Полупроводниковые преобразователи (силовая преобразовательная техника)

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (СИЛОВАЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА) Введение К полупроводниковым преобразователям, составляющим основу силовой преобразовательной техники, относятся многочисленные приборы с различным родом тока, напряжения и частоты: выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, тиристорные регуляторы постоянного и переменного напряжения, контакторы постоянного и переменного тока и другие. Их всех объединяет значительные величины токов, протекающие при открытых вентилях (ключах), и напряжений, приложенных к закрытым ключам. Независимо от типа и назначения полупроводниковые преобразователи состоят из силовой и информационной (управляющей) части. К силовой части относят блоки силовых ключей и вентилей. К управляющей части относят блоки, которые контролируют включение-выключение силовых ключей, производят защиту силового блока и его диагностику. Обычно, управляющую часть называют драйвером управления (транзисторов, тиристоров) силового блока. Современные драйверы включают в себя микроконтроллеры, которые определяют взаимодействие между силовым и информационным блоками. 0. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ СИЛОВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ И ДРАЙВЕРЫ ДЛЯ ИХ УПРАВЛЕНИЯ 0.1. Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ-IGBT) Биполярный транзистор с изолированным затвором БТИЗ (иногда в технической литературе аббревиатура МОПБТ) выполнен как прибор с единой структурой, сочетающий в себе полевой транзистор c изолированным затвором (ПТИЗ) и биполярный n-p-nтранзистор (БТ) [22]. Имеется много способов создания таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)ео, в которых объединены достоинства полевого транзистора (с так называемым вертикальным каналом) и биполярного транзистора. 0.1.1. Особенности реального мощного ПТИЗ Рассмотренная выше (рис. 0.6, а) структура ПТИЗ относится к планарной (поверхностной) структуре типа SIPMOS (планарная структура затвора), изготовленной с помощью метода фотолитографии [6]. Идентичная структура, представленная на рис. 0.1, а, применяется для изготовления маломощных ПТИЗ и характеризуется, как показано выше, возможностью образования индуцированного горизонтального канала, связывающим исток и сток. ПТИЗ большой мощности способен пропускать (коммутировать) сверхбольшие тока (сотни ампер). Для этого предусматривается особая технология, в процессе которой в структуре ПТИЗ создается встроенный вертикальный n-канал (рис. 0.1, б) с большой площадью поперечного сечения, а также создается возможность индуцирования короткого горизонтального n-канала длиной d. а) б) Рис. 0.1. Структуры планарного ПТИЗ и мощного ПТИЗ с вертикальным каналом У этих ПТИЗ истоки И, сформированные на так называемых n+карманах (для устранения выпрямления на контакте металл- полупроводник используется сильно легированная область n+), находятся в верхней части структуры, а контакт стока С, сформированный по той же причине на невыпрямляющей структуре n+, локализован в нижней части. Металлический затвор З, формируется внутри толстого слоя пленки SiO2, так что, как обычно, затвор гальванически не связан со слоем полупроводника. Изменяя + потенциал затвора, можно индуцировать дополнительный горизонтальный канал n-типа (длиной d в слаболегированной области p-типа), позволяющий электронам проходить от n+-истока к встроенному вертикальному каналу n-типа и далее к нижнему контакту стока. Обратим внимание, что подобный мощный транзистор при нулевом напряжении на затворе (в нормальном состоянии) закрыт, т.к. единый n-канал между стоком и истоком отсутствует, и для его образования необходимо подать на затвор положительный потенциал (движение электронов через структуру показано на рис. 0.1, б). Большая площадь вертикального канала позволяет пропускать через данную структуру значительные токи (десятки ампер и выше). Анализируя структуру (рис. 0.1, б), можно заметить, что при изготовлении мощных полевых транзисторов с изолированным затвором, имеющих вертикальный канал, образуется два параллельных виртуальных (паразитных) биполярных n+-p+-nтранзистора (выделены пунктиром), которые не участвуют в механизме переноса зарядов от истока к стоку (рис. 0.1, б). Поскольку паразитные транзисторы включены параллельно, ниже речь будет идти об одном n-p-n-транзисторе. Оценим, почему паразитные транзисторы не участвуют в переносе зарядов? Отметим, что при заданном положительном потенциале стока поток электронов, двигающихся от истока И к стоку С, создает ток, направленный от стока к истоку. При этом потенциал точки 1, отмеченной в вертикальном канале на рис. 0.1, б, ниже (более отрицательный), чем потенциал точки 2, находящейся в области базы виртуального биполярного транзистора. Отождествляя отмеченную структуру n+-p+-n с воображаемым виртуальным транзистором, легко понять, что при потенциале р-базы, более отрицательном, чем его коллектор (точка 3), каждый из этих транзисторов закрыт. Именно поэтому ток между их эмиттерами и коллекторами не протекает, и эти биполярные транзисторы выступают как структуры, не принимающие участие в формировании тока между истоком и стоком. Схема замещения, соответствующая структуре мощного ПТИЗ, приведена на рис. 0.2, а. Элементами схемы являются: VT1 – собственно, ПТИЗ с индуцируемым каналом n-типа, VT2  паразитный биполярный n-p-n-транзистор, R1 – последовательное сопротивление вертикального канала полевого транзистора VT1, R2  сопротивление, шунтирующее переход база-эмиттер виртуального биполярного транзистора (между контактом истока И точкой 1). Благодаря сопротивлению R2 биполярный транзистор VT2 заперт отрицательным потенциалом на его базе, и, как отмечено выше, не оказывает существенного влияния на работу полевого транзистора VT0. Выходные вольтамперные характеристики анализируемого ПТИЗ, идентичны приведенным ранее и имеют вид, представленный на рис. 0.2, б. Рис. 0.2. Характеристики ПТИЗ (а, б) и БТИЗ (в, г) с вертикальным каналом 0.1.2. Строение IGBT Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT) являются самыми перспективными силовыми приборами и предназначены для работы в так называемых токовых ключах, пропускающих значительных токов (несколько тысяч ампер). Учитывая специфическую структуру БТИЗ, контакты прибора и прилегающие к ним области называются: эмиттер Э, затвор З, коллектор К. На рис. 0.3 приведена структура IGBT c планарным затвором, характерным для ПТИЗ, а также показаны пути движения носителей заряда через элементы ПТИЗ и через специально встроенный биполярный транзистор. Рис. 0.3. Структура элементарной ячейки IGBT с планарным затвором Транзисторы БТИЗ (IGBT) имеют структуру (ячейку), аналогичную мощному ПТИЗ с коротким горизонтальным индуцируемым n-каналом и вертикальным n-каналом (рис. 0.1, б), но дополненную еще одной областью p+ (в области коллектора), а, значит, еще одним p-n-переходом (рис. 0.3). Благодаря дополнительному p+-слою в структуре образуется новый p+-n-p+транзистор VТ2 (рис. 0.3) с очень большой площадью p-n-переходов, который способен пропускать (переключать, коммутировать) значительные токи. Схема замещения БТИЗ и вольтамперная характеристика структуры представлены на рис. 0.2, в, г. Подадим на планарный затвор З (рис. 0.2), заключенный в слое диэлектрика SiO2, положительное напряжение Uзи, большее, чем Uзи.пор. Тогда, во-первых, в структуре в p- слое индуцируется короткий горизонтальный канал n-типа, и поток электронов (отмечен кружком 1) двигается от эмиттера к положительному коллектору через встроенный вертикальный канал n-типа. Во-вторых, в данном случае более отрицательный потенциал точки 1 (рис. 0.3), фактически приложен к n-базе биполярного транзистора, так что последний – открыт. Поэтому, с одной стороны, поток дырок (отмечен кружком 2) двигается в структуре биполярного p+-n-p+-транзистора от положительного коллектора к отрицательному эмиттеру; с другой стороны, параллельно потоку 2 двигается поток дырок 3 в структуре биполярного p+npp+-транзистора. Другими словами, при подаче положительного потенциала на затвор, в объеме структуры индуцируется проводящий n-канал длиной d в р-области. За счет индуцированного n-канала открывается ПТИЗ с вертикальным n-каналом. Вследствие протекания тока по вертикальному каналу n-типа каждая точка его объема, например, область А, приобретает более отрицательный потенциал, чем потенциал области коллектора. Это идентично подаче отрицательного потенциала на n-базу БТ, и поэтому обеспечивается открытие биполярного p-n-p-транзистора. Между внешними контактами (коллектором и эмиттером) ячейки IGBT начинает протекать ток. При этом ток стока (коллектора) ячейки IGBT оказывается усиленным (по сравнению с идентичным отдельным транзистором ПТИЗ) в несколько раз за счет того, что при включенном биполярном транзисторе через n-область Б идут дополнительные встречные потоки носителей заряда (электронов и дырок). Управление БТИЗ с целью его включения (открытия) или выключения (закрытия) осуществляется изменением напряжения Uзэ на затворе незначительной величиной 5…6 В. Сравнивая выходные характеристики силовых ПТИЗ и БТИЗ можно видеть (рис. 0.2, б, г) их существенное отличие. Обратное включение ПТИЗ и БТИЗ. При обратном включении ПТИЗ с n-каналом (рис. 0.1, а) на сток подается отрицательный потенциал. В этом режиме p-n-переход сток-подложка является прямо смещенным, и ток транзистора экспоненциально возрастает при увеличении напряжения (рис. 0.9, б, третий квадрант) как и у диодной структуры даже при незначительном значении прямого напряжения. При обратном включении силового IGBTтранзистора при индуцированном n-каналом (рис. 0.3) на коллектор также подается отрицательный потенциал. Но в этом случае p+-n-переход вблизи контакта коллектора закрыт; по мере увеличения напряжения Uкэ (рис. 0.2, б, третий квадрант) через обратно смещенный переход протекает незначительный ток, связанный с тепловыми токами. Именно поэтому структура IGBTтранзистора может выдерживать значительное обратное напряжение до 4500 В. Прямое включение ПТИЗ и БТИЗ. При так называемом прямом включении силовых ПТИЗ с n-каналом (рис. 0.1, а) на сток подается положительный потенциал. На вольтамперной характеристике имеется выраженные омическая и активная зоны (рис. 0.2, б, первый квадрант). В области активной зоны силовых ПТИЗ ток стока продолжает возрастать пропорционально напряжению Uси (сток- исток), т.е. транзистор не насыщается, а проявляет себя как активный резистор с определенным большим сопротивлением частично перекрытого канала. Другими словами, в области относительно больших напряжениях Uси ток стока Ic не является постоянным, а продолжает расти по мере увеличения Uси. В то же время следует отметить, что силовые транзисторы обычно предназначены для работы в ключевом режиме. Этот режим характеризуется тем, что при одних потенциалах транзистор включен (ток стока большой), а при других – выключен (ток стока отсутствует). Подобный режим достигается путем выбора рабочей точки на стоковой характеристике. Как будет показано ниже, активная область ВАХ с током, возрастающим при увеличении напряжения Uси, не должна использоваться, Именно поэтому транзисторы типа ПТИЗ, в отличие от IGBT, не используется в ключевом режиме работы. При прямом включении у IGBT-транзисторов с индуцированным каналом n-типа на коллектор также подается положительный потенциал. На его стоковой ВАХ имеется выраженная область, при которой наступает насыщение, а после которой в активной зоне ВАХ при возрастании напряжения Uкэ ток Iк изменяется незначительно (рис. 0.2, г). Напряжения Uкэ нас, при которых наступает область насыщения (отмечены пунктиром), зависят от напряжения Uзэ. В целом, зона (область) насыщения характеризуется малым значением прямого падения напряжения Uкэ менее 1,5-2 В и токами Iкэ вплоть до 50-200 А. Именно подобные стоковые характеристики прибора позволяют использовать IGBT-транзисторы в качестве токового ключа при сверхбольших токах. Перспективные и еще более мощные ПТИЗ и БТИЗ, предназначенные для коммутации сверхбольших токов, выполняют путем изготовления многослойных вертикальных структур (рис. 0.5, а, в) с вертикальным затвором в форме так называемого паза по специальной технологии а) б) в) Рис. 0.4. Структура ячеек силовых МОП- и IGBTтранзисторов а) МОП-транзистор с пазовой структурой затвора; б) IGBT-транзистор с планарным затвором и вертикальным каналом; в) IGBT-транзистор с пазовой структурой затвора и вертикальным каналом В отличие от структур приведенных ранее, на основе trench-технологии затвор выполняется не в толстом слое диэлектрика, а углублен в объем материала в форме паза (рис. 0.5, а, в). В результате анализа структур и свойств транзисторов, можно сделать вывод, что IGBT, как прибор, представляет собой биполярный p-n-p-транзистор, управляемый от сравнительно низковольтного транзистора типа ПТИЗ с индуцированным каналом. Перечисленные выше достоинства IGBT-транзисторов приводят к важным эксплуатационным результатам при их использовании качестве силовых импульсных приборов  аналоговых ключей, способных пропускать (коммутировать, переключать) большие токи:  значительно уменьшается сопротивление открытого прибора (менее 0,01 Ом);  существенно уменьшается остаточное напряжение Uкэ на включенном (открытом) приборе даже при очень больших токах (обычно не более превышает 2-3 В). IGBTтранзисторы являются компромиссным техническим решением, позволившим объединить положительные качества как биполярных транзисторов (малое падение напряжения в открытом состоянии, высокие коммутируемые напряжения), так и ПТИЗтранзисторов (малая мощность управления, высокие скорости коммутации сигналов). Максимальное напряжение IGBTтранзисторов, включенных в обратном направлении, в целом, ограничено из-за пробоя p-n-переходов, но уже в настоящее время выпускаются приборы с рабочим напряжением до 4500 В и выше. Вышеперечисленные обстоятельства делают IGBT-транзисторы наиболее более предпочтительными для их использования как силовых приборов в ключевом режиме работы. Рис. 0.6. УГО различных модулей IGBT Быстродействие БТИЗ ниже, чем быстродействие полевых транзисторов, но значительно выше быстродействия биполярных: время их включения и выключения не превышает 0,5…1,0 мкс. Условно-графические изображения транзисторов IGBT различных типов, используемые на схемах, приведены на рис. 0.6. Подобные транзисторы выполняются в виде отдельных элементов –модулей. IGBTмодуль по внутренней электрической схеме может представлять собой (рис. 0.7): единичный IGBT (а), двойной модуль (half-bridge), где два IGBT (б) соединены последовательно (полумост), прерыватель (chopper), в котором единичный IGBT последовательно соединен с диодом (в, г), однофазный или трехфазный мост и т.п. Во всех случаях, кроме прерывателя, модуль содержит встроенный обратный диод, включенный параллельно каждому IGBT. а) б) в) г) Рис. 0.7. Схемы IGBT модулей IGBT транзисторы считаются самыми перспективными силовыми приборами и занимают доминирующее положение среди приборов для диапазона мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Их развитие идет по пути: - повышения диапазона коммутируемых токов и напряжений (единицы килоампер, 5…7 киловольт);  повышения быстродействия (время переключения менее 100 нс);  повышения стойкости к перегрузкам и аварийным режимам;  снижения прямого падения напряжения;  разработки новых структур со значениями плотности токов, протекающих в тиристорных структурах (см. ниже);  развития интеллектуальных IGBT транзисторов (с встроенными функциями управления, диагностики и защиты от токов короткого замыкания) и модулей на их основе;  создания высоконадежных корпусов. В настоящее время величина напряжения, которое может быть приложено к БТИЗ (коммутируемое напряжение) достигает 4500 В, токи включенного транзистора (в модульном исполнении)  до 1800 А, прямое падение напряжения  в пределах 1-1,5 В, частота коммутации (включения- выключения)  до 50 кГц; время переключения до 200 нс. Помимо применения в перспективной области высоковольтных силовых преобразователей на мощности от единиц киловатт, IGBTтранзисторы используются в электротехнике для управления и относительно маломощными электроприводами с широким диапазоном регулирования скоростей вращения, например, электрических машинах бытового назначения, инверторных кондиционерах. Их применяют в качестве электронного ключа для электронного зажигания автомобилей, в импульсных блоках питания телекоммуникационных и серверных систем и т.п. Транзисторы IGBT выпускаются в виде отдельных модулей в прямоугольных корпусах (см. обложку книги) с односторонним или двусторонним прижимом и охлаждением различных типоразмеров, среди которых можно выделить модули: SEMITRANS, SEMiX, SKiM, MiniSKiiP, SKiiP, SEMITOP и другие. Обозначения IGBT-модулей разнообразны: МПКТИ-1400-18, МПКТИ-1200-25, 2М35, ОМ150F120CMC, OM300L60CMIS, T1400TA18, ST1200FX21, GA200SA60S и т.п. 0.2. Статический индукционный транзистор СИТ Статический индукционный транзистор (СИТ) относится к мощным полевым транзисторам. СИТ представляет собой полевой транзистор со специфической формой и конструкцией управляющего p-n-перехода. Структура транзистора со статической индукцией характеризуется коротким каналом и малым расстоянием от истока до стока (10 мкм). Повышение мощности СИТ обеспечивается многоканальным строением структуры, малыми размерами областей затвора, близких по форме к цилиндру (диаметром до 25 мкм). Именно поэтому СИТ обладает выходными ВАХ, отличающимися от стоковых ВАХ обычных ПТУП [22], [35]. Известно, что ПТУП и МОПтранзисторы с горизонтальным каналом имеют в активной области относительно пологую ВАХ, что характеризует малую выходную проводимость dIс/dUси. Другими словами, выходное сопротивление таких транзисторов обычно много больше сопротивления нагрузки. При использовании подобного прибора в усилительном режиме транзистор по отношению к внешней цепи представляется источником тока и плохо согласовывается с энергетически мощной низкоомной нагрузкой. В то же время, мощные приборы должны характеризоваться большим значением dIс/dUси, и, соответственно, с малым выходным сопротивлением. Именно подобными стоковыми ВАХ обладает статический индукционный транзистор. Принцип действия СИТ идентичен работе полевого транзистора с управляемым p-n-переходом. Особенности его работы и вольтамперные характеристики, приведенные на рис. 0.8, можно объяснить с учетом геометрии и формы малого затвора, короткого канала, распределения напряженности поля в канале [35]. В целом, можно сказать следующее. Выходные характеристики СИТ (рис. 0.8) не имеют области насыщения тока стока, т.е. выходное сопротивление СИТ достаточно мало, что повышает энергетические показатели линейных усилителей мощности (см. ниже) на основе СИТ. СИТ может работать при смешанном управлении:  при прямом смещении затвора (режим биполярного транзистора);  при обратном смещении затвора (режим полевого транзистора). Открытый транзистор управляется током затвора, который в этом случае работает как база биполярного транзистора. Рис. 0.8. Серия вольтамперных характеристик СИТ Для запирания транзистора на его затвор подается обратное запирающее напряжение. В отличие от биполярного транзистора обратное напряжение, подаваемое на затвор транзистора, может достигать 30 В, что ускоряет процесс рассасывания неосновных носителей, которые появляются в канале при прямом смещении затвора. Имеются две разновидности СИТтранзисторов. Первая разновидность – простые СИТ-транзисторы – нормально открытые приборы ПТУП с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа, по конструкции аналогичны прибору, представленному на рис. 0.2. В таком приборе при нулевом напряжении на затворе цепь сток-исток находится в проводящем состоянии. Перевод транзистора в непроводящее состояние (выключение) осуществляется при помощи напряжения Uзи отрицательной полярности, подаваемого между затвором и истоком (рис. 0.3, б). СИТ-транзистор, в отличие от обычных ПТУП, отличается тем, что на его затвор можно подавать отрицательный потенциал, смещая p-n-переход в прямом направлении. Это дает возможность значительно снизить сопротивления канала Rси, а, значит, пропускать через транзистор большие токи. Другими словами, СИТ-транзистор может управляться, с одной стороны как ПТУП – при отрицательном напряжении на затворе, с другой - как биполярный транзистор – при положительном напряжении на затворе. Простой СИТ-транзистор, как и ПТИЗ, имеет большую емкость затвора, перезаряд которой требует значительных токов управления. Достоинство СИТ по сравнению с биполярными транзисторами  повышенное быстродействие: время включения составляет 20-25 нс. Специфической особенностью простого СИТ-транзистора, затрудняющей его работу в качестве ключа, является его нормально открытое состояние при отсутствии управляющего сигнала. Для запирания СИТ необходимо подать на его затвор отрицательное напряжение смещения, по модулю большее, чем значение напряжения отсечки Uзи.отс < 0. Этого недостатка лишена вторая разновидность - БСИТ-транзисторы (биполярные СИТ-транзисторы), в которых, в отличие от обычных ПТУП, напряжение отсечки технологическими приемами сведено к нулю, т.е. Uзи.отс = 0. Благодаря этому при отсутствии напряжения на затворе БСИТ транзисторы заперты, также как и биполярные транзисторы. Другими словами, они работают только в области положительных потенциалов на затворе. К достоинствам СИТ и БСИТ приборов следует отнести малое сопротивление канала в открытом состоянии, которое составляет 0,1…0,025 Ом, однако они уступают ПТИЗ по быстродействию и мощности управления. 0.3. Однопереходный транзистор Однопереходный транзистор (ОПТ, двухбазовый диод) представляет собой полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом, ВАХ которого имеет участок отрицательного дифференциального сопротивления [30], [38]. Конструктивно однопереходный транзистор выполнен в виде пластины полупроводникового материала, на концах которой расположены омические (невыпрямляющие) контакты Б1 и Б2, примыкающие к слаболегированным базовым областям (базам) одноименного названия, а на боковой стороне – один p-n-переход (рис. 0.15, а). Контакт эмиттера Э установлен на эмиттерную область р-типа. Управление током транзистора производится подачей напряжения Uвх = Uэб1 = Uэ на вход ОПТ между контактами Э и Б0. Обычно длина l1 базы Б1 значительно меньше, чем длина l2 базы Б2, т.е. l2  l0. Формально можно считать, что в объеме баз транзистора между контактами Б1 и Б2 расположены два резистора R1 и R2, причем R2 >> R1 (рис. 0.9, а). а) б) в) Рис. 0.9. Структура (а), УГО (б) и ВАХ (в) однопереходного транзистора Также, как и в случаях с биполярными и полевыми транзисторами, для оптимальной работы ОПТ в различных режимах между контактами прибора Э, Б1, Б2 необходимо подать определенные постоянные напряжения. Рассмотрим работу ОПТ в так называемом ключевом режиме, при котором транзистор может быть открыт или закрыт с помощью сигнала на входе транзистора, т.е. напряжением Uвх = Uэб1  Uэ между контактами Э и Б0. При открытом транзисторе (говорится, что транзистор как ключ  замкнут) через него протекает большой эмиттерный ток при малом сопротивлении прибора, при закрытом транзисторе (ключ разомкнут)  эмиттерный ток бесконечно мал из-за большого сопротивления прибора. Рассмотрим предварительное состояние ОПТ при условии, что Uбб = 0. Увеличивая входное напряжение Uвх = Uэ > 0, мы создаем условия, при которых к контакту Э, а, значит, и к р-области эмиттера, приложен положительный потенциал. Очевидно, что эмиттерный р–n-переход прямо смещенный, и, значит, входной ток Iэ при возрастании Uэб увеличивается по зависимости, близкой к экспоненциальной (рис. 0.9, б). Соединим выводы Б2 и Б1 прибора с источником напряжения Uбб так, что на контакте Б2  положительный полюс источника, и подадим на между контактами баз Б2 и Б1 напряжение Uбб > 0 (рис. 0.9, б). Пусть первоначально входное напряжение равно Uэ = 0 (рис. 0.9, в, точка 1 на ВАХ). Поскольку Uбб > 0, то за счет незначительного тока, протекающего между контактами Б2 и Б1 через объем кристалла, на резисторах R2 и R1 (рис. 0.15, а) возникает падение напряжения, причем UR2 >>UR1 = +Uвн. Другими словами, в объеме n-области базы (рис. 0.9, а, например, область объема А около эмиттерного p-n-перехода) имеется положительный потенциал 0. по отношению к заземленной базе Б0. Поскольку мы рассматриваем режим, при котором потенциал контакта Э равен нулю, то, очевидно, что эмиттерный p-n-переход включен в обратном направлении внутренним напряжением Uвн > 0. Через этот переход протекает межбазовый ток Iбб - небольшой ток обратно смещенного перехода, равный Iэб|Uэ<0=  Iэ0 (рис 0.9, б, точка 1 на ВАХ). Этот ток также вызывает падение напряжения в объеме кристалла полупроводника (UR2 UR1), которое распределяются пропорционально величине резисторов R1 и R2. Не изменяя напряжения Uбб > 0, увеличим напряжение входного сигнала Uвх = Uэб такой полярности, что на контакте Э эмиттера будет + потенциал. Очевидно, что p-n-переход будет закрыт до тех пор, пока он не будет смещен в прямом направлении при условии Uэ = Uвх = Uэб > Uвн. По мере увеличения напряжения входного сигнала (полярность указана на рис. 0.9, а) p-n-переход, первоначально закрытый, начинает приоткрываться, и величина обратного тока "эмиттер – база" Iэ уменьшается (по модулю) от значения Iэ0 до 0, так как прямое напряжение Uэ направлено встречно обратному напряжению ∆Uвн. Поэтому по мере увеличения входного напряжения при некотором значении Uэ (точка 2 на ВАХ) ток Iэ становится равным нулю (рис. 0.9, в). При дальнейшем увеличении входного напряжения, как только выполняется условие |Uэб1| >|Uвн|, p-n-переход смещается в прямом направлении, и ток в цепи "эмиттер – база Б1" становится положительным. Потенциальный барьер p-n-перехода понижается, и начинается интенсивный переход (инжекция) неосновных носителей заряда – дырок в область базы Б0.(точка 3 на ВАХ). При этом развивается регенеративный (лавинообразный) процесс, проявляющийся в следующем. Увеличение концентрации носителей заряда в объеме базы Б1 приводит к уменьшению сопротивления Rб1 этой области. Заметим, что теперь через объем кристалла (базы Б1 и Б2) фактически протекает большой ток Iэ. Следовательно, внутреннее падение напряжения, обусловленное током через кристалл Iэ и равное Uвн = IэR1, уменьшается при интенсивном снижении сопротивления базы Б0. По мере уменьшения значения Uвн и возрастании Uвх происходит увеличение разности напряжений (Uвх  Uвн) > 0, обеспечивая еще больший переход (инжекцию) дырок в объем базы Б0. Инжекция дырок необратимо и лавинообразно возрастает, ток эмиттера возрастает, но ограничивается резистором Rэ во входной электрической цепи (рис. 0.9, а). При некотором напряжении Uвх = Uвкл за счет резкого увеличения проводимости баз Б1 и Б2, ток через внешнюю нагрузку Rн скачком возрастает до величины Iэ при соответствующем напряжении Uэб на входе транзистора (рис. 0.9, в, точка 4 на ВАЗ). Дальнейшее увеличение напряжения Uэ будет приводить к плавному увеличению тока уже открытого транзистора. Как видно, регенеративный процесс приводит к появлению участка вольтамперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок II). Для закрытия транзистора необходимо уменьшать напряжение Uэб до тех пор, пока ток Iэ не упадет до величины Iвыкл (рис. 0.9, точка 5 на ВАХ): при этом за счет уменьшения силы тока количество дырок, переходящих через p-n-переход уменьшается, и, соответственно, объем кристалла в области базы Б1 обедняется неосновными носителями заряда (дырками). По мере рекомбинации ранее инжектированных дырок сопротивление кристалла в области базы Б1 резко возрастает, и наступает обратный регенерационный процесс возвращения открытого транзистора в закрытое состояние. С учетом ВАХ ОПТ – это полупроводниковый прибор с нелинейной ВАХ эмиттерной цепи S-образного типа. ОПТ получили распространение в схемах управления тиристорами, в импульсных схемах для построения генераторов, преобразователей сигналов и т. п. С детальными сведениями об обозначениях полупроводниковых транзисторов, их параметрами и характеристиками следует ознакомиться при изучении справочников, например, [25], [26]. 0.3. Драйверы для управления силовыми транзисторами. 0.3.1. Формирователи импульсов управления биполярными транзисторами Задачей блока формирователя импульсов управления (ФИУ) является выработка сигналов для включения (выключения) силовых транзисторов, а также защита силового ключа путем контроля за его электрическими параметрами. При превышении заданных параметров блок ФИУ формирует запирающий сигнал. В большинстве случаев ФИУ обеспечивает потенциальную развязку между силовой и информационной частью преобразователя с помощью оптронов, трансформаторной развязки, оптоволоконной системы передачи данных. ФИУ биполярных транзисторов могут быть двух типов: -с постоянным током управления (ток базы) при изменении тока нагрузка (рис. 0.10, а); - с пропорциональным током управления при изменении тока нагрузки (рис. 0.10, б). В первом случае импульсный трансформатор используется как трансформатор напряжения, во втором – как трансформатор тока. Рис. 0.10. Импульсный трансформатор в режиме ТН (а) и ТТ (б) Основное требование к силовому ключу, построенному на биполярном транзисторе, является быстрое насыщение транзистора током базы в интервале времени, когда транзистор должен быть включен, и минимизация тока утечки, когда транзистор выключен. Идеальная форма тока базы iб(t) и напряжения uбэ(t) представлены на рис. 0.11. Повышенное значение мгновенного тока базы iб(t) в момент включения обеспечивает снижение времени включения; после включения для поддержания фиксированного тока коллектора возможно снижение тока базы до значения Iб, т.к. заряд в области базы после включения уменьшается. Импульс обратного тока базы закрывает транзистор, и после рекомбинации неравновесных носителей восстанавливается обратное напряжение в цепи база-эмиттер. Рис. 0.11. Идеальный импульс управления БТ Упрощенная схема ФИУ БТ представлена на рис. 0.12, в которой реализован усилительный каскад с источником отрицательного напряжения (-Е2) и двумя дополнительными транзисторами VT2 и VT3, обеспечивающими надежное включение VT1. Когда ключ VT1 выключен отрицательный источник Е2 надежно его запирает. 0.3.2. Формирователи импульсов управления транзисторами с изолированными затворами Особенностью полевых транзисторов типа ПТИЗ (МОП, КМОП), IGBT является то, что: - при постоянном напряжении ток в цепи затвор-исток незначителен (единицы наноампер); - процессы включения и выключения в значительной степени связаны с входной емкостью транзистора, которая определяет скорость коммутации. В связи с этим подобными транзисторами можно управлять выходными сигналами ИМС (например, на ОУ) с напряжением 5-1,5 В и токами менее десяткам миллиампер (рис. 0.12, а). Для управления мощными транзисторами требуется применение усилителей, схема которых соответствует схеме двухтактного эмиттерного повторителя, выполненного на паре биполярных транзисторов (рис. 0.12,б). Рис. 0.13. ФИУ МОП транзистора