Статьи • 6 Сентября 2019 • Админ Геннадий
Это третья часть нашего цикла, посвященного разработке процессоров.
В первой части мы рассмотрели архитектуру компьютера и объяснили его работу на высоком уровне. Во второй – рассказывалось о проектировании и реализации отдельных компонентов чипа.
В третьей части мы шагнём дальше и узнаем, как архитектурные проекты и электрические схемы становятся физическими чипами.
Как же все эти песчинки превращаются в современный процессор? Давайте разберёмся.
Как мы уже говорили, процессоры и вся другая цифровая логика основана на транзисторах. Транзистор – это переключатель с электрическим управлением, который включается с помощью электрического сигнала, подаваемого на затвор.
Мы сказали, что существует два основных типа транзисторов: nMOS-устройства пропускают ток при включенном затворе, а pMOS-устройства – при выключенном. Базовая структура процессора – это кремниевые транзисторы.
Кремний известен как полупроводник, потому что он занимает некое промежуточное положение между проводником и изолятором.
Чтобы превратить кремниевую пластину в функциональную электрическую схему с транзисторами, производственные инженеры используют процесс под названием легирование.
Легирование – это внедрение в базовый субстрат кремния тщательно выбранных примесей для изменения свойств его проводимости. Цель заключается в том, чтобы изменить поведение электронов так, чтобы мы могли ими управлять.
Существует два типа транзисторов, а значит, и два основных вида легирования.
Пластина с будущими чипами на одной из стадий своего изготовления. Evan Lissoos
Если мы добавим точно рассчитанное количество электронодонорных элементов, например, мышьяка, сурьмы или фосфора, то можем создать область n-типа. Поскольку область пластины, на которую нанесены эти элементы, теперь имеет избыток электронов, она становится отрицательно заряженной.
Отсюда, к слову, и взялось название этого типа проводимости (n — negative, поскольку электроны имеют отрицательный заряд) и буква «n» в nMOS. Добавляя же на кремний примесь из акцепторных элементов, таких как бор, индий или галлий, мы можем создавать область p-типа, заряженную положительно.
Отсюда, соответственно, буква «p» в p-типе и pMOS (p — positive, поскольку носителями заряда являются положительно заряженные «дырки»). Сам процесс легирования, добавления примесей к кремнию, выполняется, в основном, с помощью таких технологий как ионная имплантация и термодиффузия.
Их подробное рассмотрение несколько выходит за рамки данной статьи.
Теперь, когда мы можем управлять электропроводимостью отдельных частей кремниевой пластины, можно скомбинировать свойства нескольких областей для создания транзисторов.
Транзисторы, используемые в интегральных схемах и называющиеся MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors, полевой транзистор МОП-структуры, структуры «металл-оксид-проводник»), имеют четыре выхода.
Контролируемый нами ток течёт между истоком (Source) и стоком (Drain). Как правило, в n-канальном устройстве ток входит в сток и выходит из истока, а в p-канальном – из истока в сток.
Затвор (Gate) – это переключатель, используемый для включения и отключения транзистора. И наконец, у устройства есть выход корпуса или подложки транзистора (Body), функциональность которого не сильно затрагивает обсуждаемую нами тему.
Физическая структура инвертора на кремниевой основе. Области разных цветов имеют разные свойства проводимости. Обратите внимание, как разные кремниевые компоненты соответствуют схеме справа.
(A – вход; Y – выход; GND – земля; VDD – питание; p substrate – подложка p-типа; n well – карман n-типа; SiO2 – кремниевая основа пластины; polysilicon – поликремниевый слой; n+ diffusion – n-канал; p+ diffusion – p-канал; metal1 – первый слой металлизации)
Рассмотрение всех технических подробностей работы транзисторов и взаимодействия их отдельных областей хватит на целый курс колледжа, поэтому мы коснёмся только основ. Хорошая аналогия их работы – это разводной мост через реку.
Автомобили – электроны в транзисторе – хотят попасть с одного берега реки на другой, это исток и сток транзистора. Возьмём для примера nMOS-устройство: когда затвор не активен, «разводной мост» поднят и электроны не могут двигаться. Когда мы опускаем мост, то образуем дорогу над рекой и автомобили могут свободно перемещаться.
То же самое происходит в транзисторе. Включение затвора образует канал между истоком и стоком, позволяющий току течь.
Чтобы иметь возможность с высочайшей точностью располагать на кремнии разные p и n области, производители, например Intel и TSMC, используют процесс под названием фотолитография.
Это чрезвычайно сложный многоэтапный процесс и компании вкладывают миллиарды долларов в его усовершенствование для того, чтобы создавать более миниатюрные, быстрые и энергоэффективные транзисторы.
Представьте сверхточный принтер, с помощью которого наносятся различные рисунки для каждой области на кремнии.
Процесс изготовления транзисторов на чипе начинается с чистой кремниевой пластины. Она нагревается в печи для создания на поверхности пластины тонкого слоя диоксида кремния. Затем на диоксид кремния наносится светочувствительный полимер фоторезиста.
Экспонируя фоторезистивный слой светом определённых частот, мы можем вырезать его в тех областях, где хотим выполнить легирование. Этот этап литографии схож с тем, как принтеры наносят чернила на определённые области страницы, только в меньшем масштабе.
Пластина протравливается плавиковой кислотой для растворения диоксида кремния в тех местах, где был удалён фоторезист. Затем фоторезист полностью снимается, оставляя только вырезанный с помощью него слой SiO2. Теперь на пластину можно нанести легирующие ионы, которые имплантируются только в местах, где отсутствует диоксид кремния.
Схема основных этапов процесса фотолитографии.
1) Чистая кремниевая пластина (подложка); 2) Подготовка пластины: нанесение слоя диоксида кремния и слоя фоторезиста; 3) Экспонирование фоторезиста через шаблон (маску) для удаления его в местах будущего легирования; 4) Вытравливание плавиковой кислотой участков слоя диоксида кремния в местах будущего легирования; 5) Удаление фоторезиста и легирование подложки ионами мышьяка; 6) Имплантированные ионы образовали в подложке карман (n-well) с обратной подложке проводимостью в том месте, где отсутствовал диоксид кремния.
Этот процесс экспонирования, вытравливания и легирования повторяется десятки раз, слой за слоем выстраивая структуру полупроводника. После создания главного кремниевого слоя, поверх накладываются слои металлических проводников, с помощью которых создаются соединения между транзисторами. Чуть позже мы подробнее поговорим об этих соединениях и слоях металлизации.
Разумеется, производители чипов не выполняют эти процессы всякий раз для каждого транзистора. Для спроектированного чипа они создают маски-шаблоны для всех этапов изготовления всего чипа. Эти маски содержат местоположения каждого из миллиардов транзисторов на чипе. Несколько чипов группируются вместе и изготавливаются разом на одной пластине.
Готовая пластина нарезается на отдельные кристаллы, которые запаиваются в корпуса. В зависимости от размера чипа, на каждой пластине может размещаться сотни и более чипов. Обычно, чем более мощный производится чип, тем больше будет его кристалл, и тем меньше таких чипов производитель может получить с каждой пластины.
Казалось бы, нам просто нужно производить огромные супермощные чипы с сотнями ядер, но это невозможно.
В настоящее время самым серьёзным фактором, мешающим создавать всё более крупные чипы, являются дефекты в процессе производства.
Современные чипы содержат миллиарды транзисторов и если хотя бы одна часть одного транзистора повреждена, то можно выбрасывать весь чип. Увеличивая размер процессоров, мы увеличиваем и вероятность его брака.
Фактическую эффективность своих производственных процессов компании тщательно скрывают, но цифры в 70-90% считаются хорошим показателем. Компании обычно изготавливают чипы с некоторым запасом, потому что знают, что некоторые части могут не работать.
Например, Intel может спроектировать 8-ядерный чип, но продавать его как 6-ядерный, допуская, что один-два ядра могут оказаться браком. Как правило, чипы с необычно низким количеством дефектов отделяется от остальных для продажи по более высокой цене.
Такой подход известен как биннинг.
Одним из важнейших маркетинговых параметров, связанных с изготовлением чипов, является размер элементов. Например, Intel осваивает 10-нм технологический процесс, AMD использует для некоторых своих GPU 7-нанометровый, а TSMC начала работу над 5-нм техпроцессом.
Но что означают все эти числа? Размером элемента принято называть минимальное расстояние между стоком и истоком транзистора. По мере развития технологий мы стараемся уменьшать транзисторы, чтобы на одном чипе их помещалось всё больше.
А вместе с уменьшением транзистора, повышается и его скорость.
Смотря на эти числа, необходимо заметить, что некоторые компании могут основывать размер своего техпроцесса не на стандартном расстоянии, а на других величинах. Это значит, что разные техпроцессы у различных компаний могут на самом деле приводить к созданию транзисторов одинакового размера.
Кроме того, сами по себе транзисторы не обязательно должны быть одинаковы по размерам. Инженеры, по тем или иным причинам, могут сделать одни транзисторы крупнее, другие мельче. Мелкий транзистор будет быстрее, потому что на включение/отключение его затвора требуется меньше времени.
В то же время, мелкий транзистор не может управлять большим количеством выходов. И если какой-то элемент логики управляет чем-то энергоёмким, например выходным сигналом, то такой элемент придётся сделать намного большего размера.
Эти выходные транзисторы могут быть на порядки крупнее транзисторов внутренней логики.
Снимок кристалла современного процессора AMD Zen, состоящего из нескольких миллиардов транзисторов.
Однако проектирование и изготовление транзисторов – это лишь половина чипа. Нам необходимы проводники, чтобы соединить всё согласно схеме. Эти соединения создаются при помощи слоёв металлизации поверх транзисторов.
Представьте себе многоуровневую транспортную развязку с въездами, выездами с неё и массой пересекающихся дорог. Именно это и происходит внутри чипа, только в гораздо меньшем масштабе.
Количество металлических соединительных слоёв над транзисторами в каждом техпроцессе может быть разным. По мере уменьшения транзисторов, требуется всё больше слоёв проводников, чтобы выполнить все необходимые соединения.
Так, TMSC в своём 5-нм техпроцессе планирует использовать 15 слоёв металлизации. Представьте 15-уровневую вертикальную автомобильную развязку, и это даст вам представление о том, насколько сложна сеть проводников внутри чипа.
Ниже представлена фотография с микроскопа, где мы видим решётку, образованную семью слоями металлизации. Каждый слой плоский и по мере наслоения, увеличивается в толщине для снижения сопротивления.
Между слоями есть крошечные металлические цилиндрики, называемые перемычками, служащие для перехода на слой выше. Для уменьшения нежелательного ёмкостного сопротивления, направленность слоёв обычно чередуется.
Нечётные слои металлизации могут использоваться для образования горизонтальных соединений, а чётные – для вертикальных.
Понятно, что с таким количеством всех этих сигналов и проводников ни один человек в короткое время не справится, и на помощь приходят компьютерные программы, автоматически располагающие и соединяющие транзисторы.
В зависимости от сложности конструкции, программы даже могут преобразовывать функции высокоуровневого кода в физическое расположение каждого проводника и транзистора.
Как правило, разработчики позволяют компьютерам сгенерировать основную часть конструкции автоматически, а затем изучают и вручную оптимизируют отдельные критически важные части.
Когда компании хотят создать новый чип, они начинают процесс проектирования со стандартных ячеек, предоставляемых компанией-изготовителем чипов. Например, Intel или TSMC предоставляют разработчикам такие базовые части, как логические элементы или ячейки памяти.
Разработчики собирают из этих стандартных ячеек свой чип и отправляют схемы его слоя транзисторов и слоёв металлизации на завод, где необработанный кремний превращается в рабочий чип. На основе этих схем и создаются маски-шаблоны, используемые в описанном выше процессе изготовления.
Далее мы посмотрим, как выглядит процесс проектирования простейшего чипа.
Для начала перед нами стандартный инвертор. Заштрихованный зелёный прямоугольник сверху – это pMOS-транзистор, а прозрачный зелёный прямоугольный контур внизу – nMOS-транзистор.
Вертикальный красный проводник – это поликремниевый затвор, синие области – это первый слой металлизации, а сиреневые области – второй слой металлизации. Слева мы видим вход (A), справа – выход (Y).
А сверху и снизу – контакты питания (vdd) и заземления (gnd), выполненные на втором слое металлизации.
Скомбинировав несколько логических элементов, мы получили простой 1-битный арифметический модуль. Эта схема может складывать, вычитать и выполнять логические операции с двумя 1-битными данными. Главным образом вертикальные голубые заштрихованные проводники это третий слой металлизации. Укрупнения на их концах – это перемычки, соединяющие два слоя.
Наконец, собрав воедино множество ячеек и примерно 2000 транзисторов, мы получили простой 4-разрядный процессор с 8 байтами оперативной памяти на четырёх слоях металлизации.
Глядя, насколько он сложен, можно только представить, как трудно проектировать 64-разрядный процессор с мегабайтами кэш-памяти, несколькими ядрами и 20-ю с лишним ступенями конвейера команд (пайплайна).
С учетом, что современные высокопроизводительные процессоры состоят из более чем 5-10 миллиардов транзисторов и дюжины слоёв металлизации, можно без преувеличения сказать, что они буквально в миллионы раз сложнее нашего примера.
Нам теперь понятно, за что мы платим немалые деньги, покупая новый процессор, и почему AMD и Intel выводят на рынок новые процессоры не ежедневно.
Для того, чтобы новый чип прошёл путь от проекта до прилавка, обычно требуется 3-5 лет.
Это значит, что самые быстрые сегодняшние чипы – это технологии 3-5 летней давности, и что сегодняшние технологии мы ещё нескоро сможем увидеть на прилавках.
На этом мы закончим наше знакомство с технологией создания процессоров.
Сегодня мы узнали о физике транзисторов, как все их детали изготавливаются на кремниевой основе и как все они соединяются в работающий чип.
В четвёртой, заключительной части цикла мы покинем техническую сторону и обратим свой взгляд на современные тенденции в отрасли. Над чем сейчас работают учёные, чтобы сделать следующее поколение компьютеров ещё быстрее?
Также рекомендуем почитать:
Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3
Кроме транзисторов и сборок Дарлингтона есть еще один хороший способ рулить мощной постоянной нагрузкой — полевые МОП транзисторы.
Полевой транзистор работает подобно обычному транзистору — слабым сигналом на затворе управляем мощным потоком через канал.
Но, в отличии от биполярных транзисторов, тут управление идет не током, а напряжением.
 |
МОП (по буржуйски MOSFET) расшифровывается как Метал-Оксид-Полупроводник из этого сокращения становится понятна структура этого транзистора.
Если на пальцах, то в нем есть полупроводниковый канал который служит как бы одной обкладкой конденсатора и вторая обкладка — металлический электрод, расположенный через тонкий слой оксида кремния, который является диэлектриком.
Когда на затвор подают напряжение, то этот конденсатор заряжается, а электрическое поле затвора подтягивает к каналу заряды, в результате чего в канале возникают подвижные заряды, способные образовать электрический ток и сопротивление сток — исток резко падает.
Чем выше напряжение, тем больше зарядов и ниже сопротивление, в итоге, сопротивление может снизиться до мизерных значений — сотые доли ома, а если поднимать напряжение дальше, то произойдет пробой слоя оксида и транзистору хана.
Достоинство такого транзистора, по сравнению с биполярным очевидно — на затвор надо подавать напряжение, но так как там диэлектрик, то ток будет нулевым, а значит требуемая мощность на управление этим транзистором будет мизерной, по факту он потребляет только в момент переключения, когда идет заряд и разряд конденсатора.
Недостаток же вытекает из его емкостного свойства — наличие емкости на затворе требует большого зарядного тока при открытии. В теории, равного бесконечности на бесконечно малом промежутки времени. А если ток ограничить резистором, то конденсатор будет заряжаться медленно — от постоянной времени RC цепи никуда не денешься.
МОП Транзисторы бывают P и N канальные. Принцип у них один и тот же, разница лишь в полярности носителей тока в канале. Соответственно в разном направлении управляющего напряжения и включения в цепь.
Очень часто транзисторы делают в виде комплиментарных пар. То есть есть две модели с совершенно одиннаковыми характеристиками, но одна из них N, а другая P канальные. Маркировка у них, как правило, отличается на одну цифру.
 |
Нагрузка включается в цепь стока. Вообще, в теории, полевому транзистору совершенно без разницы что считать у него истоком, а что стоком — разницы между ними нет.
Но на практике есть, дело в том, что для улучшения характеристик исток и сток делают разной величины и конструкции плюс ко всему, в мощных полевиках часто есть обратный диод (его еще называют паразитным, т.к.
он образуется сам собой в силу особенности техпроцесса производства).
У меня самыми ходовыми МОП транзисторами являются IRF630 (n канальный) и IRF9630 (p канальный) в свое время я намутил их с полтора десятка каждого вида.
Обладая не сильно габаритным корпусом TO-92 этот транзистор может лихо протащить через себя до 9А. Сопротивление в открытом состоянии у него всего 0.35 Ома.
Впрочем, это довольно старый транзистор, сейчас уже есть вещи и покруче, например IRF7314, способный протащить те же 9А, но при этом он умещается в корпус SO8 — размером с тетрадную клеточку.
Одной из проблем состыковки MOSFET транзистора и микроконтроллера (или цифровой схемы) является то, что для полноценного открытия до полного насыщения этому транзистору надо вкатить на затвор довольно больше напряжение. Обычно это около 10 вольт, а МК может выдать максимум 5.
Тут вариантов три:
- На более мелких транзисторах сорудить цепочку, подающую питалово с высоковольтной цепи на затвор, чтобы прокачать его высоким напряжением
 |
 |
 |
Надо только не забывать, что есть драйверы верхнего и нижнего плеча (или совмещенные, полумостовые). Выбор драйвера зависит от схемы включения нагрузки и комутирующего транзистора. Если обратишь внимание, то увидишь что с драйвером и в верхнем и нижнем плече используются N канальные транзисторы. Просто у них лучше характеристики чем у P канальных.
Но тут возникает другая проблема. Для того, чтобы открыть N канальный транзистор в верхнем плече надо ему на затвор подать напряжение выше напряжения стока, а это, по сути дела, выше напряжения питания. Для этого в драйвере верхнего плеча используется накачка напряжения. Чем собственно и отличается драйвер нижнего плеча от драйвера верхнего плеча.
Но вообще, правильней все же ставить драйвер, ведь кроме основных функций формирования управляющих сигналов он в качестве дополнительной фенечки обеспечивает и токовую защиту, защиту от пробоя, перенапряжения, оптимизирует скорость открытия на максимум, в общем, жрет свой ток не напрасно.
Выбор транзистора тоже не очень сложен, особенно если не заморачиваться на предельные режимы. В первую очередь тебя должно волновать значение тока стока — I Drain или ID выбираешь транзистор по максимальному току для твоей нагрузки, лучше с запасом процентов так на 10.
Следующий важный для тебя параметр это VGS — напряжение насыщения Исток-Затвор или, проще говоря, управляющее напряжение. Иногда его пишут, но чаще приходится выглядывать из графиков.
Ищешь график выходной характеристики Зависимость ID от VDS при разных значениях VGS. И прикидыываешь какой у тебя будет режим.
Вот, например, надо тебе запитать двигатель на 12 вольт, с током 8А. На драйвер пожмотился и имеешь только 5 вольтовый управляющий сигнал. Первое что пришло на ум после этой статьи — IRF630. По току подходит с запасом 9А против требуемых 8. Но глянем на выходную характеристику:
 |
Видишь, на 5 вольтах на затворе и токе в 8А падение напряжения на транзисторе составит около 4.5В По закону Ома тогда выходит, что сопротивление этого транзистора в данный момент 4.5/8=0.56Ом.
А теперь посчитаем потери мощности — твой движок жрет 5А. P=I*U или, если применить тот же закон Ома, P=I2R. При 8 амперах и 0.56Оме потери составят 35Вт. Больно дофига, не кажется? Вот и мне тоже кажется что слишком.
Посмотрим тогда на IRL630.
При 8 амперах и 5 вольтах на Gate напряжение на транзисторе составит около 3 вольт. Что даст нам 0.37Ом и 23Вт потерь, что заметно меньше.
 |
Если собираешься загнать на этот ключ ШИМ, то надо поинтересоваться временем открытия и закрытия транзистора, выбрать наибольшее и относительно времени посчитать предельную частоту на которую он способен.
Зовется эта величина Switch Delay или ton,toff, в общем, как то так. Ну, а частота это 1/t.
Также не лишней будет посмотреть на емкость затвора Ciss исходя из нее, а также ограничительного резистора в затворной цепи, можно рассчитать постоянную времени заряда затворной RC цепи и прикинуть быстродействие.
Если постоянная времени будет больше чем период ШИМ, то транзистор будет не открыватся/закрываться, а повиснет в некотором промежуточном состоянии, так как напряжение на его затворе будет проинтегрировано этой RC цепью в постоянное напряжение.
При обращении с этими транзисторами учитывай тот факт, что статического электричества они боятся не просто сильно, а ОЧЕНЬ СИЛЬНО. Пробить затвор статическим зарядом более чем реально. Так что как купил, сразу же в фольгу и не доставай пока не будешь запаивать. Предварительно заземлись за батарею и надень шапочку из фольги :).
А в процессе проектирования схемы запомни еще одно простое правило — ни в коем случае нельзя оставлять висеть затвор полевика просто так — иначе он нажрет помех из воздуха и сам откроется.
Поэтому обязательно надо поставить резистор килоом на 10 от Gate до GND для N канального или на +V для P канального, чтобы паразитный заряд стекал.
Вот вроде бы все, в следующий раз накатаю про мостовые схемы для управления движков.
Управление SiC-транзисторами. Часть 1
Использование карбид-кремниевых МОП-транзисторов (SiC-транзисторов) в высоковольтных импульсных приложениях дает целый ряд важных преимуществ по сравнению с использованием традиционных кремниевых МОП-транзисторов (MOSFET) и БТИЗ (IGBT).
Коммутация высоковольтных шин с напряжением более 1000 В и с частотой в несколько сотен кГц является нетривиальной задачей, которая лежит за пределами возможностей даже самых лучших кремниевых МОП-транзисторов. Для таких приложений могут быть использованы кремниевые БТИЗ, но из-за токовых хвостов и медленных выключений их рабочая частота оказывается достаточно низкой.
В результате кремниевые МОП-транзисторы остаются предпочтительным вариантом для систем с низким рабочим напряжением и высокой частотой коммутаций, в то время как БТИЗ лучше подходят для высоковольтных и низкочастотных приложений с большими рабочими токами. SiC-транзисторы обладают высоким рабочим напряжением, высокой частотой переключений и низким уровнем потерь.
Эти управляемые напряжением полевые транзисторы обеспечивают коммутацию высоких напряжений на уровне IGBT с частотой переключений, превышающей частоту кремниевых MOSFET.
SiC-транзисторы предъявляют особые требования к драйверам затвора. Как правило, для обеспечения низкого сопротивления канала транзистора в открытом состоянии необходим драйвер, способный формировать управляющее напряжение 20 В.
По сравнению с кремниевыми аналогами SiC-транзисторы демонстрируют меньшую крутизну передаточной характеристики, более высокое внутреннее сопротивление затвора, а их пороговое напряжение может быть менее 2 В. В результате для надежного запирания такого транзистора на его затвор необходимо подавать отрицательное напряжение (обычно -5 В).
Тщательное проектирование и оптимизация схемы управления затвором оказывает прямое влияние на надежность и общую эффективность работы транзистора.
В данном руководстве рассматриваются характеристики SiC-транзисторов, описываются основные требования к драйверу затвора, позволяющие обеспечить максимальную эффективность коммутаций. Кроме того, в руководстве обсуждаются некоторые вопросы системного уровня, такие как особенности процесса запуска, защита от сбоев и коммутация в установившемся состоянии.
Введение
Карбид кремния (SiC) является одним из представителей полупроводниковых материалов, обладающих широкой запрещенной зоной (wide bandgap, WBG) и используемых для изготовления дискретных силовых компонентов. Как показано в таблице 1, обычные кремниевые МОП-транзисторы имеют ширину запрещенной зоны 1,12 эВ, в то время как ширина запрещенной зоны для SiC-транзисторов составляет 3,26 эВ.
Таблица 1. Свойства полупроводниковых материалов
| Параметр | Si | 4H−SiC | GaN |
| Ширина запрещенной зоны, эВ | 1,12 | 3,26 | 3,5 |
| Подвижность электронов, см2/В·с | 1400 | 900 | 1250 |
| Подвижность дырок, см2/В·с | 600 | 100 | 200 |
| Электрическая прочность, МВ/см | 0,3 | 3 | 3 |
| Теплопроводность, Вт/см·С | 1,5 | 4,9 | 1,3 |
| Предельная температура перехода, °C | 150 | 600 | 400 |
Большая ширина запрещенной зоны, характерная для карбида кремния и нитрида галлия (GaN), приводит к тому, что для перемещения электронов из валентной зоны в зону проводимости потребуется примерно в 3 раза больше энергии, чем в случае с кремнием. В результате такие материалы ведут себя скорее как диэлектрики, а не как проводники.
В то же время, широкозонные полупроводники способны выдерживать намного более высокие напряжения пробоя, так как для них электрическая прочность оказывается в 10 раз выше, чем у кремния.
Увеличение электрической прочности позволяет уменьшить толщину кристалла при сохранении того же рейтинга напряжения, что приводит к снижению сопротивления и увеличению нагрузочной способности.
Подвижность носителей в SiC и GaN оказывается сопоставимой с подвижностью носителей в кремнии, что определяет отличные высокочастотные характеристики этих материалов.
Однако важнейшим преимуществом SiC является его теплопроводность, которая более чем в 3 раза превышает аналогичный показатель для кремния и нитрида галлия. Высокая теплопроводность приводит к снижению перегрева при том же уровне рассеиваемой мощности.
Гарантированная максимальная рабочая температура для присутствующих на рынке SiC-транзисторов составляет 150 °C
Защита силового транзистора.Часть 2. Перегрев
Начало статьи.
О перенапряжении было сказано, теперь настал черед перегрева. А более никаких причин выхода из строя IGBT и MOSFET не бывает. При этом перегрев является общим понятием. Можно выделить три причины, его вызывающие:
- внешние факторы (например, перегрев в отсеке, ослабление винтов, крепящих модуль к радиатору, и т. д.);
- длительная перегрузка по среднему току;
- кратковременная сильная токовая перегрузка (КЗ в нагрузке).
Безусловно, нельзя провести какую-либо четкую границу между кратковременной и длительной перегрузками, а также между током КЗ и, к примеру, средним током, в пять (всего лишь) раз превышающим предельно допустимый средний ток для данного транзистора, но, тем не менее, это причины разные и защищаться от них следует также по-разному.
Защита от внешних факторов
Собственно перегрев, вызванный внешними факторами, — довольно частое явление, и способ борьбы с ним всегда один: температурная защита, основанная на показаниях датчика температуры. Вопросы здесь в том, где надо поставить датчик и на какую температуру настроить срабатывание защиты.
Оптимальным считается вариант установки датчика температуры непосредственно около кристалла или корпуса транзистора, желательно на общем керамическом основании. Но в покупных силовых модулях, разумеется, установить датчик таким образом не получится. Самая ближайшая доступная точка — радиатор модуля или силовые шины.
При этом на токах в сотни ампер и выше самой греющейся точкой, как правило, являются выводы силовых шин, но здесь температура очень сильно зависит от качества соединения силовой шины модуля с внешней силовой шиной, а потому такое крепление получается недопустимо «плавающим».
Если же датчик не получается поставить даже на радиатор, то его надо прикрепить хотя бы на охладителе, в непосредственной близости к модулю и желательно не на пути воздушных потоков.
Также, по возможности, датчик следует припаивать или хотя бы прикручивать, так как крепление через теплопроводную пасту или клей резко снижает эффективность и, главное, быстродействие защиты.
Основная проблема с температурной защитой в том, что она очень инерционна; тепловые сопротивления всех переходов могут привести к выходу транзистора из строя даже при очень медленном нагреве; датчик попросту не нагреется настолько, чтобы защита сработала.
А потому, по возможности, температуру срабатывания защиты следует настраивать ниже максимальной.
Если собственную защиту модулей (встроенный терморезистор) рекомендуется включать при +100 °С, то при установке датчика на радиаторе ее надо понизить на 10 °С; если датчик будет располагаться около модуля на охладителе — еще на 10–15 °С, а если вдали от модуля, то еще на 5–10 °С. Как показывает практика, предельная рабочая температура на кристалле возникает приблизительно при температуре охладителя порядка +70, реже — +80 °С (для модулей с низким тепловым сопротивлением).
Но мало отключить модуль при перегреве, его надо еще и включить при снижении температуры до приемлемого значения. В величине этого гистерезиса нередко кроется причина выходов из строя.
Например, если рабочая температура радиатора +70 °С, кристалла — +100 °С и охладитель разогрелся до +80 °С, а температура на кристалле при этом стала +140 °С, срабатывает защита, и модуль вместе с охладителем начинают остывать.
Ввиду наличия существенного теплового сопротивления охладитель остывает быстрее модуля, поэтому при достижении температуры охладителем +70 °С (когда температурная защита отключится и вновь запустит модуль) температура кристалла не снизилась до +100 °С, как ранее, а стала, например, +110 °С.
Далее опять нагрев (теперь уже из-за инерционности при срабатывании защиты), температура кристалла становится равной +150 °С, снова остывание, но уже до +120 °С, опять нагрев и т. д., вплоть до момента выхода из строя. Таким образом, ступенчато транзистор разогревается все больше и больше, пока не сгорит.
И такие случаи встречались. Бороться с этим явлением можно увеличением гистерезиса: чем дальше датчик температуры от кристалла транзистора, тем больший гистерезис должен быть у защиты.
Производители модулей со встроенным термодатчиком могут позволить себе гистерезис в 10 °С, инерционность позволяет, но если датчик внешний, а тем более стоит на некотором удалении от модуля, то гистерезис должен составлять никак не менее 30 °С, чтобы система успела прийти к начальному тепловому равновесию перед следующим циклом. Эта небольшая настройка может существенно помочь при возникновении постоянного перегрева силового транзистора.
Защита от перегрузки по среднему току
Перегрузка по среднему току, в общем-то, даже и не аварийная ситуация, а вполне штатный, пусть и относительно кратковременный, режим работы силового ключа. Такая перегрузка может возникнуть, например, при запуске двигателя, при накачке выходной емкости преобразователя, при запуске ламп, обогревателей и т. д.
Но то, что данный режим встречается довольно часто, требует особенно тщательного подхода к защите по среднему току.
В простейшем случае в качестве токовой защиты может быть использована та же термозащита, но это если только нагрузка транзистора очень инерционна; задержка срабатывания термозащиты может исчисляться минутами или, в лучшем случае, десятками секунд, а это, в подавляющем большинстве применений, недопустимо долго.
Защита по среднему току — это всегда модуляция начального сигнала управления.
Она может быть осуществлена самой схемой управления, например путем увеличения скважности; сигнал, задаваемый внешней схемой управления, может быть промодулирован сигналом с заданной частотой и меняющейся скважностью (так ограничивается ток в схемах, где сравнивается сигнал усилителя тока с пилообразным напряжением генератора) или произвольным ШИМ-сигналом, если защита реализована на обратной связи. Характеристики ограничения тоже могут быть различными: снижение тока относительно допустимого, ограничение на уровне допустимого и т. п. Но суть от этого не меняется: это всегда ШИМ с целью снизить протекающий через ключ ток относительно текущей потребности нагрузки. К ШИМ, в свою очередь, предъявляется только одно требование: его несущая частота ни в коем случае не должна превышать максимальной частоты коммутации для данного транзистора. И даже более того, она должна быть относительно низкой.
Смысл снижения несущей частоты состоит в снижении динамических потерь: ведь, в конце концов, задача состоит в недопущении перегрева, а если частота включения/выключения будет недопустимо большой, то транзистор на динамических потерях может разогреться больше, чем на статических.
Но тут есть оборотная сторона медали: чтобы ограничить ток на установленном уровне, а не просто «завалить» его, при снижении частоты необходимо увеличивать задержку срабатывания защиты, а это чревато выходом из строя.
В свое время было проведено множество экспериментов (в них пострадал не один десяток транзисторов), результатом которых стал подбор наиболее приемлемых частот и задержек: при полуторакратном увеличении тока, потребляемого нагрузкой, задержка срабатывания защиты должна составлять 100+50 мкс (в пределе 30–300 мкс), а несущая частота должна быть 1–10 кГц.
И еще один момент. Зачастую разработчик, во избежание установки дополнительных элементов схемы, измеряет средний ток не по показаниям шунта, измерительного трансформатора или иного токового датчика, а по падению напряжения на транзисторе.
Такой способ если и имеет право на существование, то только для MOSFET, поскольку полевые транзисторы имеют более или менее линейную зависимость падения напряжения на переходе сток-исток от тока стока.
Причем и в этом случае данный способ слишком приблизительный, тем более если учитывать изменение температуры.
А уж для IGBT он и вовсе неприемлем, так как здесь более или менее внятно читаемая зависимость практически отсутствует, а на температуре разброс измеренного значения станет совсем неприличным. Для определения среднего тока лучше все-таки использовать средства измерения, для того и предназначенные.
Защита от КЗ в нагрузке
Один из самых опасных режимов работы силового транзистора — короткое замыкание в нагрузке.
При этом под КЗ подразумевается не только ситуация, когда возникает чисто механическое замыкание, но и, в общем-то, штатные режимы, такие как запуск двигателя (пусковой ток, ограниченный только активным сопротивлением обмоток) или даже его реверс, если он осуществляется противовключением, накачка емкости (также в начальный момент активное сопротивление пренебрежимо мало), подключение различного рода нагревательных элементов и т. д., и т. п. Такой режим работы всегда характеризуется выходом транзистора из состояния насыщения; все напряжение питания или его существенная часть падает на переходе коллектор-эмиттер.
К счастью, современные транзисторы, пусть и кратковременно, не дольше 10–20 мкс, но устойчивы к КЗ, а значит, у схемы защиты есть время «понять», что возникла перегрузка, и безопасно выключить управляемый транзистор.
Гораздо опасней даже не само КЗ, а выключение транзистора в режиме КЗ, поскольку при этом обратный индуктивный выброс может быть такой мощности, что никакие штатные схемы защиты от перенапряжения не справятся. Выход здесь только один: плавное («мягкое») аварийное выключение, и плох тот драйвер, у которого нет такой функции.
Плавное выключение должно быть обязательно, его длительность должна выбираться таким образом, чтобы в сумме задержка срабатывания защиты по ненасыщению и длительность управляющего сигнала выключения до уровня 0 В составляли не более 10 мкс; совсем в крайнем случае и только при острой необходимости — до 15 мкс, но никак не больше.
При этом длительность заднего фронта (опять же, до уровня 0 В) должна составлять 2–10 мкс, а оптимально 3–7 мкс, и чем больше индуктивность нагрузки, тем, разумеется, должно быть дольше выключение.
Далее возникает ряд вопросов: при каком падении напряжения коллектор-эмиттер следует выключать транзистор, через какое время его можно перезапустить и сколько времени разрешать ему работать в режиме КЗ. Ответ на последний вопрос вытекает из предыдущего абзаца: задержка срабатывания защиты по ненасыщению должна составлять 1–10 мкс, при этом чем мощнее транзистор, тем больше может быть это время.
К длительности задержки срабатывания защиты, казалось бы, привязано напряжение срабатывания той же защиты: чем меньше напряжение выключения, тем дольше можно разрешать работу транзистора. Но это очень вредное заблуждение.
Если возникает КЗ или ситуация, на то похожая, то на транзисторе упадет напряжение как минимум в десятки вольт, а то и сотни; здесь не имеет значения, настроена ли защита на 3 или на 10 В, транзистор все равно нужно как можно быстрее выключить.
Исключение составляет разве что такое использование защиты по ненасыщению (к слову сказать, равно как и сигнала с шунта или иного датчика тока), когда отслеживается относительно небольшое увеличение падения напряжения, например при определении перекоса при работе транзисторов в двухтактной схеме раскачки трансформатора; здесь можно увеличить задержку, но все равно остается риск, что так можно «прошляпить» КЗ. По этому поводу примечательны настройки защиты для высоковольтных транзисторов: здесь напряжение срабатывания защиты составляет десятки, а то и сотни вольт (во избежание ложных срабатываний при включении транзистора, когда в совершенно обычном режиме работы на транзисторе в течение нескольких микросекунд могут падать многие десятки вольт), но задержки срабатывания так и остаются на уровне нескольких микросекунд. Показательно.
По поводу периода перезапуска следует сказать, что он напрямую зависит от рассеиваемой транзистором импульсной мощности в моменты включения. И, кстати, в данном контексте речь идет именно о перезапуске; никакой ШИМ при работе транзистора на КЗ быть не должно.
При этом повышенное падение напряжения в расчет не берем, поскольку тогда надо делать расчеты конкретно под значение этого самого падения.
В режиме чистого КЗ, как правило, предельный режим — это скважность 300 (для транзисторов до 1700 В), но это уже совсем на грани, надо придерживаться скважности не менее 500, а еще лучше 1000. Все, что больше 1000, уже не имеет значения.
Можно перезапускать транзистор пачками импульсов, например пять импульсов с периодом следования 100 мкс через 10 мс; но это опять дело каждого конкретного случая и конкретной задачи.
Для режима КЗ существует небольшая хитрость, которая используется довольно-таки редко, но зачастую просто спасает ситуацию. Это работа транзистора на относительно низком напряжении управления.
Смысл в том, что в зависимости от приложенного к затвору напряжения максимальный ток коллектора меняется, и если снизить напряжение управления, то снизится и падающий на переходе коллектор-эмиттер ток, что проистекает из ВАХ любого транзистора с полевым управлением, при этом само падение напряжения останется тем же (напряжение питания для режима КЗ). Например, при питании 600 В при напряжении на затворе 15 В транзистор способен пропустить 1000 А, значит, мощность, падающая на транзисторе, будет составлять 600 кВт. При напряжении 9 В транзистор пропускает не более 200 А, значит, мощность уменьшится до 120 кВт. Отсюда меньший перегрев, возможность более частого перезапуска, а также снижение в индуктивности нагрузки запасенной мощности, т. е. значительное ослабление обратного индуктивного выброса. И хотя реализовать этот способ схемно (к примеру, 9 В для КЗ и 15 В при штатном режиме работы) довольно сложно, можно просто сделать постоянное пониженное напряжение управления, тогда при работе на штатную нагрузку статические потери увеличатся приблизительно на 20%, зато значительно повысится надежность в режиме КЗ, что может сильно упростить жизнь при работе на нагрузку, где КЗ — не редкость.
* * *
В заключение отметим, что работать с защитой по току в некотором смысле даже проще, чем с защитой по напряжению. Бесспорно, схемная реализация токовых защит куда как сложней.
Но силовой транзистор позволяет «подумать» схеме управления, когда речь идет о токе, а если есть время «подумать», то решить задачу проще, нежели чем быстро-быстро, как в случае с защитами от перенапряжения.
Впрочем, это дело вкуса, ведь, как ни крути, защищать транзистор надо и от того, и от этого.