Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение

СИЛОВЫЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
КЛЮЧИ

СЕМЕЙСТВА
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРИМЕНЕНИЕ

П.А.
Воронин

МОСКВА, 2023

ДодэкаXXI

ДМК Пресс

3-е издание, электронное

УДК 621.316.54:621.314.632
ББК 31.264
В75

В75
Воронин, Павел Анатольевич.

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

ISBN 978-5-89818-433-9

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

УДК 621.316.54:621.314.632 
ББК 31.264

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

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

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

СОДЕРЖАНИЕ

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

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

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

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

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

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

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

СОДЕРЖАНИЕ

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

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

СОДЕРЖАНИЕ

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

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

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

7

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

Автор

1Глава

Эволюция развития
силовых
полупроводниковых
ключей

ГЛАВА 1. Эволюция развития силовых полупроводниковых ключей

1.1. В круге первом

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