Elementy i Układy Sterowania Mocą

Transkrypt

1 Elementy i Układy Sterowania Mocą Prof. Zbigniew Lisik Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych pokój: zbigniew.lisik@p.lodz.pl wykład 15 godz. laboratorium 15 godz.

2 Materiały półprzewodnikowe Podstawowe półprzewodniki: Si - krzem Ge - german GaN - azotek galu GaAs - arsenek galu SiC - węglik krzemu 2

3 Krzem (T=0K) Si Si Si Si Si Si Si Si Si Model pasmowy: Si Si Si Si W C Si Si Si Si W g W V

4 Krzem (T>0K) Si Si Si Si Generacja pary dziura-elektron Si Si Si Si Model pasmowy: Si Si Si Si W C Si Si Si Si W V

5 Krzem domieszkowany Si Si Si Si Ga akceptor Si Ga - Si Si As donor Si Si Si Si W C W D Si Si As + Si W A W V

6 Koncentracja nośników Bilans ładunku: n d + N a + n T = p T + N d + p a n 0 + N A = p 0 + N d Typy półprzewodników: N a > N d p p0 > n p0 typ p N a < N d p n0 < n n0 typ n N a = N d p 0 = n 0 = n i typ i

7 Koncentracja nośników Typ n ln n 0 ln p 0 n 0 n i W C W D T s p 0 T i T W V T s temperatura wyczerpania stanów T i temperatura przejścia w stan samoistny n 0 = n d + n T p 0 = p T n0p0 n 2 i

8 Koncentracja nośników Typ n ln n 0 ln p 0 n 0 n i ρ p 0 T T s T s temperatura wyczerpania stanów T i T i temperatura przejścia w stan samoistny T s ρ ~ (n 0 + p 0 ) ρ rezystywność T i T

9 Ograniczenia termiczne Jeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być zgodne z danymi katalogowymi, koncentracja nośników większościowych nie może się istotnie zmieniać Warunek 1: jest to prawdziwe kiedy T min nie mniejsze od T s. Dla Si T min -50 C Obszar zalecany ln n 0 ln p 0 n 0 n i T s p 0 T i T

10 Ograniczenia termiczne Jeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być zgodne z danymi katalogowymi, koncentracja nośników większościowych nie może się istotnie zmieniać Warunek 2: jest prawdziwe kiedy T max mniejsze niż T i. Dla Si T max < 400 C Obszar zalecany ln n 0 ln p 0 n 0 n i T s p 0 T i T

11 Ograniczenia termiczne Jeżeli parametry przyrządu półprzewodnikowego mają być zgodne z danymi katalogowymi, koncentracja nośników większościowych nie może się istotnie zmieniać Warunek 3: jest prawdziwy kiedy T max nie powoduje wzrostu n 0. Typowe obszary definiowane w katalogach dla przyrządów krzemowych: Obszar zalecany Zakres [ C] Komercyjny 0 70 ln n 0 ln p 0 n 0 Przemysłowy n i Przemysłowy rozszerzony Militarny T s p 0 T i T

12 Ograniczenia termiczne Sznurowanie prądu hot spot Jeżeli T jest wewnątrz <T s,t i >, występuje ujemne cieplne sprzężenie zwrotne: pastylka krzemowa J Obszar bezpieczny Q T T i ρ Prąd jest wypychany z obszaru cieplejszego i maleje lokalne rozpraszanie ciepła T s T i T

13 Ograniczenia termiczne Sznurowanie prądu hot spot Jeżeli T jest wewnątrz <T s,t i >, występuje ujemne cieplne sprzężenie zwrotne: pastylka krzemowa J Obszar bezpieczny Q T ρ Prąd jest wypychany z obszaru cieplejszego i maleje lokalne rozpraszanie ciepła T s T i T

14 Ograniczenia termiczne Sznurowanie prądu hot spot Jeżeli T jest poza <Ts,Ti>, występuje dodatnie cieplne sprzężenie zwrotne: pastylka krzemowa J Obszar bezpieczny Q T T i ρ Prąd jest ściągany do obszaru cieplejszego i rośnie lokalne rozpraszanie ciepła T s T i T

15 Ograniczenia termiczne Sznurowanie prądu hot spot Jeżeli T jest poza <Ts,Ti>, występuje dodatnie cieplne sprzężenie zwrotne: pastylka krzemowa J Obszar bezpieczny Q T ρ Prąd jest ściągany do obszaru cieplejszego i rośnie lokalne rozpraszanie ciepła T s T i T

16 Koncentracja nośników Koncentracje równowagowe: n 0, p 0 h Dn W C Koncentracje nierównowagowe: n = n 0 + Dn p = p 0 + Dp Koncentracje nadmiarowe: Dn, Dp Dp zwykle: Dn = Dp W V

17 Rekombinacja Szybkość rekombinacji: R - dn dt - ddn dt Δn τ h g R W C Dn 0 Dn g=0 W V n = n 0 + Dn t Dn = Dn 0 exp (-t/ ) - czas życia

18 Prąd unoszenia elektrony v ue = m n E J ue = qnv ue = qnm n E n (-q) E W C dziury v uh = m p E J uh = qpv uh = qpm p E p (q) W V E natężenie pola elektrycznego µ - ruchliwość v u prędkość unoszenia Prawo Ohma dla półprzewodnika: J u = J ue + J uh = q(nm n + pm p )E = se

19 Prąd dyfuzyjny J de = qd n grad n J dh = -qd p grad p J de J dh D stała dyfuzji Równania transportu: J e = q(nm n E + D n grad n) J h = q(pm p E - D p grad p)

20 Wstrzykiwanie nośników Dn 0 R = Dn/ g = 0 E = 0 Dn 0 j(0) j(w) β 1 j(0) > j(w) Dn 0 Dn 0 < β < 1 0 j(w) = 0 β = 0 Dn(x) =? Dn(w)=0 w x w L> w L w L< w L = (D ) 0.5 droga dyfuzji w w β = j(w)/j(0) współczynnik transportu Dn 1 Dn R = Dn/ 1 Dn(w)=Δn g = 0 2 Dn 2 E = 0 Dn(x) =? w x n p w x n = n 0 + Dn p = p 0 + Dn

21 Wstrzykiwanie nośników Dn 0 R = Dn/ g = 0 E = 0 Dn 0 Dn 0 Dn 0 Dn(x) =? w Dn(w)=0 x Q inj Q inj Q inj w L> w L w L< w Q inj ładunek wstrzykniętych nośników nadmiarowych C D pojemność dyfuzyjna gromadząca Q inj\ w w Dn 1 R = Dn/ g = 0 E = 0 Dn(x) =? Dn(w)=Δn 2 Dn 1 Dn 2 Q inj n = n 0 + Dn p = p 0 + Dp w x w x

22 Złącze p-n SCR A pp0 n p0 p E n n n0 p n0 K Stan równowagi U AK = 0 V Q SCR = Q SCR0 A p p0 n p0 p n n n0 p n0 K Polaryzacja w kierunku przewodzenia U AK > 0 V Q SCR < Q SCR0 A p p0 n p0 p E n n n 0 p n0 K Polaryzacja wsteczna U AK < 0 V Q SCR > Q SCR0

23 Dioda idealna SCR A p p0 K n p0 p n n n0 p n0 K Obszar złącza I D Charakterystyka diody idealnej I D qu Is0 exp -1 kt I s0 U D I s0 prąd nasycenia

24 Dioda idealna a rzeczywista R sp DI R sn E p p0 n p0 p n J l prąd upływu G u G u D I C j C d R s R s rezystancja szeregowa G u konduktancja upływu C j pojemność złączowa C d pojemność dyfuzyjna D I dioda idealna

25 Dioda idealna a rzeczywista Napięcie przebicia: DI R s G l U br DI+R s +G l I D Rodzaje przebić: lawinowe Zenera skrośne U D

26 Przełączanie diody E R D E t E R E F E t I F I t s t f t E R I R I F = E F /R I R = E R /R

27 Przyrządy mocy - przegląd Podstawowe cechy : główne zastosowania klucze w obwodach DC i AC duże wymiary wymagają chłodzenia duża jednostkowa cena

28 Przyrządy mocy - przegląd Podstawowe wymagania : duży prąd przewodzenia : typowo A, max. 10 ka duże napięcie blokowania : typowo 300V - 2kV, max. 10 kv duża częstotliwość przełączania : dla bipolarnych > 10 khz dla unipolarnych > 100kHz małe straty mocy (U on I on ) w stanie przewodzenia proste sterowanie

29 Przyrządy mocy - przegląd Bipolarne Tranzystory Bipolarne Diody Tyrystory GTO BiMOS Tranzystory Bipolarne z Izolowaną Bramką (IGBT) Static Induction Thyristor (SITh) Unipolarne Tranzystory MOSFET Tranzystory JFET

30 Przyrządy bipolarne dioda p-i-n Budowa diody prostowniczej [cm -3 ] Profile rozkładu domieszkowania Elementy składowe: x 40 p + p n n + [mm] p-n - złącze blokujące napięcie A K p +, n + - warstwy emiterów wstrzykujące nośniki do obszarów słabo domieszkowanych oraz zapewniające dobry kontakt omowy metal-półprzewodnik

31 Przyrządy bipolarne dioda p-i-n Stan przewodzenia p + p n n + p n p + i n + n = p n p U F U P U I 0 w p+ w w n+ U N

32 Przyrządy bipolarne dioda p-i-n Stan przewodzenia U F = U P + U I + U N U F p + i n + U P Elementy składowe: U I napięcie na złączach p-i i n-i : w U N kt U ln J U P + U N = K 1 ln I q napięcie na obszarze i - omowe : I T 1 U I W W J dx Edx 2q n( x) m( x) 0 0 T 2 U I K 2 I 0.5 U F

33 Przyrządy bipolarne dioda p-i-n Stan przewodzenia U F = U P + U I + U N U P + U N = K 1 ln I U I K 2 I 0.5 U F p + i n + U P U I w U N U F = K 1 ln I + K 2 I 0.5 małe I U P + U N > U I duże I U P + U N < U I I T 1 T (U P + U N ) a U I - cross point T 2 U F

34 Przyrządy bipolarne dioda p-i-n Stan przewodzenia charakterystyka zastępcza rezystancja dynamiczna: R d DU DI przybliżenie liniowe: U F U O F F I F R d 3π 2 π 2 I FAV I FAV I FAV I F DI F DU F I FAV znamionowa wartość średnia prądu przewodzenia U O U F

35 Przyrządy bipolarne dioda p-i-n Stan blokowania dioda NPT: Cały ładunek przestrzenny w warstwie n - E max p + p n - n + w SCR dioda PT: Ładunek przestrzenny w warstwie n - i n + Złącze n - -n + uległo przebiciu skrośnemu E max w SCR

36 Przyrządy bipolarne dioda p-i-n Proces załączania

37 Przyrządy bipolarne dioda p-i-n Proces wyłączania

38 Przyrządy bipolarne dioda p-i-n Dane katalogowe

42 Przyrządy bipolarne tranzystor Zasada działania E C E J E J h J e R J hc JC C B p-n-p B J C = J hc = J h = J E = J E Typowe warunki pracy: U BE - przewodzenie U BC - blokowanie Współczynnik wzmocnienia J C /J E α γ β

43 Przyrządy bipolarne tranzystor Układ pracy tranzystorów OE I C OC I E I B U CE I B U EC U BE U BC OB I B I C U EB U CB

44 Przyrządy bipolarne tranzystor Układ wspólnego emitera U BE I B I C U CE β - współczynnik wzmocnienia I C /I B IC IC IC IE I I I I B E C C 1-1- I E I C Charakterystyka wyjściowa I B Obszar nasycenia U CB >0 U EB >0 Obszar aktywny U CB <0 U EB >0 I B =0 Obszar odcięcia U CB <0 U EB <0 U CE

45 Przyrządy bipolarne tranzystor Obszar bezpiecznej pracy SOA I C I Cmax SOA Hiperbola mocy admisyjnej P max = I C U CE U br U CE I Cmax maksymalny prąd ograniczony przez połączenia drutowe, U br napięcie przebicia złącza kolektorowego, P max maksymalną moc, która może być wydzielona bez przekroczenia temperatury złącza T jmax

46 Przyrządy bipolarne tranzystor Układ klucza - inwertera E C R L I C E C /R L 0 U WE U WY 1 E C U CE Wejście Wyjście stan "0" U WE 0 V U WY E C stan "1" stan "1" U WE E C U WY 0 V stan "0"

47 Przyrządy bipolarne tranzystor Przełączanie tranzystora E C R L I C E U WE t t s t f UWE U WY I CM I C t t d t r t d czas opóźnienia t r czas narastania t s czas magazynowania t f czas opadania

48 Przyrządy bipolarne tranzystor Napięcie przebicia E C I C B I C0 + U - CB E αi E C I C0 I C0 + - U CE I C0 U CE0 U CB0 U gdy α to β i I C gdy I C to U CE0 (przebicie dynamiczne) β = 9 U CE0 = 0,63 U CB0 β = 99 U CE0 = 0,40 U CB0

49 Przyrządy bipolarne tranzystor Napięcie przebicia Napięcie przebicia U CE można zwiększyć poprzez: Wprowadzenie rezystancji R pomiędzy bazę B i emiter E (U CER ) Zwarcie kontaktów bazy B i emitera E (U CES ) Wprowadzenie wstecznego prądu bazy

50 Przyrządy bipolarne tranzystor Dynamiczne przebicie lawinowe Obszar I obszar nasycenia Obszar II obszar aktywny Obszar III obszar powielania lawinowego

51 Przyrządy bipolarne tranzystor Konstrukcja tranzystora wysokonapięciowego Rozkład domieszkowania U CE0 150 V: Cecha charakterystyczna: Złącze kolektorowe wykonane jako złącze wysokonapięciowe z szeroką warstwą niskodomieszkowaną, odpowiedzialną za wartość blokowanego napięcia

52 Przyrządy bipolarne tranzystor Konstrukcja tranzystora wysokonapięciowego Charakterystyki wyjściowe: A B C Charakterystyczne obszary: A B C Obszar pełnego nasycenia Obszar quasi-nasycenia Obszar aktywny

53 Przyrządy bipolarne tranzystor Efekty poprzeczne Palczasta elektroda bramki i emitera:

54 Przyrządy bipolarne tranzystor Efekty poprzeczne Wtórne przebicie (second breakdown): second breakdown Tranzystor npn BUL45 Motorola 5A / 700V

55 Przyrządy bipolarne tranzystor Tranzystor Darlingtona Idea- rozwiązanie techniczne struktura: B B E

56 Przyrządy bipolarne tyrystor Zasada budowy Jest to przyrząd 3-złączowy pochodzący od znanego układu dwutranzystorowego, tzw. łącznika TT: struktura n-p-n-p cztery warstwy A A trzy złącza p I A trzy elektrody: n T2 A anoda p G T1 G K katoda G bramka n K K I K = I A + I G I G

57 Przyrządy bipolarne tyrystor Zasada działania polaryzacja wsteczna - U AK < 0, przyrząd może jedyne blokować napięcie, polaryzacja w kierunku przewodzenia - U AK > 0, przyrząd blokuje napięcie lub może być przełączony w stan przewodzenia (duży anodowy prąd I A przy małym spadku napięcia), p n A p n K G T1 K A I A T2 I K = I A + I G przyrząd jest sterowany prądem bramki I G, który może go załączyć przy polaryzacji w kierunku przewodzenia, w normalnych tyrystorach wyłączenie prądem bramki nie jest możliwe (jest ono możliwe jedynie w tyrystorach GTO). I G G

58 Przyrządy bipolarne tyrystor Zasada działania - charakterystyka I T U AK x K n+ p n - n p + [mm] A

59 Przyrządy bipolarne tyrystor Załączanie bramkowe I GM amplituda prądu bramki U D napięcie blokowania I T prąd przewodzenia tyrystora I GM I 0.1I GM G t t G t G czas trwania impulsu prądu bramki t d czas opóźnienia U D M U AK t d t r 0.9U D 0.1U D t t r czas narastania I T I A t on = t d + t r t

60 Przyrządy bipolarne tyrystor Charakterystyka bramkowa A obszar niemożliwych przełączeń tyrystora B obszar niepewnego wyzwalania I G C obszar pewnego wyzwalania I FGM P max I GT U GT prąd przełączający bramki napięcie przełączające bramki I GT B C I FGM szczytowy prąd przewodzenia bramki A U GT U FGM U G U FGM szczytowe napięcie przewodzenia bramki

61 Przyrządy bipolarne tyrystor Wyłączanie wymuszone obwód wyłączania wymuszonego E t d R Th I T t E U T t d czas dysponowany określony przez obwód zewnętrzny

62 Przyrządy bipolarne tyrystor Wyłączanie wymuszone Proces wyłączania E t d t E R T h I T U T I T U T t q t q czas wyłączania, określony przez zjawiska wewnątrz tyrystora prowadzące do odzyskania zdolności blokowania napięcia

63 Przyrządy bipolarne GTO Struktura GTO Komórka podstawowa Struktury palczaste

64 Przyrządy bipolarne GTO Przebieg procesu wyłączania

65 Przyrządy bipolarne GTO Przebieg procesu wyłączania

66 Przyrządy bipolarne GTO Wyłączanie tyrystora Układ podstawowy t dq czas opóźnienia t rq czas opadania t tq czas ogona prądowego g współczynnik wzmocnienia prądowego I RG I T / g

67 Przyrządy bipolarne GTO Wyłączanie tyrystora Straty mocy przy wyłączaniu

68 Przyrządy bipolarne GTO Wyłączanie tyrystora Układ z tłumikiem ograniczającym straty U DP - spike voltage

69 Przyrządy bipolarne GTO Niejednorodność procesu wyłączania

70 Przyrządy bipolarne GTO Niejednorodność krzem neutronowy

71 Przyrządy bipolarne GTO Idea hard drive

72 Przyrządy bipolarne GTO Fazy wprowadzania hard drive

73 Przyrządy bipolarne GTO Fazy wprowadzania hard drive Tyrystory IGCT firmy ABB

74 Przyrządy bipolarne GTO Maska tyrystora wykonanego w Katedrze

75 Przyrządy bipolarne Współpraca szeregowa R w nudrm U (n -1) DI P Rw U 2R 2 DRM W D DM U DRM szczytowe powtarzalne napięcie blokowania U DM przewidywane napięcie blokowania gałęzi ΔI D rozrzut prądów blokowania (I Dmax - I Dmin I dmax ) n liczba elementów w gałęzi

76 Przyrządy bipolarne Współpraca szeregowa C w (n -1) DQ nu - U RRM rr max k U RRM szczytowe powtarzalne napięcie wstecznea U k napięcie komutacji ( U RM przewidywane szczytowe napięcie wsteczne gałęzi) ΔQ rr ładunek przejściowy przy wyłączaniu n liczba elementów w gałęzi

77 Przyrządy sterowane polowo Wywodzący się z idei JFET Static Induction Transistor SIT (unipolarny) p + n + n - n + S D G Konstrukcja bramki zagrzebanej Konstrukcja SIT jest wzorowana na idei lampy elektronowej triody

78 Przyrządy sterowane polowo Wywodzący się z idei JFET Static Induction Thyristor SITh (Bi-MOS) p + n + n - p + K A G Złącze emiterowe Konstrukcja SITh jest wzorowana na idei lampy elektronowej triody

79 Przyrządy sterowane polowo Wywodzący się z idei MOSFET Vertical MOS -VMOS (unipolarny) p n - S n G n S Pojedyncza komórka przyrząd składa się z tysięcy takich komórek n + D Identyczność komórek MOS jest uzyskiwana dzięki jednorodności procesu suchego trawienia

80 Przyrządy sterowane polowo Wywodzący się z idei MOSFET Vertical Double diffusion MOS - VDMOS (unipolarny) S p n G n S Pojedyncza komórka n - przyrząd składa się z tysięcy takich komórek n + D Identyczność komórek MOS jest uzyskiwana dzięki jednorodności procesu podwójnej dyfuzji (jedna maska dla wysp n i p)

81 Przyrządy sterowane polowo Wywodzący się z idei MOSFET Tranzystor CoolMOS (unipolarny) Pojedyncza komórka przyrząd składa się z tysięcy takich komórek Identyczność komórek jest uzyskiwana m.in. dzięki jednorodności procesu podwójnej dyfuzji (jedna maska dla wysp n i p)

82 Przyrządy sterowane polowo Dane katalogowe MOSFET

85 Przyrządy sterowane polowo Tranzystor IGBT Integrated Gate Bipolal Transistor IGBT (Bi-MOS) G S G G E G n p + n n p + n E G n - n + n - p + C D C VDMOS IGBT

86 Przyrządy sterowane polowo Tranzystor IGBT Zasada działania tranzystora IGBT G E G n p + n E G I C n - p + C C I B U CE

87 Przyrządy sterowane polowo Tranzystor IGBT Charakterystyki wyjściowe tranzystora IGBT G E G n p + n n - p + C

88 Przyrządy sterowane polowo Tranzystor IGBT Modele zastępcze tranzystora IGBT

89 Przyrządy sterowane polowo Tranzystor IGBT Tranzystor IGBT typu PT i NPT NPT PT

90 Przyrządy sterowane polowo Tranzystor IGBT Proces wyłączania tranzystora IGBT G E G n p + n n - p + C

91 Przyrządy sterowane polowo Tranzystor IGBT Wpływ R G na przebieg wyłączania

92 Moduły elektroizolowane Geneza Przesłanki układowe Przyrządy półprzewodnikowe mocy występują w układach energoelektronicznych zwykle grupowo w kilku typowych konfiguracjach Wymagają one chłodzenia przy czym z uwagi na zwykle różne potencjały obudów muszą posiadać odrębne, izolowane elektrycznie radiatory Jest wymagana izolacja elektryczna elementów konstrukcyjnych, do których sa mocowane

93 Moduły elektroizolowane Przesłanki konstrukcyjne Geneza Redukcja kosztów w wyniku zastąpienia kilku obudów jedną Zmniejszenie ilości zewnętrznych połączeń Zmniejszenie wymiarów całego układu energoelektronicznego i uproszczenie jego konstrukcji mechanicznej

94 Moduły elektroizolowane Zasada konstrukcji

95 Moduły elektroizolowane Typowe konfiguracje

98 Inteligentne Moduły Mocy Schemat blokowy