ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH

Transkrypt

1 Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH Piotr Grzejszczak Mieczysław Nowak P W Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej 2015

2 Wiadomości ogólne Tranzystor MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Tranzystor unipolarny (jeden nośnik ładunku) Struktury mikrokomórkowe Z kanałem typu P i typu N Elektrody główne (dren D; źródło S; bramka - G) Sterowanie napięciowe (polem elektrycznym): Historia: Krótkie czasy przełączeń Sterowniki małej mocy Lata 70 struktury niskonapięciowe (200V, 200A) Lata 90 tranzystory typu CoolMOS 2010 tranzystory w technologii SiC 2/20

3 Wiadomości ogólne cd. Podstawowe właściwości: Sterowanie napięciem UGS =±15V Rezystancja kanału rzędu miliomów Możliwość przewodzenia prądu w dwóch kierunkach Spadek napięcia U CE =1-3V Budowa: Budowa mikrokomórkowa Izolowana bramka z tlenku krzemu (SiO) (decyduje o wytrzymałości napięciowej) 3/20

4 Zasada działania MOSFET Budowa tranzystora dla dodatniej polaryzacji złącza bramka-źródło Szeroka warstwa N dla łączników wysokonapięciowych Technologia Trench Krótszy kanał Zmniejszenie rezystancji Początkowo tylko w łącznikach niskonapięciowych 4/20

5 Podział i Zastosowanie Rodzaje struktur półprzewodnikowych: LDMOS VDMOS HEXFET Trench CoolMOS Tranzystory niskonapięciowe <200V Tranzystory wysokonapięciowe >500V Tranzystory mocy Tranzystory sygnałowe (ukł. cyfrowe, pamięci) Tranzystory wysokiej częst. 5/20

6 Technologia super-złącza (CoolMOS) Porównanie struktur MOSFET: klasycznej CoolMOS Rozkład natężenia pola elektrycznego Rezystancja kanału w funkcji napięcia (dla tranzystorów MOSFET: Klasycznych, CoolMOS), 6/20

7 Właściwości statyczne MOSFET Charakterystyka wyjściowa (analogiczna do tranzystora BJT) Charakterystyka przejściowa (sterowania) 7/20

8 J. Lutz et al., Semiconductor Power Devices, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011 Schemat zastępczy MOSFET Elementy pasożytnicze struktury MOS - pojemności złączowe - rezystancja kanału - dioda podłożowa (zwrotna) - tranzystor bipolarny 8/20

9 Właściwości dynamiczne MOSFET Wpływ pojemności złączowych Pojemność wejściowa Pojemność wyjściowa Pojemność sprzężenia zwrotnego Nieliniowość pojemności Indukcyjności pasożytnicze 9/20

10 Procesy łączeniowe MOSFET Schemat obwodowy do badania procesów łączeniowych 10/20

11 Załączanie tranzystora MOSFET 1) Ładowanie pojemności wejściowej C iss 2) Narastanie prądu drenu I D w kanale 3) Opadanie napięcia U DS napięcie u GS pozostaje stałe (C rss wzrasta) 4) Wzrost napięcia u GS do poziomu napięcia sterowania U st 11/20

12 Załączanie tranzystora MOSFET 1) Rozładowywanie pojemności wejściowej C iss 2) Proces powolnego wzrostu napięcia (duża pojemność wyjściowa C oss ) napięcie u GS pozostaje niezmienne 3) Dalszy szybki wzrost napięcia U DS 4) Zmniejszanie się wartości prądu drenu I D i dalsze rozładowywanie pojemności C iss 12/20

13 Obszar bezpiecznej pracy - SOA Parametry prądowe MOSFET: Obciążalność prądowa (ciągły prąd drenu I D ) Przeciążalność prądowa (max. impuls prądu drenu I DM ) SOA Prąd w stanie blokowania I D0 (wartości pomijalnie małe) Prąd upływu bramki I GSS (wartości rzędu nanoamperów) 13/20

14 Wytrzymałość napięciowa MOSFET Parametry napięciowe MOSFET: Znamionowa wartość napięcia U DS (równa napięciu przebicia tranzystora) Wytrzymałość napięciowa warstwy izolującej bramkę (około dwukrotnie wyższa niż w katalogu) Napięcie progowe tranzystora U GS(th) 14/20

15 J. Lutz et al., Semiconductor Power Devices, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011 Rezystancja kanału MOSFET Zależność od temperatury złącza (dodatni współczynnik temp.) 15/20

16 Napięcie progowe Charakterystyka przejścia I D = f (u GS ) Zależność charakterystyki od temperatury złącza T j Transkonduktancja g fs (wzmocnienie prądowo-napięciowe) 16/20

17 Parametry dynamiczne MOSFET cd. Ładunek bramki I D = f (u GS ) Parametry czasowe: Czas opóźnienia t d(on) Czas narastania t r Czas opóźnienia przy wyłączaniu t d(off) Czas opadania t f 17/20

18 Parametry dynamiczne MOSFET cd. Teoretyczna częstotliwość pracy tranzystorów MOSFET: - Ograniczenia fizyczne (materiałowe) - Czas przejścia elektronu, długość kanału f t 10 GHz - Ograniczenia obwodu zastępczego - Pasożytnicza pojemność, rezystancja bramki f t 10 MHz - Układy rzeczywiste obciążenie rezystancyjne - Pasożytnicze pojemności i indukcyjności obwodu, rzeczywiste czasy t on, t off f t 2 MHz 18/20

19 Parametry diod strukturalnych MOSFET Parametry diody: Ciągły prąd diody I F Maksymalny prąd diody I FM Maksymalny prąd wsteczny diody I RRM Napięcie przewodzenia I F (U F ) - charakterystyka Czas odzyskiwania zdolności zaworowych t rr Ładunek wsteczny Q rr 19/20

20 Dziękuję za uwagę 20/20