Właściwości tranzystora MOSFET jako przyrządu (klucza) mocy

Transkrypt

1 Właściwości tranzystora MOSFET jako przyrządu (klucza) mocy Zalety sterowanie polowe niska moc sterowania wyłącznie nośniki większościowe krótki czas przełączania wysoka maksymalna częstotliwość pracy mała energia wydzielana podczas przełączania (moc strat dynamicznych) Wady wyłącznie nośniki większościowe mała gęstość prądu głównego I D przy danym napięciu głównym U DS J = J n =e µ n N D E =γ E = 1 ρ E wysoka rezystywność wysoka rezystancja w stanie przewodzenia P dyn =W on W off f s =I D(on) U D(off) t r t f f s U br = ε E 2 crit 2e N D 2ε U r e N D W sc = R DS(on) =ρ W A wysoki spadek napięcia na obwodzie głównym U DS(on) duża energia wydzielana w czasie przewodzenia (moc strat statycznych) 2 P stat =D I D(on) U D(on) =D I D(on) R DS(on) Łukasz Starzak, Podzespoły i układy scalone mocy, 2009/10 11

2 Tranzystor polowy superzłączowy Modyfikacja struktury VDMOS tranzystora MOSFET SJMOS = Super-Junction MOS CoolMOS nazwa handlowa firmy Infineon SFET = Super Field-Effect Transistor zamiast złącza PN bramka wydłużona w dół Pole elektryczne de d x =e N D ε kiedy osiągnie wartość krytyczną, przyrząd ulega przebiciu lawinowemu przy złączu półprzewodnikowym obszar ładunku przestrzennego, tj. pozbawiony nośników Źródło: Pattanayak D.N. et al.: Low Voltage Super Junction Technology, ISPS 2006 Łukasz Starzak, Podzespoły i układy scalone mocy, 2009/10 12

3 Zasada działania Stan blokowania odpowiednie domieszkowanie, szerokości warstw dryftu i podłoża, oraz przeplatanie tych warstw z dużą gęstością, umożliwiają wzajemne zniesienie wpływu ładunków przestrzennych i wysoki obszar środkowy zachowuje się jak niedomieszkowany w związku z tym rośnie wytrzymałość napięciowa mimo że domieszkowanie obszaru N- nie zmienia się lub też można uzyskać niezmienioną wytrzymałość napięciową przy większej koncentracji domieszkowania Źródło: Pattanayak D.N. et al.: Low Voltage Super Junction Technology, ISPS 2006 Łukasz Starzak, Podzespoły i układy scalone mocy, 2009/10 13

4 Przyrządy wysokonapięciowe klasyczny MOSFET mocy (VDMOS, LDMOS): R on U br 2 SJMOS: R on U br Przyrządy niskonapięciowe Konsekwencje dla stanu przewodzenia niska rezystancja bez zwiększenia powierzchni przekroju a więc bez zwiększenia pojemności związanych z bramką maksymalna częstotliwość pracy prąd bramki przy przełączaniu problemem jest odcinanie drogi przepływu prądu przez obszar ładunku przestrzennego Źródło: Pattanayak D.N. et al.: Low Voltage Super Junction Technology, ISPS 2006 Łukasz Starzak, Podzespoły i układy scalone mocy, 2009/10 14

5 Układy o działaniu ciągłym Sterowanie tranzystorów BJT di C =h 21 di B h 21 wzmocnienie małosygnałowe w danym pkt. pracy zastosowanie w elektronice mocy: wzmacniacze akustyczne klas A, B i pokrewnych liniowe stabilizatory napięcia Metody projektowe znane z elektroniki sygnałowej tranzystory mocy, połączenia Darlingtona układy wielostopniowe Łukasz Starzak, Podzespoły i układy scalone mocy, 2009/10 15

6 Tranzystor BJT jako klucz Sterowanie tranzystorów BJT w układach impulsowych I C =β f I B β f statyczne wzmocnienie prądowe przy pracy normalnej w układzie wspólnego emitera (typowe w układach o działaniu przełączającym) celem jest możliwość przewodzenia prądu obciążenia przy niskim spadku napięcia (U CE ), a nie uzyskanie danej relacji I C do I B wartość I C narzucona z zewnątrz przez źródło, przekształtnik, odbiornik częsta praca ze wzmocnieniem wymuszonym Łukasz Starzak, Podzespoły i układy scalone mocy, 2009/10 16

7 Punkt pracy w stanie przewodzenia Zależność wzmocnienia od prądu kolektora przyczyny BU1508DX, I C(rat) = 8 A, β f(nom) = 13 α = α e α t zwarcia baza-emiter charakterystyka podawana dla U CE =const, w zakresie aktywnym wartość znamionowa maksymalna, a nie występująca dla prądu znamionowego Zakres nasycenia duża liczba nośników nadmiarowych niski spadek napięcia niska statyczna moc strat powolne wyłączanie wysoka dynamiczna moc strat Łukasz Starzak, Podzespoły i układy scalone mocy, 2009/10 17

8 Wyłączanie Usuwanie nośników z bazy prądem wstecznym przyspieszenie przełączania mniejsze straty energii przebiegi podobne do diody PIN Układ przeciwnasyceniowy Bakera Łukasz Starzak, Podzespoły i układy scalone mocy, 2009/10 18

9 Praktyczne układy sterowania Zasilanie dwubiegunowe Zasilanie jednobiegunowe Przyspieszenie wyłączania Łukasz Starzak, Podzespoły i układy scalone mocy, 2009/10 19

10 Realizacja układów sterowania Źródło prądu bramki Nieidealne źródło prądu (źródło napięcia / rezystancja) Zabezpieczenie przepięciowe + Dezaktywacja cewki na czas załączania Łukasz Starzak, Podzespoły i układy scalone mocy, 2009/10 20

11 Układ sterowania z transformatorem Idea działania u p =L tra di p dt di u s =L B,T2 trc M di p dt dt M =k L tra L trc μ gdyż L tra, L trc μ załączamy T 2 i p (obwód rezonansowy LC 1 ) u p >0 u s >0 i B,T2 >0 T 2 załączony L trb włączone odwrotnie u BE,T1 <0 T 1 wyłączony i p nasycenie transformatora μ M u s i B,T2 i C,T2 =i p u p <0 u BE,T2 <0 T 2 wyłączany L trb włączone odwrotnie u trb >0 T 1 załączany Łukasz Starzak, Podzespoły i układy scalone mocy, 2009/10 21