Elementy elektroniczne dużej mocy

Święty Graal i szybkość tranzystorów

Na początku, w latach 50., gdy pojawiały się pierwsze tranzystory, konstruktorzy urządzeń analizowali, w jakich zastosowaniach dostępne wtedy tranzystory mogą zastąpić lampy elektronowe oraz czy dostępne tranzystory dałoby się wykorzystać w zupełnie nowych urządzeniach, których nie można zbudować na prądożernych i niewygodnych, dużych lampach.

Z upływem czasu naukowcy i wytwórcy półprzewodników opracowywali coraz to lepsze technologie produkcji, co dawało lepsze tranzystory. Na rynku pojawiały się nowe, w tym szybsze i potężniejsze tranzystory. Szybko okazało się, że nie można zrealizować tranzystorów uniwersalnych „do wszystkiego”. Wprowadzano na rynek tranzystory optymalizowane i przeznaczone do konkretnych, ściśle określonych zastosowań. W wielu z nich potrzebne były jak najszybsze tranzystory mocy. Tu należy podkreślić, że w jednych zastosowaniach tranzystory takie miały pracować w trybie liniowym jako wzmacniacze sygnałów w.cz., a w innych jako jak najszybsze klucze – przełączniki załącz/wyłącz. Między innymi pojawiły się tranzystory bipolarne, pracujące przy częstotliwościach ponad 1000 MHz. Jednak w przypadku większych napięć i większych mocy możliwości koncepcji i technologii bipolarnych się wyczerpały. Szczególnie w przypadku bipolarnych tranzystorów przełączających, gdzie kluczowym problemem jest zachowanie nośników prądu w obszarze bazy podczas wyłączania. Nie ulegało wątpliwości, że trzeba odejść od tranzystorów bipolarnych, które okazały się ślepą uliczką i wrócić do polowych. Szybko okazało się, że na pozór bliskie ideału MOSFET-y też mają poważne wady, jeżeli mają pracować jako bardzo szybkie przełączniki przy dużych prądach i napięciach. A w ciągu ostatnich lat gwałtownie rośnie zapotrzebowanie na coraz szybsze tranzystory przełączające dużej mocy, głównie do wszelkiego rodzaju impulsowych zasilaczy dołączonych do sieci 230 V.

Czymś bardzo pożądanym, świętym Graalem elektroniki jest dziś bardzo szybki przełącznik – klucz dużej mocy.

W zakresie niskich napięć do 100 V potrzeby zaspokajają klasyczne krzemowe MOSFET-y. Obiektem poszukiwań są jak najszybsze przełączniki – klucze wysokonapięciowe. Moduły IGBT są do tego celu zbyt powolne z uwagi na tzw. ogon prądowy (current tail) podczas wyłączania. Wysokonapięciowe krzemowe MOSFET-y okazują się mocno niedoskonałe, bowiem najprościej biorąc: wysokie napięcie pracy wymusza znaczną grubość struktur i tym zwiększa rezystancję w stanie otwarcia. Wprawdzie rezystancję RDSon można dowolnie zmniejszyć, zwiększając powierzchnię struktury, ale wtedy rosną nieuniknione pojemności, co mocno utrudnia szybkie przełączanie i powoduje duże straty dynamiczne.

Aby uzyskać bardzo szybkie wysokonapięciowe tranzystory przełączające, trzeba było szukać innych rozwiązań, które co ciekawe, wcześniej zastosowano w liniowych wzmacniaczach w.cz. Dlatego choć liniowe wzmacniacze w.cz. dużej mocy to specyficzny i wąski zakres zastosowań, trzeba się z nimi zapoznać, ponieważ wyznaczyły one drogę do świętego Graala współczesnej elektroniki – do szybkiego przełącznika wysokonapięciowego.