ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH

Transkrypt

1 Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH 3. Przegląd właściwości łączników mocy 3.4 Tyrystor GTO/Tyrystor GCT 3.5 Tranzystor polowy MOSFET 3.6 Tranzystor IGBT P W Mieczysław Nowak Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Czerwiec/lipiec 2009

2 Wiadomości ogólne 3.4 Tyrystor GTO/GCT Podstawową wadą tyrystora zwykłego, przedstawionego w poprzednim podrozdziale, jest brak możliwości wyłączenia go w sposób podobny do załączania, tzn. za pomocą bramki. W miarę rozwoju techniki powstało znaczące zapotrzebowanie na przyrząd półprzewodnikowy, który byłby tej wady pozbawiony. Jednak dopiero w 25 lat po wynalezieniu tyrystora zwykłego udało się ośrodkom badawczym uzyskać pokrewną strukturę - tyrystor wyłączalny, powszechnie znany pod skrótem GTO (z ang. gate tum off). Trzeba na wstępie zaznaczyć, że możliwość wyłączania GTO impulsem prądu bramki zazwyczaj ogranicza jego możliwości pracy przy polaryzacji wstecznej. Wytrzymałość napięciowa GTO dla stanu blokowania jest porównywalna ze zwykłym tyrystorem i osiąga wartość ok V. Również maksymalna dopuszczalna wartość prądu wyłączanego jest znaczna (do 5000 A), co oznacza, że GTO jest użyteczny w zakresie bardzo dużych mocy - większych niż te, które osiąga się w przekształtnikach tranzystorowych. Do wyłączenia GTO jest potrzebny znacznie większy prąd niż do jego załączenia (zwykle 20-;.-30% wartości wyłączanego prądu głównego), co przy dużych prądach wyłączanych stawia dosyć wysokie wymagania obwodom sterowania prądem bramki. Wartości czasu wyłączania z uwzględnieniem tzw. ogona prądowego wynoszą 5 25 s, co w powiązaniu z dużymi stratami mocy przy przełączaniu oznacza, że praktyczny zakres częstotliwości wynosi 100- :-2000 Hz. Przy omawianiu budowy, zasady działania, parametrów i charakterystyk katalogowych, a także zasad stosowania, główną uwagę zwrócono na cechy i parametry odróżniające GTO od tyrystora zwykłego. W rozdziale przedstawiono inny pokrewny do GTO przyrząd tzw. tyrystor komutowany bramką GCT (gate commutated thyristor). Cechą charakterystyczną GCT jest fakt, że wzmocnienie prądowe obwodu bramki względem prądu anodowego jest równe 1. Oznacza to, że prąd bramki konieczny do wyłączenia jest równy prądowi wyłączanemu. Odmienny od występującego w GTO mechanizm wyłączania GCT umożliwił uzyskanie korzystniejszych z punktu widzenia sprawności przekształtników parametrów użytkowych Jego opracowanie przed ok. 10 laty było możliwe dzięki znacznemu postępowi w budowie układów elektronicznych - sterowników zdolnych w czasie kilku mikrosekund dostarczyć do bramki prąd kilku kiloamperów. 3/1

3 Budowa i właściwości GTO 3.4 Tyrystor GTO/GCT Do uzyskania zdolności wyłączania prądem bramki konieczne okazało się opracowanie struktury złączowej innej niż w tyrystorze zwykłym.jak pokazano na rys.a, w celu przyspieszenia procesu wyłączania, złącze anodowe jest zmodyfikowane przez wprowadzenie w warstwie P dodatkowych obszarów N +, dających tzw. zwarcia anodowe; możliwe jest także rozwiązanie, w którym złącze anodowe ma zmienione właściwości na skutek wprowadzenia dodatkowej silnie domieszkowanej warstwy N+ (rys.b). Rzadko spotykane są typy GTO, w których złącze anodowe pozostaje niezdegenerowane i możliwa jest ich praca przy znacznym napięciu wstecznym. Inną ważną różnicą w budowie jest bardzo rozwinięte doprowadzenie do warstwy bramki ułatwiające jednoczesne odprowadzenie prądu na całym obszarze. Typowe złącze ma postać rozproszonych "wysepek" katodowych otoczonych przez obszary typu P pokryte metalizowanym doprowadzeniem bramki. Tak wykonaną strukturę cechuje charakterystyka napięciowo-prądowa, która w zakresie polaryzacji dodatniej anody względem katody ma taki sam przebieg jak dla zwykłego tyrystora. Przy polaryzacji odpowiadającej stanowi zaworowemu, zgodnie z przedstawioną modyfikacją struktury, na GTO może wystąpić tylko niewielkie napięcie odpowiadające wytrzymałości złącza katodowego (20 30V). 3/2

4 Właściwości dynamiczne GTO Załączanie tyrystora wyłączalnego nie różni się niczym od załączania tyrystora zwykłego,. W typowych warunkach pracy GTO stosuje się przy jego załączaniu forsowanie prądu bramki, zapewniając dużą stromość narastania i wartość maksymalną krotnie większą od tej, która jest niezbędna do załączenia. Dzięki temu uzyskuje się skrócenie czasu załączania i zmniejszenie strat energii. Istotna różnica między tyrystorem zwykłym a GTO ujawnia się przy rozpatrywaniu przebiegów napięć i prądów procesu wyłączania ujemnym impulsem prądu bramki.). Zgodnie z przebiegami z rys.b proces wyłączania jest zapoczątkowany załączeniem tranzystora T2 i narastaniem ujemnego prądu bramki. Szybkość narastania tego prądu musi być ograniczona, co uzyskuje się włączając w szereg z bramką niewielką indukcyjność L G. Prąd w obwodzie głównym zaczyna się zmniejszać dopiero po upływie czasu t gl, gdy ujemny prąd bramki osiągnie odpowiednią wartość. W czasie t gf zwanym czasem opadania, prąd anodowy tyrystora szybko zmniejsza się. Tym szybkim zmianom prądu odpowiada wzrost napięcia na wyłączanym elemencie do wartości tzw. pierwszego przepięcia U DP. Ta faza procesu wyłączania jest szczególnie niebezpieczna z uwagi na zagrożenie przepięciowe. W przedziale t tq prąd główny tyrystora zmniejsza się znacznie wolniej tworząc ogon prądu. Wartość prądu na początku tego przedziału (I TQT ) jest parametrem charakterystycznym podobnie jak wartość czasu t tq. Należy zwrócić uwagę na wartość napięcia występującego na bramce podczas wyłączania. Tylko przez czas t br (zwykle mniej niż 5 s) może ono osiągnąć wartość U RGM równą napięciu przebicia złącza bramka-katoda. Przed pozostałą część czasu wyłączania - aż do wzrostu napięcia blokowania na wyłączanym tyrystorze do wartości ustalonej - bramka powinna być spolaryzowana napięciem ujemnym o wartości niższej od napięcia przebicia. 3.4 Tyrystor GTO/GCT 3/3

5 Katalogowe informacje o GTO 3.4 Tyrystor GTO/GCT Podstawowym parametrem określanym dla GTO jest powtarzalny szczytowy prąd wyłączalny I TQRM Jego wartość stanowi oznaczenie typu i służy do podstawowego doboru prądowego. Drugim ważnym parametrem prądowym związanym ze zdolnością wyłączania prądu w stanach awaryjnych - przy przeciążeniach zwarciowych - jest niepowtarzalny szczytowy prąd wyłączalny I TQSM. Jego wartość służy do projektowania aktywnej ochrony zwarciowej GTO. Podobnie jak w tyrystorze zwykłym określana jest maksymalna średnia wartość prądu I T(AV)m. ma ona jednak tylko pewne znaczenie orientacyjne podobnie jak maksymalna skuteczna wartość prądu przewodzenia I T(RMS)m. Wartości niepowtarzalnego szczytowego prądu przewodzenia I TSM oraz parametru przeciążeniowego I 2 t umożliwiają - podobnie jak w diodzie i tyrystorze - dobór zabezpieczeń przeciwzwarciowych. W katalogach jest także zamieszczany wykres podający zależność dopuszczalnej wartości I TSM od czasu trwania impulsu przeciążenia. Ważnym parametrem jest typowa wartość prądu ogona przy wyłączaniu I TQT ' gdyż ma ona istotny wpływ na wartość strat łączeniowych.. Charakterystyki napięciowo-prądowe przewodzenia GTO I T = f(u T ) nie różnią się od podobnych charakterystyk diody energetycznej lub tyrystora, zwykle jednak cechuje je zwiększona wartość napięcią - przewodzenia, co oznacza zwiększone straty mocy. Parametry odwzorowujące charakterystykę przewodzenia GTO to, podobnie jak w innych elementach tego rodzaju, napięcie progowe U (TO) oraz rezystancja dynamiczna r T, wyznaczane na podstawie charakterystyki napięciowo-prądowej.. Parametrami napięciowymi GTO są: maksymalne powtarzalne napięcie blokowania U DRM określane przy ujemnej polaryzacji bramki lub oznaczonej maksymalnej wartości rezystancji zwierającej bramkę z katodą oraz maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne U RRM, które nie powinno przekraczać 20 V. 3/4

6 Katalogowe informacje o GTO 3.4 Tyrystor GTO/GCT Dane informacyjne o obwodzie bramki i charakteryzujących ją w stanie ustalonym wartościach napięć i prądów dotyczą dwóch możliwości: polaryzacji dodatniej przy załączaniu i w stanie przewodzenia oraz polaryzacji ujemnej przy wyłączaniu i w stanie blokowania. Parametry i charakterystyki dotyczące polaryzacji dodatniej mają takie samo znaczenie jak w tyrystorze zwykłym. Przy polaryzacji ujemnej odpowiada-jącej wyłączaniu konieczne jest sprawdzenie maksymalnej dopuszczalnej wartości napięcia U RGB. Katalogowa wartość wyłączającego prądu bramki I RG określa konieczny wydatek prądowy obwodu sterowania, niezbędne jest jednak uwzględnienie odpowiedniego zapasu (zwykle 50%) z uwagi na potrzebę wyłączenia prądu I TQSM mogącego wystąpić w stanach awaryjnych. Dodatkowych informacji o obwodzie sterowania dostarcza wykres przedstawiający zależność maksymalnego prądu bramki od wartości wyłączanego prądu. Niekiedy wykres taki jest połączony z wykresem wartości początkowej prądu ogona I TQT (I tail ) w funkcji wyłączanego prądu (rys.). 3/5

7 Katalogowe informacje o GTO 3.4 Tyrystor GTO/GCT O Właściwości dynamiczne są w przypadku GTO określone przez podanie wartości czasów załączania i wyłączania. W odniesieniu do załączania podawany jest, dla określonych warunków, czas opóźnienia t d oraz czas opadania t gt. W formie wykresów (rys. a. b) jest przedstawiany wpływ prądu bramki i stromości narastania prądu na wartości tych czasów. Podobnie jest podawany czas opóźnienia t gl oraz czas opadania t gf stanowiące o czasie wyłączania t gq wraz z wykresem zależności tych czasów od stromości narastania wstecznego prądu bramki. W danych producenta jest także zamieszczana wartość czasu trwania prądu ogona t tq (t tail ). Oczywiście konieczne jest sprawdzenie niezbędnych, przy projektowaniu obwodów odciążających, katalogowych wartości dopuszczalnych stromości narastania prądu (di T /dt) cri t oraz napięcia blokowania (du D /dt) crit 3/6

8 Katalogowe informacje o GTO 3.4 Tyrystor GTO/GCT W katalogach są zamieszczane wykresy przedstawiające wartość energii traconej przy załączaniu W z (rys.a) w zależności od stromości narastania prądu oraz energii traconej przy wyłączaniu W w w funkcji wartości wyłączanego prądu I TQ (rys.b). Pozwala to na uproszczenie przedstawionych powyżej obliczeń łączeniowych strat mocy. Łączne straty mocy decydujące o nagrzewaniu GTO stanowią sumę strat przewodzenia i strat łączeniowych. Przy dokładnych obliczeniach należy dodatkowo uwzględnić straty mocy obwodu sterowania. Całkowite łączeniowe straty mocy są określane ogólnym wzorem P S =(W Z +W W )f S gdzie f S - częstotliwość łączeń. 3/7

9 Budowa i właściwości GCT 3.4 Tyrystor GTO/GCT Ten typ tyrystora zwany też tyrystorem GTO wyłączanym twardo lub tyrystorem komutowanym zintegrowanym sterownikiem bramki ( IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor) jest budowany na wysokie napięcia (>3 kv) i wielkie prądy wyłączane (>1kA) a zatem jest łącznikiem przeznaczonym do urządzeń wielkiej mocy. Wśród dotychczas produkowanych przez niewiele firm tego rodzaju tyrystorach wyróżnić można trzy zasadnicze typy: GCT asymetryczny przeznaczony do pracy z dołączaną odwrotnie równolegle diodą, GCT przewodzący wstecznie ( w którego strukturze zintegrowano diodę wsteczną) oraz tyrystor GCT o symetrycznej charakterystyce napieciowo-prądowej (nadające sie do zastosowania w obwodach przekształtników typu prądowego). Wyłączanie GCT odbywa się poprzez doprowadzenie do bramki ujem-nego impulsu prądu co ilustrują przebiegi napięcia i prądu z rysunku. Mechanizm tego procesu jest odmienny niż w GTO co ilustruje szkic z rysunku. W stanie przewodzenia i przy braku prądu bramki struktura czterowarstwowa utrzymuje się w stanie przewodzenia (rys a). Jeżeli w pewnym momencie do bramki zostanie dołączone źródło sterujące zdolne w sposób prawie skokowy przejąć cały prąd obwodu głównego to następuje wyłączenie z toru prądu głównego skrajnej warstwy n. Jak to przedstawiono na kolejnym schemacie (b) tyrystor przyjmuje właściwości tranzystora o małym wzmocnieniu i zerowym prądzie bazy. Rozpoczyna się szybkie wyłączanie podobne do tego jaki zachodzi w tranzystorze przy braku prądu bazy. 3/8

10 Budowa i właściwości GCT 3.4 Tyrystor GTO/GCT Sposób sterowania tyrystorem GCT ilustruje schemat z rysunku. Ponieważ czterowarstwowa struktura GCT zachowuje podstawowe cechy tyrystora do jego załączenia wystarczy krótki impuls prądu o wartości kilku amperów. Proces wyłączania przebiega zgodnie z zasadą opisana na poprzednim slajdzie. Można wykazać, że straty energii w tego rodzaju procesie, którego warunkiem jest bardzo szybkie narastanie prądu bramki do wartości przekraczającej wartość prądu anodowego, są do 50 % mniejsze niż w przewlekłym procesie wyłączania GTO. Wymagana stromość narastania prądu bramki w tyrystorze musi wynosić A/ s. Ponieważ napięcie pomocniczego źródła napięcia stosowanego w obwodzie bramki do wytworzenia ujemnego impulsu wyłączającego jest ograniczone do wartości 20V głównym parametrem, który ma wpływ na szybkość narastania prądu bramki ma indukcyjności połączeń pomiędzy obwodem sterownika i bramką fizyczna stanowiącą kontakt bezpośrednio na pastylce krzemu zawierającej strukturę złączową. Jak wynika z wymaganej wartości di G /dt oraz wartości napięcia U off wartość tej indukcyjności nie może przekraczać 10 nh. Ma to znaczne implikacje w konstrukcji GCT, która z uwagi na fakt, że konieczne jest specyficzne zintegrowanie w jednym zespole struktury półprzewodnikowej tyrystora na wielkie prądy i sterownika prądu bramki można uznać za najbardziej złożony łącznik mocy. 3/9

11 Wiadomości ogólne 3.5 Tranzystor MOSFET Tranzystor tego typu należy do generacji półprzewodnikowych unipolarnych przyrządów mocy powstałej dzięki postępowi technologicznemu w realizacji mikrokomórkowych struktur, zdolnych pracować przy napięciach przekraczających 1000 V i mogących przewodzić prądy o natężeniu kilkudziesięciu amperów. Określenie przyrząd unipolarny oznacza, że w odróżnieniu od przyrządów bipolarnych prąd przepływa przez strukturę tylko przy udziale jednego typu nośników energii - elektronów lub dziur. Wiąże się to z odmiennym sposobem sterowania, w którym dzięki polu elektrycznemu wytwarzanemu na powierzchni struktury złączowej następuje zmiana jej właściwości i utworzenie kanału przewodzącego prąd. Nie występuje w nich zjawisko doprowadzania i rozprzestrzeniania się ładunków mniejszościowych typowe dla przyrządów bipolarnych. Dzięki temu w przyrządach działających na zasadzie zjawiska polowego uzyskuje się bardzo krótkie czasy przełączania tak, że staje się możliwe osiąganie częstotliwości łączeń rzędu khz.]. Inną niezwykle cenną właściwością tranzystorów sterowanych poprzez izolowaną bramkę jest bardzo mały pobór mocy, dzięki czemu wielkiemu uproszczeniu ulegają układy sterowania a także łatwiejsze jest ich zabezpieczanie Głównym obszarem zastosowania tranzystorów mocy MOSFET są układy przekształtników o mocach do kilku kilowatów, lecz o bardzo dużej częstotliwości pracy (np. w zasilaczach impulsowych w.cz., zasilaczach lamp jarzeniowych itp.). Ponieważ tranzystory MOS na napięcia ponad 200V cechuje znaczna rezystancja w stanie przewodzenia najbardziej użyteczne i powszechnie stosowane sa MOS y w układach niskonapięciowych ( <100V). Ważnym obszarem aplikacji MOS są wszelkiego rodzaju sterowniki prądu bazy lub bramki przyrządów bipolarnych, jak tranzystory lub GTO czy GCT. Tranzystory polowe złączowe (JFET), pokrewne MOSFET owi przyrządy unipolarne z uwagi na to, że przy braku sygnału sterującego jest w stanie przewodzenia nie znalazły szerszego zastosowania. 3/10

12 Budowa MOS a Podstawową zasadę działania tego elementu przedstawiono na sl... Ponieważ pojedynczy kanał tranzystora polowego ma niezwykle mały przekrój konieczne jest połączenie w jednej strukturze setek lub tysięcy elementarnych, połączonych równolegle, spełniających w czasie pracy równorzędną rolę. Na rysunku pokazano szkic struktury warstwowej uwzględniającego dwie komórki segmentu tranzystora MOS z kanałem typu N. Ten typ tranzystora MOS jest dominujący jednak są łatwo dostępne tranzystory z kanałem typu P. Ich sposób działania jest taki sam jak tych z kanałem N oczywiście z uwzględnieniem odmiennego sposobu polaryzacji 3.5 Tranzystor MOSFET Znamienną cechą układu warstw jest ich zagięcie, tak że występuje przyleganie warstwy P zawartej pomiędzy dwoma złączami NP i PN do górnej płaszczyzny zewnętrznej, stanowiącej powierzchnię aktywną, w pobliżu której zachodzą zjawiska związane ze sterowaniem tranzystora MOS. Ponad obszarem P na bardzo cienkiej warstewce idealnego materiału izolacyjnego - dwutlenku krzemu Si0 2, jest umieszczona metalowa elektroda sterująca zwana bramką (z ang. gate). Warstewki domieszkowane donorowo (tzn. typu N+), będące odpowiednikiem emitera w tranzystorze bipolarnym, są połączone za pośrednictwem metalizowanej warstwy stanowiącej doprowadzenie zwane źródłem (z ang. source). Na uwagę zasługuje fakt wprowadzonego w warstewkach N + zwarcia warstwy P z elektrodą doprowadzenia źródła. Drugie doprowadzenie główne tranzystora MOS, zwane drenem (z ang. drain) jest połączone z warstwą N+ silnie domieszkowaną odpowiadającą kolektorowi. W stanie blokowania - gdy w przedstawionej strukturze dren ma potencjał dodatni względem źródła, a elektroda bramki nie jest spolaryzowana - będące w stanie zaworowym złącze PN - uniemożliwia przepływ prądu. Stan polaryzacji przeciwnej drenu względem źródła jest możliwy tylko na tyle, na ile zezwala na to obecność strukturalnie zintegrowanej diody (w przyrządzie z kanałem N - katoda połączona z drenem, a anoda ze źródłem). Oznacza to, że wartość napięcia w tym stanie nie przekracza 2 V w warunkach, gdy dioda znajduje się w stanie przewodzenia.. 3/11

13 Budowa MOS a 3.5 Tranzystor MOSFET Przejście ze stanu blokowania do stanu przewodzenia w takiej strukturze wiąże się z dodatnią polaryzacją bramki względem źródła. Jak pokazano na rys. pojawienie się dodatniego ładunku na metalowej elektrodzie bramki powoduje kumulację ujemnego ładunku w obszarze P przylegającym do aktywnej płaszczyzny pod izolatorem. Po przekroczeniu pewnej wartości napięcia bramka-źródło następuje zmiana właściwości cieniutkiej warstewki, w której zgromadził się dostatecznie duży ładunek ujemny. Nabiera ona cech obszaru typu N a tym samym zostaje otwarty kanał, którym prąd może przepływać między źródłem a drenem. Jednym ze sposobów poprawy właściwości tranzystorów MOS jest wprowadzenie technologii rowkowej bramki ( tzw trench). Przekrój fragmentu struktury MOS wykonanej w technologii trench przedstawiony na rysunku 3.63 wyjaśnia istotę tego udoskonalenia. Dzięki wprowadzeniu elektrody bramki wraz z konieczną warstwą izolacyjną do rowka możliwe jest unikniecie wywinięcia warstwy p i uzyskanie kanału krótszego i o mniejszej rezystancji w stanie przewodzenia. Ten efekt jest szczególnie zauważalny w przypadku tranzystorów niskonapięciowych. W tranzystorach wysokonapięciowych w których strefa dryftu musi być szeroka i w warunkach słabego domieszkowania technika trench nie daje efektów gdyż rezystancja właśnie tej strefy ma decydujący wpływ na wartość sumarycznej rezystancji przewodzącego kanału. 3/12

14 Charakterystyki napięciowo-prądowe 3.5 Tranzystor MOSFET a) b) Statyczne właściwości tranzystora MOS w stanie przewodzenia są określane przez charakterystykę wyjściową pokazaną na rysunku (a). Przedstawia ona zależność prądu drenu I D od napięcia źródło-dren U DS. Jak z niej wynika, dopiero po przekroczeniu przez napięcie U GS wartości progowej napięcia U GS(th) (zwykle 5 7 V) pojawia się prąd. Potwierdza to charakterystyka przejściowa ( sterowania) z rys. b W obszarze większych wartości napięcia U DS prąd jest niezależny od tego napięcia, a jedynie pozostaje funkcją napięcia bramki. Zjawisko to można tłumaczyć efektem zmniejszania się szerokości kanału pod wpływem występującego na nim napięcia. W przypadku gdy napięcie U DS jest porównywalne lub mniejsze od napięcia U GS zjawisko nic występuje i rezystancja kanału pozostaje stała. Właśnie w tym obszarze charakterystyk, w którym obowiązuje zależność napięcia i prądu, zgodna z prawem Ohma (obszar omowy), są położone punkty pracy w stanie przewodzenia tranzystora MOS. Ograniczenie maksymalnego dopuszczalnego napięcia w tranzystorze MOS wynika z wytrzymałości złącza PN-. Obszar słabo domieszkowany N- to podobnie jak w przyrządach bipolarnych ( diodzie PiN, tranzystorze) ale również w unipolarnej diodzie Schottky ego obszar dryftu odpowiedzialny za przestrzeń do wytworzenia strefy złączowej a więc za wytrzymałość napięciową tranzystora. Ustalenie tej wytrzymałości określającej klasę napięciową przyrządu uzyskuje się w fazie produkcji przez dobór grubości warstwy dryftu, stopnia jej domieszkowania a jednocześnie zmniejszanie krzywizny powierzchni złączowej, w czym ważną rolę ma też metalizowana powierzchnia bramki. 3/13

15 Tranzystor połowy MOS ma bardzo dobre właściwości dynamiczne. Wynika to z faktu, że przy przełączaniu przyrządu unipolarnego nie jest konieczne doprowadzenie dużej ilości nośników w obszar strefy złączowej, co przy stosunkowo powolnych mechanizmach transportu tych ładunków w półprzewodniku pochłania - w przypadku przyrządów bipolarnych - znaczną ilość czasu. Otwarcie kanału przy przejściu ze stanu blokowania do stanu przewodzenia wiąże się jedynie z powstaniem pola elektrycznego pod wpływem ładunku doprowadzonego do bramki. Głównym zjawiskiem powodującym opóźnienia jest proces ładowania pojemności wejściowej w obwodzie bramki. W celu dokładniejszego rozpatrzenia tego zjawiska przydatny będzie (rys.a) model zawierający pojemności występujące w rzeczywistej strukturze tranzystora, a mianowicie: pojemność bramka-źródła C GS pojemność bramka-dren C GD oraz pojemność źródło -dren C DS. Do pełnego opisu zjawiska konieczne jest uwzględnienie zmiany wartości pojemności występujących w modelu pod wpływem zmian napięcia. Decydujący wpływ ma w tym przypadku zależność między napięciem U DS a pojemnością C GD, tak jak to pokazano na rys.b. W pewnym przedziale, gdy napięcie źródło-dren jest bliskie wartości napięcia bramka-źródło, wartość pojemności zmienia się o kilkaset procent. Jeżeli uwzględni się fakt, że w strukturze złączowej występuje jako integralna część tranzystor bipolarny (rys. c), to należy się liczyć ze zjawiskiem przejścia tego tranzystora do stanu przewodzenia. Podstawową przyczyną może być przepływ prądu pojemnościowego wywołanego szybkimi zmianami napięcia dren-źródło. Wprowadzenie zwarcia podłoża (obszaru P) z elektrodą żródla (r BE 0) pozwala ten problem praktycznie wyeliminować Właściwości dynamiczne MOS a 3.5 Tranzystor MOSFET a) b) c) 3/14

16 Właściwości dynamiczne MOS a Procesy łączeniowe w tranzystorze MOS zostaną opisane w odniesieniu do układu, którego schemat przedstawiono na rys.a, przy czym dioda dołączona do odbiornika indukcyjnego będzie traktowana jako rzeczywista, to znaczy charakteryzująca się przepływem przejściowego prądu wstecznego. Napięcie to doprowadzane jest do bramki za pośrednictwem rezystora, który ogranicza maksymalną wartość impulsu prądu przeładowania pojemności wejściowej tranzystora. W pierwszej kolejności zostanie rozpatrzone załączanie, co ilustrują przebiegi napięć i prądów na rys.b. Skokowa zmiana napięcia sterującego z ujemnego na dodatnie (chwila t 0 ) jest początkiem procesu aperiodycznego przeładowania pojemności wejściowej, będącej sumą C GS i C GD. Gdy wartość napięcia bramka-źródło przekroczy wartość progową U GS(th) (chwila t 1 ) pojawia się prąd drenu, który narasta w przybliżeniu liniowo do wartości będącej sumą prądu obciążenia I O i przejściowego prądu wstecznego diody I rrm.. Po wyłączeniu diody (chwila t 2 ) napięcie na tranzystorze bardzo szybko się obniża, a jednocześnie zmniejsza się prąd drenu do wartości prądu obciążenia. Efektem zmniejszenia się prądu jest obniżenie się napięcia bramka-źródło aż do wartości dostosowanej do nowych warunków przewodzenia (chwila t 3 ). W dalszym przebiegu procesu załączania, w przedziale (t 3 t 5 ), napięcie U GS pozostaje stałe, a napięcie U DS nadal się obniża a pojemność wejściowa wzrasta ( Sl 3/14 rys.c). Proces wyłączania przebiega z zachowaniem odwrotnej kolejności zjawisk co dobrze odzwierciedlają przebiegi z rys.c. Z przedstawionego opisu wynika, że jeżeli wartość pojemności wejściowych jest niezależnym parametrem, to o czasach przełączania tranzystora MOS decyduje wartość rezystancji włączanej w szereg z bramką. 3.5 Tranzystor MOSFET a) b) c) 3/15

17 Obciążalność prądową tranzystorów polowych z izolowaną bramką charakteryzuje parametr I D zwany ciągłym prądem drenu. Przeciążalność prądowa wynika z maksymalnego impulsowego prądu drenu I DM, który może mieć kilkakrotnie większą wartość od prądu ciągłego, jednak jest ograniczony jego czas trwania zgodnie z wykresem obszaru bezpiecznej pracy SOA, określanym podobnie jak w przypadku tranzystora bipolarnego (rys.a). Praktycznie nie ma znaczenia, z uwagi na znikomą wartość nie przekraczającą ułamka miliampera, prąd w stanie blokowania I DO. W stanie przewodzenia tranzystor energetyczny MOS jest charakteryzowany przez rezystancję załączonego kanału r DS(on) - W katalogach są zamieszczane przeważnie charakterystyki napięciowo-prądowe w obszarze odpowiadającym omowej zależności napięcia i prądu z uwzględnieniem wpływu temperatury (rys.b). Znamionowa wartość napięcia U DS podana w katalogu jest równa napięciu przebicia i dlatego napięcie robocze nie powinno się zbyt do niej zbliżać. Drugie istotne ograniczenie napięciowe wiąże się z wytrzymałością warstwy izolującej bramkę od powierzchni struktury, czyli dopuszczalnym napięciem bramka-źródło U GS. Ważną wielkością charakterystyczną jest też napięcie progowe U GS(th), powyżej którego tranzystor zaczyna przewodzić prąd drenu. Przy pełnym napięciu bramki U GS - pomimo bardzo dobrej izolacji elektrody bramki - dopuszczalne jest wystąpienie niewielkiego, mierzonego w nanoamperach prądu upływu, oznaczanego zwykle jako I GSS. Informacje katalogowe o MOS ach 3.5 Tranzystor MOSFET a) b) c) 3/16

18 Informacje katalogowe o MOS ach 3.5 Tranzystor MOSFET Ważną wielkością charakterystyczną jest też napięcie progowe U GS(th), powyżej którego tranzystor zaczyna przewodzić prąd drenu. Przy pełnym napięciu bramki U GS - pomimo bardzo dobrej izolacji elektrody bramki - dopuszczalne jest wystąpienie niewielkiego, mierzonego w nanoamperach prądu upływu, oznaczanego zwykle jako I GSS. Interesujący dla użytkownika jest wykres podający typową funkcję przejścia, czyli zależność prądu drenu od napięcia sterującego, tak jak to pokazano na rys.a). W uzupełnieniu danych jest podawana też wartość transkonduktancji g fs, która wyraża wzmocnienie prądowonapięciowe (di d /du GS ) dla charakterystycznego punktu pracy. a) Ważną cechą tranzystorów MOS jest fakt, że rezystancja kanału wykazuje dodatni współczynnik temperaturowy. Na rysunku b) pokazano wpływ temperatury na wartość rezystancji r DS(on Dzięki temu możliwe jest proste łączenie równoległe tranzystorów dla zwiększenia. obciążalności prądowej. Ponieważ indukcyjność doprowadzeń do bramek równolegle połączonych MOS ów tworzy z pojemnością bramek obwód oscylacyjny dla uniknięcia niekorzystnych zjawisk z tym związanych należy w obwodzie każdej z bramek połączonych tranzystorów uwzględnić rezystor b) 3/17

19 Informacje katalogowe o MOS ach 3.5 Tranzystor MOSFET Informacje dotyczące właściwości dynamicznych tranzystora MOS zawierają wartości charakterystycznych pojemności występujących w modelu struktury. Zwykle pojemności te są określane stosownie do możliwych warunków pomiarowych tak, że zamiast C GS, C GD oraz C DS podaje się pojemność wejściową C iss = C GS +C GD, pojemność wyjściową C oss = C GD + C DS oraz pojemność sprzężenia zwrotnego C rss = C GD. Na rysunku a) przedstawiono typowy wykres zależności tych pojemności od wartości napięcia źródło-dren. Przy projektowaniu obwodu sterowania pomocną charakterystyką jest zależność napięcia bramka-źródło od doprowadzonego do bramki ładunku (rys.b). Dla ułatwienia oceny czasów przełączania tranzystora zamieszcza się w danych katalogowych typowe wartości odniesione.do zdefiniowanych warunków przełączania, tzn. wartości napięcia źródła sterującego i rezystancji szeregowo połączonej z bramką, a także napięcia zasilania (zwykle U DS /2) i znamionowej wartości prądu drenu. Wyróżnia się przy tym czas opóźnienia przy załączaniu t d(on) i czas narastania t r oraz czas opóźnienia przy wyłączaniu t d(off) i czas opadania t f. W pewnych przypadkach pomocna może być też wartość indukcyjności zastępczej L SD w obwodzie żródło-dren. a) b) Ponieważ w tranzystorze MOS występuje zintegrowana dioda, w katalogu są zamieszczane również jej parametry użytkowe, jak: ciągły prąd I F, prąd maksymalny I FM (I SM ), napięcie przewodzenia U F(USD) oraz parametry dynamiczne t rr i Q rr. 3/18

20 Wiadomości ogólne 3.5 Tranzystor IGBT Przyrząd ten powstał przez wytworzenie w obszarze monolitycznego materiału półprzewodnikowego struktury, która ma cechy tranzystora bipolarnego współpracującego z tranzystorem polowym typu MOS. Utworzona w ten sposób struktura ma pozytywne cechy obu przyrządów i stanowi atrakcyjny półprzewodnikowy łącznik przydatny do układów o mocy wielu megawatów a w przypadku mocy do kilkunastu kilowatów pracujący z częstotliwością przełączania sięgającą 20 khz i więcej. Maksymalne dopuszczalne wartości blokowanego napięcia przekraczają 6 kv, co oznacza pełną przydatność IGBT w układach zasilanych z sieci o napięciu skutecznym 3000V i wyższym. Prądy znamionowe mogą mieć wartości powyżej 1 ka. Niezwykle ważną zaletą IGBT jest - przejęta od tranzystora MOS - łatwość sterowania go przez zmianę potencjału izolowanej bramki, co bardzo upraszcza konstrukcję całego urządzenia. Dzięki stałemu postępowi w technologii parametry IGBT podlegają stałemu doskonaleniu przy czym są one dopasowywane do przewidywanych warunków pracy. Do zastosowań przy dużych częstotliwościach wykonuje się IGBT o mniejszych stratach łączeniowych co jest okupione nieco większym spadkiem napięcia przewodzenia. Dla potrzeb budowy układów wielkiej mocy i na duże napięcia sprawą kluczową jest zmniejszanie spadku napięcia przewodzenia. Różne symbol stosowane do oznaczenia IGBT 3/19

21 Budowa i zasada działania IGBT 3.5 Tranzystor IGBT Fragment pojedynczej komórki tranzystora IGBT (rys. a) nie różni się bardzo od tranzystora MOS. Strukturę o właściwościach tranzystora bipolarnego typu PNP w połączeniu z tranzystorem MOS ( rys.b) uzyskuje się przez wprowadzenie dodatkowej stosunkowo silnie domieszkowanej warstwy typu P+. Jeżeli dodatkowo warstwę tę oddzieli się od warstwy N- silnie domieszkowaną warstwą N+, to spowoduje się zmniejszenie wytrzymałości napięciowej złącza, które byłoby w stanie zapewnić pracę tranzystora przy zmienionej polaryzacji napięcia. Zastosowanie dodatkowej warstwy silnie domieszkowanej ( tzw zatrzymanie pola ang. field stop) jest uzasadnione tym, że możliwe jest wtedy uzyskanie w strefie dryftu równomiernego rozkładu natężenia pola elektrycznego o profilu prostokątnym co odpowiada technice punch through Dzięki temu warstwa słabo domieszkowana warstwa decydująca o wytrzymałości napięciowej może być zwężona co gwarantuje to zmniejszony spadek napięcia w stanie przewodzenia. Spotykane są IGBT w których złącze w warstwy P+ ze strefą dryftu zachowuje pełną wytrzymałość napięciową dla polaryzacji wstecznej co oczywiście wiąże się z trójkątnym profilem pola w technice NPT. Są to blokujące wstecznie tranzystory ( RB-IGBT: ang Revers Blocking IGBT). a) b) c) O ile w strukturze tranzystora MOS można było wyróżnić diodę zwrotną, o tyle w przypadku IGBT występuje typowa czterowarstwowa struktura tyrystora, który można nazwać pasożytniczym (rys.c). Obecność takiego tyrystora, może wywoływać zjawisko tzw. "zatrzaskiwania się" (z ang. latch up), co odpowiada załączeniu tyrystora. Następuje utrata sterowności i dopiero przerwanie dopływu prądu drenu (kolektora) spowoduje wyłączenie. 3/20

22 Charakterystyki napięciowo-prądowe Na rysunku b) Sl.3.20 pokazano schemat zastępczy przedstawiający zasadę działania i ułatwiający wyjaśnienie specyficznych właściwości lgbt. Doprowadzenie źródła MOS połączone z kolektorem tranzystora PNP bywa określane wspólnym mianem źródła, natomiast emiter przejmuje nazwę drenu. Należy tu podkreślić, że bardziej rozpowszechnione jest oznaczanie tranzystora IGBT symbolem analogicznym do tranzystora bipolarnego typu NPN, gdzie emiter tranzystora jest oznaczany jako kolektor, natomiast wspólne połączenie kolektora i drenu traktowane jest jako doprowadzenie emitera (symbol środkowy na Sl.3.19). Ze schematu układu zastępczego (rys.b Sl.20) wynika analogia rozpatrywanego tranzystora ze strukturą monolitycznego układu Darlingtona. Tranzystor MOS steruje prądem bazy tranzystora bipolarnego T PNP zapewniając szybkie załączanie i wyłączanie dużych prądów. Mechanizm przepływu prądu w strukturze IGBT, w odróżnieniu od struktury Darlingtona, cechuje fakt, że przez kanał tranzystora MOS przepływa prąd bliski temu który płynie przez kolektor tranzystora bipolarnego ( tzn. wzmocnienie prądowe tego tranzystora jest bliskie 0,5). Dopływ znacznej ilości nośników (dziur) z warstwy p+ emitera tranzystora zapewnia znaczne zmniejszenie rezystancji w obszarze dryftu kolektora i w konsekwencji na przewodzącej strukturze występuje niewielki spadek napięcia. Wyjściowe charakterystyki napięciowo-prądowe lgbt (rys.a) wykazują podobieństwo do charakterystyk struktury Darlingtona z tym, że jako parametr odzwierciedlający wpływ sterowania występuje napięcie bramka-emiter U GE.. Przejście do stanu przewodzenia jest możliwe dopiero po przekroczeniu progowej wartości napięcia sterującego, przy której zacznie się otwierać kanał MOS. 3.5 Tranzystor IGBT a) b) Charakterystyka przejścia określa zależność prądu drenu od napięcia bramka-źródło (rys.b). Maksymalne napięcie tranzystora U CES jest ograniczone ze względu na możliwość lawinowego przebicia w złączu tworzonym przez warstwy P i N-. Nie występuje natomiast w przypadku IGBT zjawisko drugiego przebicia. Obecność tranzystorów MOS o dodatnim współczynniku zmian rezystancji kanału w połączeniu z komórkową budową zapobiega zjawisku nierównomiernego rozpływu prądu. 3/21

23 Tranzystor MOS występujący w strukturze IGBT zachowuje dominujący wpływ na dynamikę procesów załączania i wyłączania. Proces załączania tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką przebiega bardzo podobnie do załączania tranzystorów MOS. tak jak to pokazano na rys. 3.69a. Nieco odmiennie wyglądają przebiegi prądów i napięć przy wyłączaniu tranzystora IGBT co widać na rysunku. Zasadnicza różnica polega na tym, że proces zanikania prądu przy wyłączaniu IGBT jest podzielony na dwa etapy. W pierwszym z nich (t 2 t 3 ) prąd drenu szybko zmniejsza się do wartości ok. 20% wartości początkowej. Wiąże się to z wyłączeniem tranzystora MOS, który - jak to już wspomniano - przewodzi znaczną część prądu całkowitego. W etapie drugim (t 3 t 4 ) prąd tranzystora związany z odprowadzeniem ładunku zmagazynowanego w obszarze dryftu (słabo domieszkowa na warstwa N ) zanika znacznie wolniej niż miało to miejsce w pierwszym etapie. Ten przedłużony przepływ prądu nazywa się ogonem i jest zjawiskiem niekorzystnym z uwagi na dodatkowe straty mocy w czasie, gdy napięcie na tranzystorze osiągnęło już wartość równą napięciu zasilania. W nowoczesnych tranzystorach IGBT czas trwania ogona prądu ma wartości pomijalnie małe (poniżej 1 s). Właściwości dynamiczne IGBT 3.5 Tranzystor IGBT 3/22

24 Informacje katalogowe o IGBT Podawane w katalogach parametry i charakterystyki tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką są zbliżone do tych, jakie stosuje się do zwykłych tranzystorów i tranzystorów MOS. Podstawowe informacje dotyczą granicznych wartości prądu kolektora (drenu) i napięcia kolektor-emiter (źródło-dren). Za znamionową wartość prądu IGBT przyjmuje się ciągły prąd kolektora I C, który przy dostatecznym chłodzeniu może płynąć przez czas nieograniczony. Maksymalna wartość prądu I CM jest rozumiana jako wartość dopuszczalna w przypadku ciągu impulsów o określonym czasie trwania i zapewnieniu nieprzekraczalnej wartości temperatury struktury złączowej. 3.5 Tranzystor IGBT a) b) Maksymalne napięcie blokowane przez tranzystor U CES określa się zwykle w stanie statycznym przy bramce zwartej z emiterem. Pełny zakres dopuszczalnych wartości napięć i prądów mogących wystąpić w trakcie pracy jest wyznaczony za pomocą obszaru bezpiecznej pracy (SOA) obowiązującego dla dodatniej(rys.a) i ujemnej (rys. b) polaryzacji bramki. c) d) Główna charakterystyka napięciowo-prądowa (tzw. wyjściowa) określająca zależność między napięciem kolektor-emiter a prądem kolektora jest przedstawiona w katalogu szczegółowo tylko dla stanu przewodzenia przy niewielkich napięciach odpowiadających stanowi nasycenia, tak jak to pokazano na rys. c). Uzupełnia ją zwykłe charakterystyka przenoszenia (sterowania) odzwierciedlająca zależność prądu kolektora od napięcia bramkaemiter i wyznaczona przy niewielkim napięciu U CE (rys.d). Dodatkowo, podobnie jak dla tranzystora MOS, podaje się parametr transkonduktancji określający stosunek przyrostu prądu kolektora do przyrostu napięcia bramki w danym punkcie pracy. 3/23

25 Informacje katalogowe o IGBT 3.5 Tranzystor IGBT Właściwości obwodu bramki są określane przez parametry napięciowe, a mianowicie: U GE - maksymalne dopuszczalne napięcie bramka-emiter wynikające z wytrzymałości warstwy izolacyjnej SiO 2 (niekiedy podawane także oddzielnie dla odwrotnej polaryzacji jako U EG ) zwykle nie przekracza 20 V, oraz U GE(th) - napięcie progowe bramki, powyżej której tranzystor zaczyna przewodzić prąd kolektora.. W celu opisania właściwości dynamicznych IGBT podaje się w katalogu wartości pojemności wejściowej C iss pojemności wyjściowej C oss oraz pojemności sprzężenia zwrotnego C rss określone podobnie jak w przypadku tranzystora MOS. Oczywiście konieczne jest przedstawienie w formie wykresu zależności tych pojemności od napięcia emiter-ko1ektor, tak jak to przedstawiono na rys.c. W uzupełnieniu jest określona także wartość ładunku bramki przy przełączaniu Q G ułatwiająca zaprojektowanie układu sterowania bramką i wyznaczenie strat mocy w bramce. Wartość ta zmienia się w zależności od napięcia bramka--emiter, co widać z wykresu na rys.b. W przypadku tranzystorów IGBT nie jest możliwe wyznaczenie wprost czasów przełączania na podstawie wartości pojemności obwodu bramki i jej ładunku, ponieważ są one zależne od mechanizmu przewodzenia związanego z transportem ładunków mniejszościowych. Jako miarodajne należy uznać podane w katalogu wartości czasów dotyczących przełączania, określone przy zdefiniowanych warunkach (np. przy określonej wartości rezystancji włączonej szeregowo z bramką R G ). Tak samo jak dla tranzystorów MOS jest podawany czas opóźnienia przy załączaniu t d(on). czas narastania t r, czas opóźnienia przy wyłączaniu t d(off) oraz czas opadania t f. Aby określić zmianę wartości tych czasów, w przypadku warunków przełączania różnych od zdefiniowanych, należy skorzystać z odpowiednich dostarczonych przez producenta nomogramów. Bardzo pomocnymi informacjami przy projektowaniu układów z IGBT są wartości energii traconej przy załączaniu (W z ) i wyłączaniu (W w ) oraz suma tych energii (W s = W z + W w ), jak też dodatkowe wykresy zależności traconej energii W s od wartości prądu kolektora ( rys.c) i rezystancji w obwodzie bramki ( rys.d). c) d) a) b) 3/24