом их как преимуществ, так
и недостатков по сравнению с до сих пор широко используемыми линейными
стабилизаторами напряжения.
Здесь же детально рассмотрены принцип работы и основные схемотехничес
кие решения специализированных микросхем – корректоров фактора мощности
(коэффициента мощности). Приведена номенклатура наиболее широко исполь
зуемых таких отечественных ИМС управления импульсными источниками пита
ния и стабилизаторами.
Для более глубокого понимания принципов работы серии микросхем управ
ления электродвигателями в четвертой главе приведены и описаны простейшие
конструкции и структуры различных электродвигателей, в том числе шаговых,
вентильных (постоянного и переменного тока), а также электродвигателей пере
менного тока.
Рассмотрены типовые ИМС, предназначенные для управления этими конк
ретными типами двигателей и приведены конкретные примеры конструирова
ния законченных электронных систем и блоков управления этими двигателями с
практическими рекомендациями по выбору необходимых внешних навесных эле
ментов, позволяющих адаптировать их работу применительно к конкретным ус
ловиям эксплуатации.
В специальном разделе, посвященном изучению ИМС для управления ос
ветительным оборудованием, предварительно представлена информация об ис
тории возникновения наиболее широко используемых видов источников све
та, приведены их основные технические характеристики, а затем для каждого
вида этих источников приведены описания соответствующих конкретных мик
росхем и детализированных электрических схем их включения (для ламп нака
ливания, газоразрядных и светодиодных источников света и светильников на
их основе).
В начале раздела, посвященного изучению силовых микросхем для автомо
бильной электроники, наиболее интересного для читателей автолюбителей, при
ведены характеристики и классификации основного электрооборудования и элек
тронных систем управления автомобилем (двигателем, освещением салона, стек
лоподъемниками, «дворниками», омывателями лобового стекла, тормозами, по
воротными сигналами и т.д.).
Наиболее детально на конкретных примерах рассмотрены структуры, элект
рические схемы и особенности работы применяемых в этих системах специали
зированных микросхем и полупроводниковых приборов для бортовых сетей элек
тропитания и систем управления двигателями внутреннего сгорания.
Завершает третью главу раздел, посвященный анализу структур и принципов
работы драйверов управления MOSFET и IGBT (управление от КМОП логики,
при помощи эмиттерных повторителей, с разделением цепей заряда и разряда
входной емкости, управление полумостом – стойкой MOSFET и IGBT и др.).
Если предыдущие главы ориентированы на широкий круг читателей с раз
личным уровнем подготовки, то последующие главы книги в первую очередь ори
ентированы на студентов и специалистов в области проектирования и организа
ции производства полупроводниковых изделий.
В четвертой главе в сжатом, конспективном виде рассмотрены основы совре
менных технологий изготовления всех вышерассмотренных классов полупровод
никовых приборов и микросхем силовой электроники (биполярной, КМОП, ком
бинированной БиКМОП, высоковольтной ДМОП, КДМОП, БиКДМОП).
Приведены весьма детализированные эскизы типовых конечных полупровод
никовых структур элементной базы силовой электроники для каждого из выше
перечисленных типов технологий с указанием конкретных элементов активной
структуры (вертикальных и горизонтальных n p n и p n p транзисторов, резисто
ров, встроенных в кристалл диодов и емкостей), изолирующих и защитных обла
стей полупроводника и диэлектрика.
Очень кратко описаны основные технологические маршруты изготовления
каждой из рассматриваемых структур (биполярных, КМОП, БиКМОП и т.д.),
последовательности выполняемых стандартных технологических операций (окис
ление, диффузия примеси, фотолитография, ионное легирование и т.д.) без де
тализации технологических режимов их реализации (доз легирования, темпера
тур и т.д.).
Приводятся достоинства и недостатки микросхем силовой электроники, реа
лизованных по различным рассмотренным выше технологиям изготовления, зна
ние которых всегда важно разработчику силового устройства для правильного
выбора микросхемы, предназначенной для будущей работы в конкретных, задан
ных разработчику прибора условиях эксплуатации.
Пятая глава посвящена рассмотрению наиболее часто встречающихся на прак
тике задач статистического анализа и оптимизации основных технических пара
метров микросхем силовой электроники в сквозной цепи «проектирование микро
схемы – изготовление – проектирование прибора». В основу алгоритмов решения
этих задач положены теоретические исследования одного из основоположников –
профессора кафедры нано и микроэлектроники Белорусского государственного
университета информатики и микроэлектроники, д.т.н. Нелаева В.В. и его талант
ливого ученика к.т.н. Стемпицкого В.Р.
Рассмотрены основные задачи статистического анализа и оптимизации пара
метров микросхем в условиях их серийного производства. Описан рекоменду
емый структурный иерархический подход к задаче статистического анализа си
ловых микросхем, включающий как использование понятий «подуровни» статис
тического моделирования прибора, так и расширенное моделирование на уровне
проектируемой системы.
Шестая глава посвящена одной из основных общих проблем элементной базы
силовой электроники – проблеме отвода тепла и способам уменьшения величи
ны теплового сопротивления силовых дискретных полупроводниковых приборов.
Здесь поясняется физическая сущность важнейшего для монтажа параметра –
теплового сопротивления корпуса прибора, приводятся основные математиче
ские выражения и формулы для его расчета, методики экспериментальных изме
рений фактических численных значений для наиболее часто встречающихся на
практике случаев и анализируются достоинства и недостатки известных спосо
бов уменьшения его величины.
Здесь же рассмотрены основные типы корпусов, используемых для сборки мощ
ных полупроводниковых приборов и микросхем силовой электроники. Рассмотре
ны основные пути миниатюризации этих корпусов и особенности используемых
инженерами практиками технических решений по отводу тепла от кристаллов как
для «малых» корпусов, так и для корпусов, предназначенных для случая поверхно
стного монтажа на платы. Учитывая практическую важность вопроса, в рамках от
дельного параграфа приведены особенности известных методов измерений тепло
вых сопротивлений корпусов и представлены экспериментальные численные их
значения для типовых случаев.
ГЛАВА 1
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
1.1. Проблемы преобразования
электрической энергии
Вследствие стремительного прогресса в развитии технологии производства полу
проводниковых интегральных схем и дискретных приборов, в частности – пере
хода к субмикронным и наноразмерным технологиям и появления высоковольт
ных технологий изготовления мощных силовых приборов, возникают новые за
дачи в области проектирования и применения микроэлектронных устройств, ре
ализованных на основе этих технологий. Появившиеся в результате этого прогресса
сложнофункциональные универсальные и специализированные микропроцес
соры и микроконтроллеры нашли широкое применение в компьютерных, теле
коммуникационных, навигационных, информационных технологиях. Громад
ные интеллектуальные ресурсы ученых, разработчиков и производственников
были направлены на развитие в первую очередь именно этих сфер применения.
В то же время человечество подошло вплотную к новой проблеме, также требу
ющей концентрации усилий ученых и практиков на разрешении диалектического
противоречия, обусловленного, с одной стороны, постоянно увеличивающимся
потреблением энергии во всех сферах жизнедеятельности человека, а с другой –
очевидной ограниченностью энергетических ресурсов нашей родной планеты.
Во всем мире наблюдается проблема дефицита природных ресурсов, исполь
зуемых для получения и преобразования электрической энергии. Очевидные при
знаки грядущего энергетического кризиса в той или иной степени затрагивают
все индустриально развитые страны. Одним из главных путей решения этой про
блемы является развитие энергосберегающих технологий и создания энергосбе
регающих изделий на их основе.
При этом на передний план выходит задача существенного снижения потерь
электрической энергии в технологической цепи «производство – преобразование –
использование» электрической энергии [1]. И здесь одну из важнейших задач при
звана решить силовая электроника. Силовая электроника как самостоятельное на
правление научно технического прогресса в настоящее время ориентирована на
решение сложных задач эффективного управления, регулирования процессами
преобразования электрической энергии в самых разных областях науки и техники.
В табл. 1.1 в обобщенном виде представлены источники поступления энер
гии, виды используемой энергии и типы промышленных предприятий (электро
станций), которые осуществляют преобразование соответствующего вида энер
гии в электрическую энергию и ее передачу потребителям.
Время исчерпания ресурсов вычислено в предположении, что в течение буду
щих десятилетий разведанные ресурсы вырастут в 5 раз по сравнению с данными,
приведенными в таблице.
В табл. 1.2 [2] представлены прогнозные данные, характеризующие запасы
основных ресурсов (уголь, нефть, природный газ, урановая руда), средний годо
вой процент увеличения их потребления в масштабах всей планеты и прогнози
руемое время их исчерпания.
Прежде чем переходить к изложению последующего материала, следует отме
тить, что как само название направления («силовая электроника»), так и терми
нология в этой области еще находятся в стадии формирования. Достаточно на
помнить, что даже в широко используемой в Интернете Википедии по категории
«силовая электроника» нет общепринятой «основной статьи», хотя в то же время
там содержатся только две «подкатегории»: «источники питания» и «системы уп
равления электродвигателями», в которых имеются ссылки на более трех десят
ков страниц, где содержатся характеристики таких терминов, как «электриче
ский привод», «тиристор», «выпрямитель», «тиристорный регулятор мощности»,
IGBT и другие термины.
Силовая электроника как научно техническое направление сформировалась для
эффективного регулирования преобразованием электрической энергии. В общем
виде (табл. 1.3) все известные системы преобразования электрической энергии
можно представить в виде структуры, содержащей следующие блоки: блок реали
зации алгоритмов управления, блок сопряжения, выходной блок преобразования
и управления исполнительным устройством. Микросхемы и дискретные прибо
ры, выполняющие функции этих блоков систем преобразования электрической
энергии, относятся к элементной базе силовой электроники, описанию структур
и особенностей применения которых в реальных приборах и системах посвяще
ны последующие главы этой книги.
Более двух третей всей вырабатываемой в мире электроэнергии потребляется
в преобразованном виде.
Согласно данным американской фирмы International Rectifier, одного из круп
нейших изготовителей элементов силовой электроники, больше всего электри
ческой энергии в мире потребляют электродвигатели (55%), на втором месте –
осветительные приборы (21%). Мощные источники питания для всех типов элек
тронного оборудования (средств связи, компьютерного оборудования и других
потребителей) потребляют всего 6% электрической энергии, а на остальных по
требителей приходится оставшиеся лишь 18%.
Используя процесс преобразования электроэнергии, позволяющий перейти
от устаревших ламп накаливания к электронным флуоресцентным лампам, мож
но вдвое снизить потребление энергии. Флуоресцентные лампы потребляют на
75% энергии меньше, чем лампы накаливания, при одном и том же уровне осве
щенности. По другим источникам информации, замена традиционных ламп на
каливания «сверхяркими» светодиодами с питанием от специальных драйверов –
преобразователей электроэнергии позволит сберечь около 20% всей потребляе
мой мировой электроэнергии.
Около 40% потребляемой энергии можно сэкономить за счет замены «старых»
нерегулируемых двигателей на электрический привод с электронным регулиро
ванием.
В большинстве находящихся в эксплуатации типовых холодильников в на
стоящее время для управления работой основного энергопотребляющего агрега
та – компрессора используется нерегулируемый электродвигатель. В настоящее
время ведущие производители холодильников уже поставляют на мировой рынок
компрессоры с изменяющейся скоростью работы электродвигателя компрессора.
Для типовых бытовых холодильников с объемом 20 куб. футов (566 куб. дм) это
означает снижение домашнего потребления энергии более чем на 70%.
Полупроводниковые устройства преобразования энергии позволяют также
существенно уменьшить объемы и габаритные размеры радиоэлектронных быто
вых и промышленных приборов, снизить требования к их охлаждению, исклю
чить от 5 до 10% потерь энергии в мощных источниках питания для компьютеров,
серверов, сетей и телекоммуникационного оборудования.
Таким образом, развитие силовой электроники является одним из несомнен
ных достижений научно технического прогресса, что заставляет разработчиков
различных радиоэлектронных устройств активно изучать и использовать элемен
тную базу силовой электроники в своих изделиях.
В этой связи следует отметить, что требования, предъявляемые, например, к со
временной радиоэлектронной аппаратуре, которыми руководствовались разработ
чики 90 х годов прошлого века, подверглись весьма существенному пересмотру и
изменениям. Теперь особое внимание уделяется не только их функциональным воз
можностям и характеристикам, но и массогабаритным показателям и оптимизации
расхода электроэнергии, что крайне существенно при работе от аккумуляторов. Под
верглись существенному пересмотру и подходы к проектированию систем питания
для аппаратуры радиоэлектронных комплексов нового поколения как гражданско
го, так и военного (наземного, морского, авиационного и космического) примене
ний, как неперемещаемой (стационарной), так и подвижной (мобильной).
Чтобы читатель мог лучше ориентироваться при изучении материала после
дующих глав, прежде всего, необходимо рассмотреть сложившуюся общеприня
тую классификацию элементной базы силовой электроники.
1.2. Классификация элементной базы
силовой электроники
В общем случае все многообразие микроэлектронных устройств силовой элект
роники можно разделить на две группы – дискретные полупроводниковые при
боры и интегральные микросхемы (ИМС) для силовой электроники (рис. 1.1).
В свою очередь, силовые дискретные полупроводниковые приборы подразде
ляются на силовые диоды (диоды Шоттки, диоды Зенера, стабилитроны), силовые
дискретные транзисторы (биполярные, Дарлингтона, MOSFET, IGBT, интеллекту
альные MOSFET), многопереходные структуры (тиристоры, динисторы, симисто
ры) и мощные силовые модули на основе IGBT и тиристорно диодных сборок.
Детальному рассмотрению каждого из этих типов силовых элементов посвя
щены гл. 3–5, а в этом разделе отметим основные их отличительные признаки.
Так, дискретные полевые транзисторы с изолированным затвором типа
MOSFET и их интегрированные сборки предназначены в основном для исполь
зования в корректорах коэффициента мощности (PEC), в полумостовых или мо
стовых структурах высокочастотных (ВЧ) инверторов и преобразователей энер
гии. Их отличительной характеристикой является возможность реализации на
основе MOSFET законченных систем и источников питания большой и сверх
большой мощности, которые могут работать на частотах преобразования 100–300 кГц
и более с удельной мощностью до 700–1000 Вт/дм3.
Силовые модули, в свою очередь, подразделяются на универсальные и специ
ализированные. Среди универсальных модулей следует выделить интегрирован
ные силовые модули (ИСМ или IPM) на основе IGBT, которые широко использу
ются в системах управления электроприводом в одно или трехфазных электро
сетях. Они могут включать в себя: выпрямительные мосты по соответствующей
схеме, содержащие от двух до семи модулей IGBT, прерыватели (чопперы) на IGBT
и мощные пусковые терморезисторы.
На таких универсальных силовых модулях создаются различные модификации
систем управления: однофазный выпрямитель /чоппер/инвертор, однофазный
выпрямитель/инвертор, трехфазный выпрямитель/инвертор, трехфазный выпря
митель/чоппер/ инвертор и др.
Специализированные силовые модули проектируются обычно на очень боль
шую мощность и имеют достаточно сложную внутреннюю организацию. Так, стан
дартный трехфазный инвертор типа SK/POWER фирмы SEMIKRON мощностью
до 250 кВт широко используется в электрическом или гибридном автотранспорте
мировых фирм – производителей автомобильной техники и содержит в своем со
ставе следующие блоки:
– силовую IGBT секцию;
– датчики напряжения, тока и температуры;
– устройства управления и защиты;
– перепрограммируемый цифровой сигнальный микропроцессор;
– фильтр электромагнитных помех;
– радиатор жидкостного охлаждения и др.
Рис. 1.1. Классификация элементной базы силовой электроники
ИМС управлния коллекторными,
вентильными, шаговыми
электродвигателями
ИМС для источников питания:
– ИМС линейных стабилизаторов;
– ИМС управления импульсными
источниками питания;
– ИМС импульсных стабилизаторов
Силовые диоды, диоды
Шоттки, диоды Зенера,
стабилитроны
Элементная база
силовой электроники
Интегральные микросхемы
силовой электроники
Силовые полупроводниковые
приборы
Силовые дискретные
транзисторы (биполярные,
каскады Дарлингтона,
MOSFET, IGBT)
Тиристоры,
симисторы, динисторы
Силовые модули
на основе IGBT
и тиристорно#диодных матриц
Силовые ИМС
для автомобильной электроники
ИМС управления
осветительным оборудованием
Драйверы управления MOSFET и IGBT
Одной из разновидностей этого направления также являются силовые моду
ли, конструктивно выполненные в виде последовательного соединения из двух
IGBT и предназначенные для применения в системах управления электроприво
дом, сверхмощных импульсных источниках вторичного электропитания и т.п.
Запираемые тиристоры (GTO) в основном используются в тяговых электро
приводах большой мощности [3]. Наибольшее применение они находят в случае
совместного использования со встроенными микросхемами управления (IGBT)
на напряжениях от 4500 до 6000 В и токе от 400 до 2700 А.
Для работы в условиях высокого уровня электромагнитных помех, возникаю
щих в процессе коммутации (это энергосберегающие преобразователи для линий
передачи постоянного тока высокого напряжения типа HVDC, компенсаторы
реактивной мощности типа SVC), используются мощные высоковольтные тирис
торы с прямым управлением светом по оптическому кабелю (так называемые Light
Tuiggered Thyristors – LTT).
Самостоятельное направление развития «силовые тиристоры» – диодные мо
дули на напряжения от 800 до 1600 В и токи до 90 А. Обычно в их состав включают
последовательно соединенные как минимум два мощных тиристора, которые в
соответствии с алгоритмом управления встроенного контроллера можно объеди
нять для организации схемы встречно параллельного включения.
Кремниевые диоды Шоттки используются как индивидуально, так и в соста
ве силовых сборок на напряжение от 35 до 50 В, причем в составе такого силового
модуля обычно используются как минимум два диода Шоттки, которые также
могут быть использованы в различных комбинациях их соединений.
Наиболее широко в энергосберегающей аппаратуре используются стандартные
выпрямительные кремниевые силовые диоды и силовые модули на их основе.
Применяя эти модули в сетевых выпрямителях для сверхмощных блоков пи
тания, можно существенно снизить потери мощности в самом выпрямительном
узле, а также повысить КПД всего блока питания.
В свою очередь, все интегральные микросхемы (ИМС) для силовой электро
ники в зависимости от их назначения и особенностей применения можно разде
лить на пять основных групп:
– ИМС для источников питания (наиболее значимая по составу номенклату
ры серия ИМС);
– ИМС для управления различными электродвигателями (коллекторными,
шаговыми, вентильными);
– силовые ИМС для автомобильной электроники (их также используют в
электронных системах управления сельскохозяйственной техникой – в трак
торах, зерно и кормоуборочных комбайнах, грузовых и карьерных автомо
билях, автопогрузчиках, мотоциклах и пр.);
– ИМС для управления осветительным оборудованием (бытовыми и промыш
ленными лампами дневного света, мощными промышленными светильни
ками, светильниками для освещения улиц и т.п.);
– ИМС управления мощными силовыми дискретными полупроводниковы
ми приборами (MOSFET, IGBT и модули на их основе).
ГЛАВА 2
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
2.1. Силовые полупроводниковые диоды
Классический диод представляет собой нелинейный элемент с двумя выводами,
сформированными между p и n областями р n перехода (рис. 2.1).
Как известно, p n переход формируется в полупроводниковом кристалле пу
тем создания двух легированных областей с проводимостью p типа и проводимо
стью n типа. Из за огромных перепадов концентраций вблизи перехода в такой
структуре возникают токи диффузии. Электроны будут диффундировать в мате
риал р типа, оставляя за собой захваченные положительные ионы, а дырки будут
диффундировать в материал n типа, оставляя за собой захваченные отрицатель
ные ионы. Эти захваченные ионы порождают электрическое поле вблизи перехо
да, которое, в свою очередь, вызовет ток дрейфа дырок и электронов в направле
нии, обратном току диффузии. Участок вблизи перехода, в котором существует
электрическое поле, называется обедненной областью, или областью простран
ственного заряда (ОПЗ). При нулевом внешнем напряжении на диоде в области
p n перехода существует потенциальный барьер, благодаря чему токи диффузии
(электронов из n области и дырок из p области) и дрейфа (наоборот) уравнове
шивают друг друга. Если же к выводам диода приложить внешнее напряжение, то
равновесие будет нарушено.
Дисбаланс, возникающий между током диффузии и током дрейфа, вызовет дви
жение заряда через переход. Если приложенное напряжение будет снижать разность
потенциалов в области перехода, то ток дрейфа уменьшится и будет преобладать
диффузия дырок и электронов через переход (инжекция). В этом случае говорят,
что диод имеет прямое смещение. Если же приложенное напряжение увеличивает
разность потенциалов на переходе, то будет присутствовать лишь небольшой ток
утечки, обязанный своим появлением рождению электронно дырочных пар в ок
рестности перехода вследствие термогенерации. Диод при этом находится в состо
янии обратного смещения. Ширина области пространственного заряда при пря
мом смещении диода уменьшается, а при обратном – увеличивается. Обобщенная
вольт амперная характеристика диода представлена на рис. 2.2.
Плотность тока через диод определяется выражением:
J = Js ⋅ (eqUa/kT), (2.1)
где q – заряд электрона (1,6 ⋅ 10 –19 К); Js – плотность обратного тока насыщения; Ua –
напряжение, приложенное к диоду; k – постоянная Больцмана (1,38 10 –23 Дж/К); T –
абсолютная температура (K).
2.1. Силовые полупроводниковые диоды 21
Силовые диоды работают при высоких напряжениях и больших токах. Их ха
рактерные обратные напряжения – до нескольких киловольт, а прямые токи – до
нескольких килоампер.
Величина напряженности электрического поля в области перехода у диода с
обратным смещением определяется приложенным напряжением обратного сме
щения и концентрациями примеси в участках p и n типа. Известно два механиз
ма, которые обуславливают появления напряжения пробоя и называются соот
ветственно зенеровский пробой и лавинный пробой.
Зенеровский пробой может произойти в том случае, когда обе стороны перехо
да сильно легированы и существует напряжение обратного смещения. На рис. 2.3
представлена зонная диаграмма p n перехода для случая зенеровского пробоя.
Из рисунка видно, что под влиянием напряжения обратного смещения зна
чительная часть заполненных вакансий в валентной зоне материала p типа ока
зывается на одном уровне со свободными вакансиями в зоне проводимости n
слоя. Если энергетический барьер, разделяющий эти свободные и заполненные
состояния, достаточно узок, то электроны благодаря туннельному эффекту могут
переходить из валентной зоны p слоя в зону проводимости n слоя. Этот кванто
во механический процесс туннельного перехода и создает обратный ток через p
n переход. Ширина обедненного слоя убывает с возрастанием концентрации при
меси донора и акцептора и увеличивается с ростом обратного смещения. Весь этот
процесс называется эффектом Зенера, или зенеровским пробоем. В литературе этот
процесс также называют туннельным пробоем.
Рис. 2.1. Режимы включения p n перехода: прямое смещение (а); обратное сме
щение (б)
Рис. 2.2. Вольт амперная характеристика диода
а) б)
p n p n
Id
Uк
Uк = 0,3 В
для германиевого диода
и 0,65–0,7 В для кремниевого
Ud
Напряжение лавинного пробоя
Uпр
22 Глава 2. Полупроводниковые приборы силовой электроники
Однако у большинства приборов один из слоев p n перехода легирован слабо,
поэтому напряжение зенеровского пробоя не наступает. При этих условиях основ
ным механизмом, вызывающим пробой, может стать так называемый лавинный про#
бой. Причиной лавинного пробоя являются столкновения между носителями заря
да и валентными электронами в обедненном слое при обратном смещении. По мере
увеличения напряжения обратного смещения все больше электронов и (или) ды
рок получают кинетическую энергию, достаточную для рождения электронно ды
рочной пары при столкновении с валентным электроном. Эти вновь рожденные
электроны и дырки в свою очередь ускоряются в электрическом поле и набирают
достаточную кинетическую энергию достаточную для рождения электронно ды
рочной пары при столкновении с валентными электронами и т.д.
Приборы с туннельным пробоем обычно имеют более низкие пробивные на
пряжения, чем приборы с лавинным пробоем. В кремнии чистый туннельный
пробой обычно имеет место для диодов с Uпр меньше 5 В и концентрации приме
си Nп более 1018 см–3. При более высоких напряжениях чаще всего преобладает
лавинный механизм пробоя. Согласно исследований, проведенных Миллером [4],
напряжение лавинного пробоя p n перехода, если концентрация примеси не пре
восходит 2 · 10 17 атом/см3, определяется следующим выражением:
Uпр = (2,3 · 1012) · (Nп)–0,66. (2.2)
При большей концентрации примеси зависимость отклоняется от прямой
благодаря процессу насыщения. То есть напряженность поля возрастает до вели
чин, превосходящих необходимую для разрыва ковалентных связей. Дальнейшее
увеличение Nп не приводит к уменьшению Uпр.
Промышленные диоды со строго заданными пробивными напряжениями на
зывают стабилитронами, независимо от действующего в них механизма пробоя.
Выпрямительные диоды, в которых используются для работы как прямая, так и
обратная ветвь характеристики, называют диодами Зенера.
Следующий тип силовых полупроводниковых приборов образуют диоды Шот#
тки, принцип работы которых основан на выпрямляющем контакте металл – по
лупроводник, который получается в двух случаях:
– для полупроводника n типа – если работа выхода полупроводника мень
ше, чем металла;
Рис. 2.3. Зонная диаграмма p n перехода с зенеровским (туннельным) пробоем
Eп
Eф
Eв
p n
Туннелирование
электронов
2.1. Силовые полупроводниковые диоды 23
– для полупроводника p типа – если работа выхода полупроводника больше,
чем металла.
Поэтому диоды, в которых используется выпрямляющий переход металл –
полупроводник, называются диодами Шоттки. В таких диодах более предпочти
тельным является использование n типа полупроводника из за более высокой
подвижности электронов (μn) по сравнению с подвижностью дырок. Диоды Шот
тки по сравнению с биполярными диодами имеют два основных преимущества:
– прямое падение напряжения в них при той же плотности тока на несколько
десятых вольта меньше:
– поскольку ток в диоде Шоттки проходит только благодаря механизму дрей
фа, отсутствует необходимость накапливать и устранять избыточные не ос
новные носители заряда. Диоды Шоттки являются наиболее быстродейству
ющими.
Однако по сравнению с биполярными диодами недостатком диодов Шоттки
является их больший обратный ток.
Большинство современных диодов Шоттки изготавливаются по планарной
технологии с эпитаксиальным n слоем, на поверхности которого создают ок
сидную маску, в которой вскрываются окна для формирования барьера. В каче
стве последнего используются различные металлы (Mo, Ni, Pt, Cr, Ti и др.), а
также их сплавы и силициды. По периметру контактной области создается коль
цо кремния р типа (рис. 2.4а), которое служит для уменьшения краевых токов
утечки.
Предлагаемая вниманию читателя книга ориентирована на широкий круг чита
телей – ученых, инженерно технических работников, студентов профессиональ
но технических училищ, колледжей и высших учебно технических заведений,
инженеров разработчиков радиоэлектронной аппаратуры, разработчиков диск
ретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, а также инже
неров и технических специалистов по ремонту и эксплуатации в таких разных по
профилю профессиональной деятельности сферах, как промышленная и быто
вая радиоэлектронная аппаратура, автомобильная электроника, электротехника,
осветительная техника, электрические машины и различные устройства преобра
зования электрической энергии.
Столь широкий круг потенциальных читателей книги обусловлен уникальнос
тью предмета исследований книги – силовой электроникой. Это достаточно новое
и стремительно развивающееся направление научно технического прогресса сегод
ня даже не имеет четко установившейся общепринятой терминологии. Если лю
бознательный читатель обратится к Интернету и с помощью всезнающей Википе
дии попробует узнать, а что же это за такое направление, он будет разочарован.
Обычно вся суть нового явления (направление, вид деятельности) в этой общеприз
нанной универсальной энциклопедии описывается в так называемых «основных
статьях» по каждому из направлений, которые в терминологии Википедии называ
ются «категориями» и «подкатегориями». Так вот – по категории «силовая электро
ника» такая «основная статья» еще не написана, хотя всего в двух там присутствую
щих «подкатегориях» («системы управления электродвигателями» и «источники
питания») уже имеются более тридцати страниц, посвященных терминологии пред
метов исследований этой области науки и техники – (электронный привод, тирис
торы, выпрямители, преобразователи энергии, IGBT, MOSFET, тиристорные регу
ляторы мощности, силовые модули, бортовые электронные системы управления
двигателями и т.п.).
С другой стороны, в многочисленной зарубежной и даже в не столь многочис
ленной отечественной литературе существует множество различных публикаций
(статьи, монографии, справочники, описания патентов, руководства по примене
нию и т.д.), рассматривающих некоторые частные аспекты проблемы силовой по
лупроводниковой электроники – теоретические исследования, методы расчета и
проектирования конкретных силовых машин и устройств, методы расчета проек
тирования дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем,
предназначенных для использования в различных устройствах, связанных с преоб
разованием энергии, и др.
Наиболее полно проблематика научно технического направления «силовая
электроника» рассмотрена в фундаментальной работе «Semiconductor Technical
information, technologies and characteristics date», опубликованной «Pablisic
Corporate Publishing» в Германии в 2000 г. Это издание было подготовлено штаб
квартирой одного из мировых лидеров в области полупроводниковой технологии
и ее применений – фирмы Infinion Technologies AG и представляет собой факти
чески универсальное справочное пособие для ученых и инженеров, специализи
Предисловие 7
рующихся в области проектирования и применения современных полупроводни
ковых изделий, состоящее из отдельных глав по конкретным направлениям, под
готовленных большим авторским коллективом ученых и специалистов с миро
вым именем под редакцией председателя правления этой крупнейшей междуна
родной корпорации профессора Ульриха Шумахера. Несомненным достоинством
этой книги является то, что авторы в пределах одной монографии сумели талант
ливо изложить в ней все современные тенденции, веяния и достижения в области
полупроводниковых технологий.
При ее написании авторы исходили из двух сформулированных ими основ
ных постулатов. Во первых, будущим инженерам электронщикам и электротех
никам, а также преподавателям и пользователям всегда нужно иметь под рукой
сборник справочных материалов по современной микроэлектронике. Во вторых,
чтобы стать популярным среди специалистов, это издание должно выполнять фун
кции и классического учебника, и надежного краткого справочника, и просто
увлекательной книги.
Надо отметить, что создатели этой уникальной коллективной монографии
действительно достигли этой цели – в 2004 г. вышло уже третье актуализирован
ное издание, а в 2012 г. в Германии было издано уже очередное – седьмое дорабо
танное издание этой книги, которое пользуется огромной популярностью у ши
рокого круга читателей.
Из 16 ти глав этой фундаментальной работы только четыре главы в той или
иной степени рассматривают проблемы современной силовой электроники и ее
элементной базы.
К сожалению, на русский язык эта монография до сих пор не переведена, хотя
сегодня различные ее русскоязычные версии можно легко найти в Интернете.
К мелким недостаткам этой книги можно отнести только тот факт, что прак
тические вопросы применения микроэлектронных изделий силовой электрони
ки в составе конкретных систем и законченных приборов, важные для основного
контингента читателей, рассмотрены здесь на ограниченном количестве приме
ров (только для демонстрации принципа использования) и только на зарубежных
микросхемах и полупроводниковых приборах (ППП). А, как известно, многочис
ленные отечественные разработчики надежной аппаратуры, особенно специаль
ного и двойного назначения, могут использовать достаточно широкий ряд отечест
венных микросхем, разработанных и производимых в России и Беларуси, что
может позволить им избежать неприятных проблем с надежностью и качеством
заполнивших мировой рынок китайских дешевых клонов микросхем известных
американских и европейских фирм производителей элементной базы силовой
электроники.
Удивительно, но одним из наиболее удачных примеров переводной литературы
является книга индийского профессора С. Рама Редди «Fundamentals of Power
Electronics», изданная более 13 ти лет назад в Дели (Индия) по результатам препо
давания им соответствующего предмета в университетах и технических колледжах
Индии. Как мы знаем, полупроводниковая промышленность Индии в тот момент
практически отсутствовала, да и в настоящий момент ее уровень весьма далек от
уровня индустриально развитых стран мира. В переводе на русский язык под назва
8 Предисловие
нием «Основы силовой электроники» эта книга была в 2005 г. опубликована изда
тельством «Техносфера» и, в связи с актуальностью тематики, неоднократно пере
издавалась (следует отметить, что в Индии после 2005 г. она больше не издавалась).
При сравнительно небольшом объеме книги (280 стр.) автору удалось в достаточно
популярной форме изложить физические принципы работы основных известных
на тот момент времени приборов силовой электроники (транзисторов, тиристоров,
переключающих схем, выпрямителей, инверторов, частотных преобразователей) и
привести известные, самые простейшие электрические схемы их возможных при
менений в электротехнических устройствах.
Конечно, на момент написания этой «простой» и достаточно популярной кни
ги просто не существовало еще такой элементной базы, которая бы позволяла ис
пользовать рассматриваемые полупроводниковые приборы в автомобильных элек
тронных устройствах управления, в осветительной технике, в устройствах управле
ния систем преобразования энергии и других сферах применения, которые сегодня
стремительно развиваются. Конечно, там не представлены и микросхемы силовой
электроники по той причине, что тогда их просто не было.
Авторы представляемой читателю новой книги поставили перед собой доста
точно амбициозную задачу – попытаться обобщить многочисленную литературу
по этой проблеме (как зарубежную, так и отечественную) и в рамках ограниченно
го объема этой одной книги рассмотреть как основные физические механизмы и
принципы работы собственно элементной базы полупроводниковой силовой элек
троники (дискретных полупроводниковых приборов и специализированных мик
росхем), так и дать конкретные детализированные примеры и рекомендации по их
практическому применению в составе различных систем и устройств силовой элек
троники, причем в качестве примеров используемых ППП и ИМС рассматривать в
первую очередь микросхемы отечественного производства (хотя в подавляющем
большинстве все они имеют зарубежный функциональный аналог, за исключением
отдельных случаев). Прежде всего, к таким устройствам относятся системы управ
ления двигателями (вентильными и коллекторными электродвигателями, карбю
раторными и дизельными двигателями автомобилей), устройства управления ис
точниками света, импульсными источниками питания и др.
Эта идея возникла в ходе многолетней плодотворной работы авторов над кни
гой «Основы схемотехники микроэлектронных устройств», которая была задума
на как дальнейшее развитие идей и подходов, изложенных в вышедшей в про
шлом веке монографии «Искусство схемотехники» – классического учебника по
цифровой и аналоговой схемотехнике, (по которой учились и авторы настоящей
книги), написанной выдающимися американскими учеными практиками Paul
Horowitz и Winfield Hill, которая за свою необычайную для такого рода изданий
популярность среди студентов и инженеров по электронике в 90 х годах прошло
го века получила вполне заслуженное неофициальное звание «библия электро
ники» и до сих пор не сходит с прилавков книжных магазинов. Книга «Основы
схемотехники микроэлектронных устройств» была опубликована в 2012 г. в изда
тельстве «Техносфера», и многочисленные отзывы читателей, приходящие до сих
пор на адреса электронной почты авторов, подтверждают правильность выбран
ной ими концепции изложения сложного материала.
Один из основополагающих принципов этой концепции, использованных авто
рами и при написании представленной читателям книги, – представление как доста
точного объема необходимой справочной информации собственно по принципам
работы и составу элементной базы силовой электроники, так и, в отличие от клас
сических учебников с изобилием математических выкладок и физических формул,
попытаться простым языком, на большом количестве практических примеров, из
ложить основные аспекты как проектирования и изготовления самих элементов
силовой электроники (физические принципы работы, схемотехнические решения,
технологии изготовления, корпусные особенности), так и важнейшие аспекты эта
пов расчета и конструирования основных типов энергосберегающих приборов и уст
ройств на уровне, доступном для понимания даже слабоподготовленным читателем.
Насколько авторам удалось в рамках данной книги реализовать эту концеп
цию – судить читателям.
В основу книги, кроме обобщенных результатов анализа отечественных и за
рубежных литературных источников, результатов собственных исследований,
опубликованных ранее в монографиях, патентах и статьях, результатов своей прак
тической деятельности в области проектирования и применения силовых прибо
ров и микросхем, положены материалы лекционных курсов «Схемотехника и тех
нология базовых элементов силовой электроники» и других, много лет читаемых
авторами в вузах и академических институтах для студентов, аспирантов, магист
рантов и преподавателей по следующим специальностям: 1 41 01 01 «Технология
материалов и компонентов электронной техники», 5515002 «Приборостроение»;
5507002 «Электроника и микроэлектроника»; 551102 «Проектирование и техно
логия электронных средств»; 5528002 «Информатика и вычислительная техника»;
2000003 «Электронная техника, радиотехника и связь» и др.
В частности, использованы материалы лекционных курсов и практических
занятий, проведенных авторами в период с 2000 по 2012 г. в Белорусском нацио
нальном техническом университете, Белорусском государственном университете
информатики и радиоэлектроники, использованы также материалы лекций и се
минаров для иностранных студентов, магистрантов и инженеров разработчиков,
проведенных авторами в Китае (Северо восточный институт микроэлектрони
ки), Индии (Институт космических исследований, BHARAT ELECTRONIC, Ис
следовательский центр Имарат), Вьетнама (Ханойский технический универси
тет), Болгарии. Польше и других странах.
При работе над материалами гл. 6 существенную помощь авторам оказали
профессор, д.т.н. Нелаев В.В. и к.т.н. Стемпицкий В.Р., техническое оформление
рукописи выполнено Гордиенко С.В.
Авторы благодарят заведующего кафедрой нано и микроэлектроники Белорус
ского государственного университета информатики и радиоэлектроники, д.ф м.н.,
профессора Борисенко В.Е. и проректора Белорусского национального техническо
го университета, д.т.н., профессора Гусева О.К. за конструктивную критику и полез
ные предложения по уточнению содержания и структуры построения материала, сде
ланные в процессе рецензирования данной работы.
Введение
Структура изложения материалов в данной книге направлена на реализацию сфор
мулированной в предисловии концепции изложения сложного материала в макси
мально упрощенном (но не в ущерб качеству) виде, а именно: представление чита
телю достаточного, но минимального объема информации о принципах работы,
составе и основных технических характеристиках базовых элементов силовой элек
троники, а также на практических примерах изложить основные аспекты как про
ектирования и изготовления самих элементов силовой электроники (физические
принципы, схемотехнические решения), так и важнейшие аспекты этапов расчета
и конструирования основных типов энергосберегающих приборов и устройств (для
автоэлектроники, осветительной техники, управления электродвигателями и ис
точниками питания и др.).
Для достижения этой цели материал книги разбит на 6 глав.
В первой, вводной главе, состоящей всего лишь из двух разделов, в очень сжа
том виде представлены основные предпосылки возникновения и развития сило
вой электроники, в первую очередь обусловленные необходимостью снижения
энергопотребления и повышения эффективности использования различных ви
дов энергии. Здесь же представлена классификация элементной базы силовой
электроники, необходимая для систематизации изложения и более полного по
нимания читателем содержания последующих глав.
Вторая глава в целом носит обзорный характер, здесь в достаточно сжатом
виде, с минимальным использованием математических выкладок и формул рас
смотрены принципы работы и типовые конструкции основных, наиболее широко
используемых, полупроводниковых приборов силовой электроники. Прежде все
го, это силовые полупроводниковые диоды и стабилитроны. Исследованы особен
ности возникновения и развития лавинного и туннельного (зенеровского) пробоев
p n переходов, в том числе с привлечением минимального количества формул рас
смотрены физические механизмы работы диодов Зенера и диодов Шоттки.
В рамках отдельного параграфа рассмотрены структуры, конструкции и фи
зические механизмы работы основных типов силовых транзисторов (биполярных
средней и высокой мощности, каскадов Дарлингтона, полевых транзисторов сред
ней и большой мощности (MOSFET), биполярных транзисторов с изолирован
ным затвором (IGBT) и др.
В конце этой главы рассмотрены принципы работы и особенности практи
ческого применения многослойных полупроводниковых структур (тиристоры,
динисторы, симисторы) в составе различных устройств силовой электроники.
Третья глава является основной по насыщенности информационным мате
риалом и посвящена анализу работы и особенностям применения интегральных
микросхем силовой электроники. Так, здесь детально рассмотрены типовые струк
туры микросхем для источников питания и приведены типовые, апробирован
ные на практике, детализированные электрические схемы их использования в со
ставе различных источников питания радиоэлектронной и промышленной аппа
ратуры, приведены эквивалентные электрические схемы и приведены важные для
практического применения особенности интегральных выпрямителей напряже
ния, наиболее широко используемых в известных устройствах преобразования
энергии.
Для наиболее популярных микросхем стабилизаторов напряжения приведен
анализ схемотехнических решений важнейших составных узлов и блоков (источ
ники опорного напряжения на биполярных и полевых транзисторах), важнейшие
особенности схемотехнической реализации мощных выходных каскадов различ
ных микросхем стабилизаторов напряжения, а также схем защиты кристаллов от
несанкционированного воздействия повышенного входного напряжения, от пре
вышения допустимой температуры кристалла, от ситуации короткого замыкания
в нагрузке и др.
Здесь же рассмотрены основные средства и методы подгонки численных зна
чений параметров этих микросхем, используемые в процессе их промышленного
изготовления (электрическая и лазерная подгонка, подгонка путем пережигания).
В отдельный параграф этой главы также выделено рассмотрение типовых
структурных схем и принципов работы микросхем, предназначенных для работы
в составе сравнительно нового и стремительно развивающегося класса энерго
сберегающих источников – импульсных источников питания.
Поскольку при построении таких импульсных источников широко использу
ются новые алгоритмы и методы обработки («модуляции») обрабатываемых сиг
налов, детально анализируются структура и принципы работы так называемых
микросхем ШИМ контроллеров (приборов с использованием так называемого
«метода широтно импульсной модуляции»), в том числе – ШИМ контроллеров
с дополнительной обратной связью по току.
Также для нового класса микросхем стабилизаторов – импульсных стабили
заторов напряжения (иначе часто называемых DC DC преобразователями) рас
смотрены типовые схемотехнические решения повышающих, понижающих и
инвертирующих импульсных стабилизаторов с анализом их как преимуществ, так
и недостатков по сравнению с до сих пор широко используемыми линейными
стабилизаторами напряжения.
Здесь же детально рассмотрены принцип работы и основные схемотехничес
кие решения специализированных микросхем – корректоров фактора мощности
(коэффициента мощности). Приведена номенклатура наиболее широко исполь
зуемых таких отечественных ИМС управления импульсными источниками пита
ния и стабилизаторами.
Для более глубокого понимания принципов работы серии микросхем управ
ления электродвигателями в четвертой главе приведены и описаны простейшие
конструкции и структуры различных электродвигателей, в том числе шаговых,
вентильных (постоянного и переменного тока), а также электродвигателей пере
менного тока.
Рассмотрены типовые ИМС, предназначенные для управления этими конк
ретными типами двигателей и приведены конкретные примеры конструирова
ния законченных электронных систем и блоков управления этими двигателями с
практическими рекомендациями по выбору необходимых внешних навесных эле
ментов, позволяющих адаптировать их работу применительно к конкретным ус
ловиям эксплуатации.
В специальном разделе, посвященном изучению ИМС для управления ос
ветительным оборудованием, предварительно представлена информация об ис
тории возникновения наиболее широко используемых видов источников све
та, приведены их основные технические характеристики, а затем для каждого
вида этих источников приведены описания соответствующих конкретных мик
росхем и детализированных электрических схем их включения (для ламп нака
ливания, газоразрядных и светодиодных источников света и светильников на
их основе).
В начале раздела, посвященного изучению силовых микросхем для автомо
бильной электроники, наиболее интересного для читателей автолюбителей, при
ведены характеристики и классификации основного электрооборудования и элек
тронных систем управления автомобилем (двигателем, освещением салона, стек
лоподъемниками, «дворниками», омывателями лобового стекла, тормозами, по
воротными сигналами и т.д.).
Наиболее детально на конкретных примерах рассмотрены структуры, элект
рические схемы и особенности работы применяемых в этих системах специали
зированных микросхем и полупроводниковых приборов для бортовых сетей элек
тропитания и систем управления двигателями внутреннего сгорания.
Завершает третью главу раздел, посвященный анализу структур и принципов
работы драйверов управления MOSFET и IGBT (управление от КМОП логики,
при помощи эмиттерных повторителей, с разделением цепей заряда и разряда
входной емкости, управление полумостом – стойкой MOSFET и IGBT и др.).
Если предыдущие главы ориентированы на широкий круг читателей с раз
личным уровнем подготовки, то последующие главы книги в первую очередь ори
ентированы на студентов и специалистов в области проектирования и организа
ции производства полупроводниковых изделий.
В четвертой главе в сжатом, конспективном виде рассмотрены основы совре
менных технологий изготовления всех вышерассмотренных классов полупровод
никовых приборов и микросхем силовой электроники (биполярной, КМОП, ком
бинированной БиКМОП, высоковольтной ДМОП, КДМОП, БиКДМОП).
Приведены весьма детализированные эскизы типовых конечных полупровод
никовых структур элементной базы силовой электроники для каждого из выше
перечисленных типов технологий с указанием конкретных элементов активной
структуры (вертикальных и горизонтальных n p n и p n p транзисторов, резисто
ров, встроенных в кристалл диодов и емкостей), изолирующих и защитных обла
стей полупроводника и диэлектрика.
Очень кратко описаны основные технологические маршруты изготовления
каждой из рассматриваемых структур (биполярных, КМОП, БиКМОП и т.д.),
последовательности выполняемых стандартных технологических операций (окис
ление, диффузия примеси, фотолитография, ионное легирование и т.д.) без де
тализации технологических режимов их реализации (доз легирования, темпера
тур и т.д.).
Приводятся достоинства и недостатки микросхем силовой электроники, реа
лизованных по различным рассмотренным выше технологиям изготовления, зна
ние которых всегда важно разработчику силового устройства для правильного
выбора микросхемы, предназначенной для будущей работы в конкретных, задан
ных разработчику прибора условиях эксплуатации.
Пятая глава посвящена рассмотрению наиболее часто встречающихся на прак
тике задач статистического анализа и оптимизации основных технических пара
метров микросхем силовой электроники в сквозной цепи «проектирование микро
схемы – изготовление – проектирование прибора». В основу алгоритмов решения
этих задач положены теоретические исследования одного из основоположников –
профессора кафедры нано и микроэлектроники Белорусского государственного
университета информатики и микроэлектроники, д.т.н. Нелаева В.В. и его талант
ливого ученика к.т.н. Стемпицкого В.Р.
Рассмотрены основные задачи статистического анализа и оптимизации пара
метров микросхем в условиях их серийного производства. Описан рекоменду
емый структурный иерархический подход к задаче статистического анализа си
ловых микросхем, включающий как использование понятий «подуровни» статис
тического моделирования прибора, так и расширенное моделирование на уровне
проектируемой системы.
Шестая глава посвящена одной из основных общих проблем элементной базы
силовой электроники – проблеме отвода тепла и способам уменьшения величи
ны теплового сопротивления силовых дискретных полупроводниковых приборов.
Здесь поясняется физическая сущность важнейшего для монтажа параметра –
теплового сопротивления корпуса прибора, приводятся основные математиче
ские выражения и формулы для его расчета, методики экспериментальных изме
рений фактических численных значений для наиболее часто встречающихся на
практике случаев и анализируются достоинства и недостатки известных спосо
бов уменьшения его величины.
Здесь же рассмотрены основные типы корпусов, используемых для сборки мощ
ных полупроводниковых приборов и микросхем силовой электроники. Рассмотре
ны основные пути миниатюризации этих корпусов и особенности используемых
инженерами практиками технических решений по отводу тепла от кристаллов как
для «малых» корпусов, так и для корпусов, предназначенных для случая поверхно
стного монтажа на платы. Учитывая практическую важность вопроса, в рамках от
дельного параграфа приведены особенности известных методов измерений тепло
вых сопротивлений корпусов и представлены экспериментальные численные их
значения для типовых случаев.
ГЛАВА 1
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
1.1. Проблемы преобразования
электрической энергии
Вследствие стремительного прогресса в развитии технологии производства полу
проводниковых интегральных схем и дискретных приборов, в частности – пере
хода к субмикронным и наноразмерным технологиям и появления высоковольт
ных технологий изготовления мощных силовых приборов, возникают новые за
дачи в области проектирования и применения микроэлектронных устройств, ре
ализованных на основе этих технологий. Появившиеся в результате этого прогресса
сложнофункциональные универсальные и специализированные микропроцес
соры и микроконтроллеры нашли широкое применение в компьютерных, теле
коммуникационных, навигационных, информационных технологиях. Громад
ные интеллектуальные ресурсы ученых, разработчиков и производственников
были направлены на развитие в первую очередь именно этих сфер применения.
В то же время человечество подошло вплотную к новой проблеме, также требу
ющей концентрации усилий ученых и практиков на разрешении диалектического
противоречия, обусловленного, с одной стороны, постоянно увеличивающимся
потреблением энергии во всех сферах жизнедеятельности человека, а с другой –
очевидной ограниченностью энергетических ресурсов нашей родной планеты.
Во всем мире наблюдается проблема дефицита природных ресурсов, исполь
зуемых для получения и преобразования электрической энергии. Очевидные при
знаки грядущего энергетического кризиса в той или иной степени затрагивают
все индустриально развитые страны. Одним из главных путей решения этой про
блемы является развитие энергосберегающих технологий и создания энергосбе
регающих изделий на их основе.
При этом на передний план выходит задача существенного снижения потерь
электрической энергии в технологической цепи «производство – преобразование –
использование» электрической энергии [1]. И здесь одну из важнейших задач при
звана решить силовая электроника. Силовая электроника как самостоятельное на
правление научно технического прогресса в настоящее время ориентирована на
решение сложных задач эффективного управления, регулирования процессами
преобразования электрической энергии в самых разных областях науки и техники.
В табл. 1.1 в обобщенном виде представлены источники поступления энер
гии, виды используемой энергии и типы промышленных предприятий (электро
станций), которые осуществляют преобразование соответствующего вида энер
гии в электрическую энергию и ее передачу потребителям.
Время исчерпания ресурсов вычислено в предположении, что в течение буду
щих десятилетий разведанные ресурсы вырастут в 5 раз по сравнению с данными,
приведенными в таблице.
В табл. 1.2 [2] представлены прогнозные данные, характеризующие запасы
основных ресурсов (уголь, нефть, природный газ, урановая руда), средний годо
вой процент увеличения их потребления в масштабах всей планеты и прогнози
руемое время их исчерпания.
Прежде чем переходить к изложению последующего материала, следует отме
тить, что как само название направления («силовая электроника»), так и терми
нология в этой области еще находятся в стадии формирования. Достаточно на
помнить, что даже в широко используемой в Интернете Википедии по категории
«силовая электроника» нет общепринятой «основной статьи», хотя в то же время
там содержатся только две «подкатегории»: «источники питания» и «системы уп
равления электродвигателями», в которых имеются ссылки на более трех десят
ков страниц, где содержатся характеристики таких терминов, как «электриче
ский привод», «тиристор», «выпрямитель», «тиристорный регулятор мощности»,
IGBT и другие термины.
Силовая электроника как научно техническое направление сформировалась для
эффективного регулирования преобразованием электрической энергии. В общем
виде (табл. 1.3) все известные системы преобразования электрической энергии
можно представить в виде структуры, содержащей следующие блоки: блок реали
зации алгоритмов управления, блок сопряжения, выходной блок преобразования
и управления исполнительным устройством. Микросхемы и дискретные прибо
ры, выполняющие функции этих блоков систем преобразования электрической
энергии, относятся к элементной базе силовой электроники, описанию структур
и особенностей применения которых в реальных приборах и системах посвяще
ны последующие главы этой книги.
Более двух третей всей вырабатываемой в мире электроэнергии потребляется
в преобразованном виде.
Согласно данным американской фирмы International Rectifier, одного из круп
нейших изготовителей элементов силовой электроники, больше всего электри
ческой энергии в мире потребляют электродвигатели (55%), на втором месте –
осветительные приборы (21%). Мощные источники питания для всех типов элек
тронного оборудования (средств связи, компьютерного оборудования и других
потребителей) потребляют всего 6% электрической энергии, а на остальных по
требителей приходится оставшиеся лишь 18%.
Используя процесс преобразования электроэнергии, позволяющий перейти
от устаревших ламп накаливания к электронным флуоресцентным лампам, мож
но вдвое снизить потребление энергии. Флуоресцентные лампы потребляют на
75% энергии меньше, чем лампы накаливания, при одном и том же уровне осве
щенности. По другим источникам информации, замена традиционных ламп на
каливания «сверхяркими» светодиодами с питанием от специальных драйверов –
преобразователей электроэнергии позволит сберечь около 20% всей потребляе
мой мировой электроэнергии.
Около 40% потребляемой энергии можно сэкономить за счет замены «старых»
нерегулируемых двигателей на электрический привод с электронным регулиро
ванием.
В большинстве находящихся в эксплуатации типовых холодильников в на
стоящее время для управления работой основного энергопотребляющего агрега
та – компрессора используется нерегулируемый электродвигатель. В настоящее
время ведущие производители холодильников уже поставляют на мировой рынок
компрессоры с изменяющейся скоростью работы электродвигателя компрессора.
Для типовых бытовых холодильников с объемом 20 куб. футов (566 куб. дм) это
означает снижение домашнего потребления энергии более чем на 70%.
Полупроводниковые устройства преобразования энергии позволяют также
существенно уменьшить объемы и габаритные размеры радиоэлектронных быто
вых и промышленных приборов, снизить требования к их охлаждению, исклю
чить от 5 до 10% потерь энергии в мощных источниках питания для компьютеров,
серверов, сетей и телекоммуникационного оборудования.
Таким образом, развитие силовой электроники является одним из несомнен
ных достижений научно технического прогресса, что заставляет разработчиков
различных радиоэлектронных устройств активно изучать и использовать элемен
тную базу силовой электроники в своих изделиях.
В этой связи следует отметить, что требования, предъявляемые, например, к со
временной радиоэлектронной аппаратуре, которыми руководствовались разработ
чики 90 х годов прошлого века, подверглись весьма существенному пересмотру и
изменениям. Теперь особое внимание уделяется не только их функциональным воз
можностям и характеристикам, но и массогабаритным показателям и оптимизации
расхода электроэнергии, что крайне существенно при работе от аккумуляторов. Под
верглись существенному пересмотру и подходы к проектированию систем питания
для аппаратуры радиоэлектронных комплексов нового поколения как гражданско
го, так и военного (наземного, морского, авиационного и космического) примене
ний, как неперемещаемой (стационарной), так и подвижной (мобильной).
Чтобы читатель мог лучше ориентироваться при изучении материала после
дующих глав, прежде всего, необходимо рассмотреть сложившуюся общеприня
тую классификацию элементной базы силовой электроники.
1.2. Классификация элементной базы
силовой электроники
В общем случае все многообразие микроэлектронных устройств силовой элект
роники можно разделить на две группы – дискретные полупроводниковые при
боры и интегральные микросхемы (ИМС) для силовой электроники (рис. 1.1).
В свою очередь, силовые дискретные полупроводниковые приборы подразде
ляются на силовые диоды (диоды Шоттки, диоды Зенера, стабилитроны), силовые
дискретные транзисторы (биполярные, Дарлингтона, MOSFET, IGBT, интеллекту
альные MOSFET), многопереходные структуры (тиристоры, динисторы, симисто
ры) и мощные силовые модули на основе IGBT и тиристорно диодных сборок.
Детальному рассмотрению каждого из этих типов силовых элементов посвя
щены гл. 3–5, а в этом разделе отметим основные их отличительные признаки.
Так, дискретные полевые транзисторы с изолированным затвором типа
MOSFET и их интегрированные сборки предназначены в основном для исполь
зования в корректорах коэффициента мощности (PEC), в полумостовых или мо
стовых структурах высокочастотных (ВЧ) инверторов и преобразователей энер
гии. Их отличительной характеристикой является возможность реализации на
основе MOSFET законченных систем и источников питания большой и сверх
большой мощности, которые могут работать на частотах преобразования 100–300 кГц
и более с удельной мощностью до 700–1000 Вт/дм3.
Силовые модули, в свою очередь, подразделяются на универсальные и специ
ализированные. Среди универсальных модулей следует выделить интегрирован
ные силовые модули (ИСМ или IPM) на основе IGBT, которые широко использу
ются в системах управления электроприводом в одно или трехфазных электро
сетях. Они могут включать в себя: выпрямительные мосты по соответствующей
схеме, содержащие от двух до семи модулей IGBT, прерыватели (чопперы) на IGBT
и мощные пусковые терморезисторы.
На таких универсальных силовых модулях создаются различные модификации
систем управления: однофазный выпрямитель /чоппер/инвертор, однофазный
выпрямитель/инвертор, трехфазный выпрямитель/инвертор, трехфазный выпря
митель/чоппер/ инвертор и др.
Специализированные силовые модули проектируются обычно на очень боль
шую мощность и имеют достаточно сложную внутреннюю организацию. Так, стан
дартный трехфазный инвертор типа SK/POWER фирмы SEMIKRON мощностью
до 250 кВт широко используется в электрическом или гибридном автотранспорте
мировых фирм – производителей автомобильной техники и содержит в своем со
ставе следующие блоки:
– силовую IGBT секцию;
– датчики напряжения, тока и температуры;
– устройства управления и защиты;
– перепрограммируемый цифровой сигнальный микропроцессор;
– фильтр электромагнитных помех;
– радиатор жидкостного охлаждения и др.
Рис. 1.1. Классификация элементной базы силовой электроники
ИМС управлния коллекторными,
вентильными, шаговыми
электродвигателями
ИМС для источников питания:
– ИМС линейных стабилизаторов;
– ИМС управления импульсными
источниками питания;
– ИМС импульсных стабилизаторов
Силовые диоды, диоды
Шоттки, диоды Зенера,
стабилитроны
Элементная база
силовой электроники
Интегральные микросхемы
силовой электроники
Силовые полупроводниковые
приборы
Силовые дискретные
транзисторы (биполярные,
каскады Дарлингтона,
MOSFET, IGBT)
Тиристоры,
симисторы, динисторы
Силовые модули
на основе IGBT
и тиристорно#диодных матриц
Силовые ИМС
для автомобильной электроники
ИМС управления
осветительным оборудованием
Драйверы управления MOSFET и IGBT
Одной из разновидностей этого направления также являются силовые моду
ли, конструктивно выполненные в виде последовательного соединения из двух
IGBT и предназначенные для применения в системах управления электроприво
дом, сверхмощных импульсных источниках вторичного электропитания и т.п.
Запираемые тиристоры (GTO) в основном используются в тяговых электро
приводах большой мощности [3]. Наибольшее применение они находят в случае
совместного использования со встроенными микросхемами управления (IGBT)
на напряжениях от 4500 до 6000 В и токе от 400 до 2700 А.
Для работы в условиях высокого уровня электромагнитных помех, возникаю
щих в процессе коммутации (это энергосберегающие преобразователи для линий
передачи постоянного тока высокого напряжения типа HVDC, компенсаторы
реактивной мощности типа SVC), используются мощные высоковольтные тирис
торы с прямым управлением светом по оптическому кабелю (так называемые Light
Tuiggered Thyristors – LTT).
Самостоятельное направление развития «силовые тиристоры» – диодные мо
дули на напряжения от 800 до 1600 В и токи до 90 А. Обычно в их состав включают
последовательно соединенные как минимум два мощных тиристора, которые в
соответствии с алгоритмом управления встроенного контроллера можно объеди
нять для организации схемы встречно параллельного включения.
Кремниевые диоды Шоттки используются как индивидуально, так и в соста
ве силовых сборок на напряжение от 35 до 50 В, причем в составе такого силового
модуля обычно используются как минимум два диода Шоттки, которые также
могут быть использованы в различных комбинациях их соединений.
Наиболее широко в энергосберегающей аппаратуре используются стандартные
выпрямительные кремниевые силовые диоды и силовые модули на их основе.
Применяя эти модули в сетевых выпрямителях для сверхмощных блоков пи
тания, можно существенно снизить потери мощности в самом выпрямительном
узле, а также повысить КПД всего блока питания.
В свою очередь, все интегральные микросхемы (ИМС) для силовой электро
ники в зависимости от их назначения и особенностей применения можно разде
лить на пять основных групп:
– ИМС для источников питания (наиболее значимая по составу номенклату
ры серия ИМС);
– ИМС для управления различными электродвигателями (коллекторными,
шаговыми, вентильными);
– силовые ИМС для автомобильной электроники (их также используют в
электронных системах управления сельскохозяйственной техникой – в трак
торах, зерно и кормоуборочных комбайнах, грузовых и карьерных автомо
билях, автопогрузчиках, мотоциклах и пр.);
– ИМС для управления осветительным оборудованием (бытовыми и промыш
ленными лампами дневного света, мощными промышленными светильни
ками, светильниками для освещения улиц и т.п.);
– ИМС управления мощными силовыми дискретными полупроводниковы
ми приборами (MOSFET, IGBT и модули на их основе).
ГЛАВА 2
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
2.1. Силовые полупроводниковые диоды
Классический диод представляет собой нелинейный элемент с двумя выводами,
сформированными между p и n областями р n перехода (рис. 2.1).
Как известно, p n переход формируется в полупроводниковом кристалле пу
тем создания двух легированных областей с проводимостью p типа и проводимо
стью n типа. Из за огромных перепадов концентраций вблизи перехода в такой
структуре возникают токи диффузии. Электроны будут диффундировать в мате
риал р типа, оставляя за собой захваченные положительные ионы, а дырки будут
диффундировать в материал n типа, оставляя за собой захваченные отрицатель
ные ионы. Эти захваченные ионы порождают электрическое поле вблизи перехо
да, которое, в свою очередь, вызовет ток дрейфа дырок и электронов в направле
нии, обратном току диффузии. Участок вблизи перехода, в котором существует
электрическое поле, называется обедненной областью, или областью простран
ственного заряда (ОПЗ). При нулевом внешнем напряжении на диоде в области
p n перехода существует потенциальный барьер, благодаря чему токи диффузии
(электронов из n области и дырок из p области) и дрейфа (наоборот) уравнове
шивают друг друга. Если же к выводам диода приложить внешнее напряжение, то
равновесие будет нарушено.
Дисбаланс, возникающий между током диффузии и током дрейфа, вызовет дви
жение заряда через переход. Если приложенное напряжение будет снижать разность
потенциалов в области перехода, то ток дрейфа уменьшится и будет преобладать
диффузия дырок и электронов через переход (инжекция). В этом случае говорят,
что диод имеет прямое смещение. Если же приложенное напряжение увеличивает
разность потенциалов на переходе, то будет присутствовать лишь небольшой ток
утечки, обязанный своим появлением рождению электронно дырочных пар в ок
рестности перехода вследствие термогенерации. Диод при этом находится в состо
янии обратного смещения. Ширина области пространственного заряда при пря
мом смещении диода уменьшается, а при обратном – увеличивается. Обобщенная
вольт амперная характеристика диода представлена на рис. 2.2.
Плотность тока через диод определяется выражением:
J = Js ⋅ (eqUa/kT), (2.1)
где q – заряд электрона (1,6 ⋅ 10 –19 К); Js – плотность обратного тока насыщения; Ua –
напряжение, приложенное к диоду; k – постоянная Больцмана (1,38 10 –23 Дж/К); T –
абсолютная температура (K).
2.1. Силовые полупроводниковые диоды 21
Силовые диоды работают при высоких напряжениях и больших токах. Их ха
рактерные обратные напряжения – до нескольких киловольт, а прямые токи – до
нескольких килоампер.
Величина напряженности электрического поля в области перехода у диода с
обратным смещением определяется приложенным напряжением обратного сме
щения и концентрациями примеси в участках p и n типа. Известно два механиз
ма, которые обуславливают появления напряжения пробоя и называются соот
ветственно зенеровский пробой и лавинный пробой.
Зенеровский пробой может произойти в том случае, когда обе стороны перехо
да сильно легированы и существует напряжение обратного смещения. На рис. 2.3
представлена зонная диаграмма p n перехода для случая зенеровского пробоя.
Из рисунка видно, что под влиянием напряжения обратного смещения зна
чительная часть заполненных вакансий в валентной зоне материала p типа ока
зывается на одном уровне со свободными вакансиями в зоне проводимости n
слоя. Если энергетический барьер, разделяющий эти свободные и заполненные
состояния, достаточно узок, то электроны благодаря туннельному эффекту могут
переходить из валентной зоны p слоя в зону проводимости n слоя. Этот кванто
во механический процесс туннельного перехода и создает обратный ток через p
n переход. Ширина обедненного слоя убывает с возрастанием концентрации при
меси донора и акцептора и увеличивается с ростом обратного смещения. Весь этот
процесс называется эффектом Зенера, или зенеровским пробоем. В литературе этот
процесс также называют туннельным пробоем.
Рис. 2.1. Режимы включения p n перехода: прямое смещение (а); обратное сме
щение (б)
Рис. 2.2. Вольт амперная характеристика диода
а) б)
p n p n
Id
Uк
Uк = 0,3 В
для германиевого диода
и 0,65–0,7 В для кремниевого
Ud
Напряжение лавинного пробоя
Uпр
22 Глава 2. Полупроводниковые приборы силовой электроники
Однако у большинства приборов один из слоев p n перехода легирован слабо,
поэтому напряжение зенеровского пробоя не наступает. При этих условиях основ
ным механизмом, вызывающим пробой, может стать так называемый лавинный про#
бой. Причиной лавинного пробоя являются столкновения между носителями заря
да и валентными электронами в обедненном слое при обратном смещении. По мере
увеличения напряжения обратного смещения все больше электронов и (или) ды
рок получают кинетическую энергию, достаточную для рождения электронно ды
рочной пары при столкновении с валентным электроном. Эти вновь рожденные
электроны и дырки в свою очередь ускоряются в электрическом поле и набирают
достаточную кинетическую энергию достаточную для рождения электронно ды
рочной пары при столкновении с валентными электронами и т.д.
Приборы с туннельным пробоем обычно имеют более низкие пробивные на
пряжения, чем приборы с лавинным пробоем. В кремнии чистый туннельный
пробой обычно имеет место для диодов с Uпр меньше 5 В и концентрации приме
си Nп более 1018 см–3. При более высоких напряжениях чаще всего преобладает
лавинный механизм пробоя. Согласно исследований, проведенных Миллером [4],
напряжение лавинного пробоя p n перехода, если концентрация примеси не пре
восходит 2 · 10 17 атом/см3, определяется следующим выражением:
Uпр = (2,3 · 1012) · (Nп)–0,66. (2.2)
При большей концентрации примеси зависимость отклоняется от прямой
благодаря процессу насыщения. То есть напряженность поля возрастает до вели
чин, превосходящих необходимую для разрыва ковалентных связей. Дальнейшее
увеличение Nп не приводит к уменьшению Uпр.
Промышленные диоды со строго заданными пробивными напряжениями на
зывают стабилитронами, независимо от действующего в них механизма пробоя.
Выпрямительные диоды, в которых используются для работы как прямая, так и
обратная ветвь характеристики, называют диодами Зенера.
Следующий тип силовых полупроводниковых приборов образуют диоды Шот#
тки, принцип работы которых основан на выпрямляющем контакте металл – по
лупроводник, который получается в двух случаях:
– для полупроводника n типа – если работа выхода полупроводника мень
ше, чем металла;
Рис. 2.3. Зонная диаграмма p n перехода с зенеровским (туннельным) пробоем
Eп
Eф
Eв
p n
Туннелирование
электронов
2.1. Силовые полупроводниковые диоды 23
– для полупроводника p типа – если работа выхода полупроводника больше,
чем металла.
Поэтому диоды, в которых используется выпрямляющий переход металл –
полупроводник, называются диодами Шоттки. В таких диодах более предпочти
тельным является использование n типа полупроводника из за более высокой
подвижности электронов (μn) по сравнению с подвижностью дырок. Диоды Шот
тки по сравнению с биполярными диодами имеют два основных преимущества:
– прямое падение напряжения в них при той же плотности тока на несколько
десятых вольта меньше:
– поскольку ток в диоде Шоттки проходит только благодаря механизму дрей
фа, отсутствует необходимость накапливать и устранять избыточные не ос
новные носители заряда. Диоды Шоттки являются наиболее быстродейству
ющими.
Однако по сравнению с биполярными диодами недостатком диодов Шоттки
является их больший обратный ток.
Большинство современных диодов Шоттки изготавливаются по планарной
технологии с эпитаксиальным n слоем, на поверхности которого создают ок
сидную маску, в которой вскрываются окна для формирования барьера. В каче
стве последнего используются различные металлы (Mo, Ni, Pt, Cr, Ti и др.), а
также их сплавы и силициды. По периметру контактной области создается коль
цо кремния р типа (рис. 2.4а), которое служит для уменьшения краевых токов
утечки.