Część 3. Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy. Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 51

Transkrypt

1 Część 3 Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 51

2 Budowa przyrządów półprzewodnikowych Struktura składa się z warstw Warstwa fragment płytki półprzewodnikowej o określonym typie przewodnictwa i koncentracji domieszek Złącze styk dwóch warstw Elektroda płaszczyzna metalu na powierzchni warstwy wyprowadza jej potencjał (końcówka) lub łączy z inną izolowana oddziałuje na warstwę elektrostatycznie Końcówka ogólnie wyprowadzenie na zewnątrz przyrządu Role warstw i elektrod emiter (E) dostarcza nośników poprzez złącze baza (B) pobudza emiter kolektor (C) odbiera nośniki podłoże (B) warstwa, w której wytwarzany jest kanał (ch) ścieżka dla przewodzenia prądu źródło (S) / dren (D) dostarcza / odbiera nośniki z kanału anoda (A), katoda (K) elektroda o wyższym / niższym potencjale w stanie przewodzenia bramka wyzwalająca (G) inicjuje lub kończy przewodzenie bramka sterująca (G) umożliwia / uniemożliwia przewodzenie (i wpływa na prąd) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 52

3 Końcówki przyrządów półprzewodnikowych mocy Obwód główny ścieżka między końcówkami głównymi jego końcówki są końcówkami łącznika przewodzi ten prąd, który odpowiada za przekaz energii w przekształtniku Obwód sterowania ścieżka między końcówkami sterującymi pojęcie sterowania w układach o działaniu przełączającym kontrolowane załączanie lub wyłączanie łącznika w układach o działaniu ciągłym zmiana natężenia prądu obwód sterowania muszą także tworzyć co najmniej 2 końcówki napięcie to różnica potencjałów między dwoma węzłami prąd płynie między dwoma węzłami zwykle jedna końcówka jest wspólna dla obu obwodów Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 53

4 Sterowanie Podział przyrządów półprzewodnikowych niesterowalne nie da się załączyć ani wyłączyć przez oddziaływanie niezależne od obwodu głównego półsterowalne możliwość załączenia albo wyłączenia poprzez obwód sterowania sterowalne możliwość załączenia i wyłączenia poprzez obwód sterowania Wielkość sterująca prąd do przełączenia i utrzymania przyrządu w stanie statycznym niezbędny jest stały przepływ prądu między końcówkami obwodu sterowania ładunek do przełączenia przyrządu niezbędne jest dostarczenie lub odebranie ładunku (przejściowy przepływ prądu) napięcie do przełączenia i utrzymania przyrządu w stanie statycznym niezbędne jest stałe występowanie napięcia między końcówkami obwodu sterowania (w przyrządach mocy nie występuje w czystej postaci) sterowanie napięciowo-ładunkowe utrzymanie przyrządu w stanie statycznym wymaga stałego występowania napięcia, ale dodatkowo do przełączenia przyrządu konieczny jest przepływ ładunku Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 54

5 Mechanizmy sterowania Sterowanie złączowe prądowe duża moc przez cały czas załączenia ładunkowe średnia moc czynna, duża moc chwilowa przez czas dłuższy niż trwa przełączanie Sterowanie polowe przez bramkę złączową w przyrządach mocy z reguły mechanizm pasożytniczy lub pomocniczy, nie służy do wprowadzania w stan przewodzenia wyjątek: niekrzemowe tranzystory JFET wyłączane przez bramkę złączową Sterowanie polowe przez bramkę izolowaną napięciowo-ładunkowe mała moc czynna, duża moc chwilowa (duży prąd, średnie napięcie) przez krótki czas Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 55

6 Diody mocy Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 56

7 Struktury i charakterystyki statyczne diod mocy PIN SBD MPS Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 57

8 Charakterystyki statyczne i dynamiczne diod mocy 100 PIN MUR460 MPS SBD Qrr / nc 10 SBD C3D04060A PIN IF / A 100 PIN MUR460 Q rr (Q c ) Qrr / nc 10 SBD C3D04060A Q rr UR / V Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 58

9 Tyrystory (1) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 59

10 Struktura i charakterystyki statyczne tyrystora konwencjonalnego Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 60

11 Tyrystor konwencjonalny w różnych obszarach pracy blokowanie U AK < 0 blokowanie U AK > 0 Załączanie i podtrzymanie przewodzenia poprzez dodatnie sprzężenie zwrotne między tranzystorami składowymi Triak: niejednakowy prąd przełączający dla różnych polaryzacji A-K i G-K GTO: wyłączanie silnym prądem wstecznym przewodzenie Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 61

12 Tyrystory (2) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 62

13 Tranzystory mocy (1) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 63

14 Pionowy wysokonapięciowy tranzystor BJT Obwód główny w linii pionowej Kolektor podzielony na 2 części słabo domieszkowana o dużej wysokości odpowiada za wytrzymałość napięciową silnie domieszkowana zapobiega powstaniu złącza Schottkky ego Wytrzymałość napięciowa dla dodatniej polaryzacji C-E zależy od stanu końcówek obwodu sterowania (zwarte/rozwarte) wynika z występowania wzmocnienia prądowego Niska dla polaryzacji ujemnej rozmiar i domieszkowanie P Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 64

15 Wysokonapięciowy tranzystor BJT w różnych obszarach pracy w stanie przewodzenia quasi-nasycenia aktywny nasycenia Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 65

16 Pionowa struktura tranzystora MOSFET mocy VDMOS Vertical Double-Diffused MOS Wytrzymałość napięciowa w pionie wysokość warstwy N duża rezystancja w stanie przewodzenia Wytrzymałość prądowa przekrój poprzeczny duża liczba równoległych komórek duże pojemności Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 66

17 Pojemności pasożytnicze i przełączanie tranzystorów mocy sterowanych polowo Pojemności C GD i C DS zależą od napięć obszary ładunku przestrzennego i akumulacji w półprzewodniku Efekt Millera związany z C GD zmienna szybkość ładowania pojemności Złącze PN dioda podłożowa tranzystor przewodzi dla U DS < 0 Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 67

18 Tranzystory mocy (2) Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 68

19 Przewodzenie prądu w tranzystorze IGBT Wstrzykiwanie nadmiarowych elektronów przez kanał MOS, dziur przez złącze J 3 niższe U CE dla danego I C Prąd MOS wysterowuje bazę równoległego tranzystora PNP większy I C dla danego U CE Dla odpowiednio silnych prądów Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 69

20 Blokowanie napięcia w symetrycznej strukturze IGBT U CE < 0 Jednakowa wytrzymałość dla obu polaryzacji C E zależy od koncentracji domieszek i wysokości warstwy N Może pracować w obwodach AC U CE > 0 Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 70

21 Przełączanie tranzystora IGBT Ogon prądowy przy wyłączaniu inicjacja wymaga likwidacji kanału MOS rozwarcie bazy tranzystora PNP zanik nośników tylko w drodze rekombinacji (w przeciwieństwie do BJT) Konsekwencje: dłuższy czas wyłączania, większa moc strat Załączanie: dłuższy czas osiągnięcia niskiego u CE konieczność napływu odpowiedniej liczby nośników nadmiarowych do bazy N Łukasz Starzak, Przyrządy i układy mocy, studia niestacjonarne, lato 2018/19 71