Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy (1) Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16

Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy (1) 49

Parametry przyrządów półprzewodnikowych Rodzaje danych Dane techniczne podawane są w kartach katalogowych fizyczne odnoszące się do wewnętrznej struktury przyrządu i występujących wewnątrz zjawisk techniczne odnoszące się do przebiegów wielkości elektrycznych i innych (np. temperatury) obserwowanych na końcówkach jedyne przydatne dla projektanta układu dane znamionowe zawierają wartości znamionowe, czyli wartości graniczne warunków użytkowania minimalne lub maksymalne wartości dopuszczalne (przekroczenie grozi uszkodzeniem przyrządu) charakterystyki wartości, które charakteryzują działanie przyrządu (pojedyncze wartości, lub zależności w postaci tabel lub wykresów) Warunki pracy zależą od dane techniczne środowiskowe (otoczenia) np. temperatura powietrza, parametry ścieżki chłodzenia opisujące obwód elektryczny wymuszenia napięciowe i prądowe (wartości, parametry przebiegów czasowych) 54

Współczesne osiągi przyrządów mocy 55

Częstotliwość przełączania moc przetwarzana 56

Część 3 Sterowanie i bezpieczna praca przyrządów półprzewodnikowych mocy 57

Sterowanie polowe z bramką izolowaną (MOS) tranzystor sygnałowy struktura symetryczna 4 końcówkowa; sterowanie G-B, role D/S zamienne VDMOS struktura asymetryczna 3 końcówkowa; sterowanie G-S 58

Sterowanie napięciowo-ładunkowe Główny warunek załączenia Pojemności pasożytnicze (~10 1000 pf): liniowe: CGN, CGO, CCP, CGD(ox) ε ox C ox =A =const t ox nieliniowe, zależne od napięcia (złączowe): CDS, CGD(sc) Dodatkowy warunek załączenia Q C= U UGS(on) > UGS(th) napięcie progowe bramka-źródło (1 5 V) QG > QG(on) załączający ładunek bramki (~1 100 nc) doprowadzenie ładunku wymaga przepływu określonego prądu przez określony czas 59

Dodatkowe wymagania związane z przełączaniem Charakterystyka przejściowa ID = f(ugs) UGS(on) > UGS(ID(on)) Charakterystyka wyjściowa zakres, UDS(on) = f(id, UGS) UGS(on) UGS(opt)(ID(on)) Wytrzymałość napięciowa układu bramka-podłoże UGS UGS(max,rat) Wyłączanie: UGS(off) drugorzędne, ale ma wpływ na: pewność wyłączenia szybkość wyłączania 60

Rezystancja w obwodzie bramki Wpływ na przełączanie zmiana czasu załączania i czasu wyłączania dwie drogi do tego samego wniosku: stała czasowa obwodu bramki t / τ G u GS=U GS(on) (1 e τ G=R G C in ) Argumenty za skróceniem czasów przełączania Kontrargument prąd bramki Q G = i G d t u g u GS i G= RG zmniejszenie energii wydzielanej podczas przełączania możliwość zwiększenia częstotliwości przełączania zmniejszenie wymiarów elementów biernych indukcja napięć na indukcyjnościach pasożytniczych u ind=l s di dt zaburzenia zakłócające pracę samego przyrządu innych przyrządów układu sterowania 61

Rzeczywisty generator impulsów bramkowych Najczęstsze rozwiązania tranzystor lub para wzmacniacz operacyjny mikrokontroler / sterownik logiczny (controller) dedykowany sterownik bramki (gate driver) Rola poziom(y) napięcia dopasowanie układu logicznego do bramki tranzystora wydajność/obciążalność prądowa pozwalająca na przełączenie tranzystora w pożądanym czasie 62

Sterownik bramki IR2117 najprostszy sterownik bramki Wyjście VHO = VS VHO = VB = VS+Ub Łącznik dolny VS = 0, Ub = UGG 63

Droga prądu bramki Przepływ ładunku = prąd Jak najmniejsza długość i powierzchnia prąd płynie w obwodzie zamkniętym, który należy dobrze zaplanować w przeciwnym razie duży prąd popłynie nieprzewidywalnie może uszkodzić elementy w obwodzie mogą występować zaburzenia VHO = VB ; ugs Ub VHO = VS ; ugs 0 szybkość propagacji generacja zaburzeń przechwytywanie zaburzeń Brak odcinków wspólnych z obwodem mocy inaczej przeniosą się zaburzenia 64

Sterowanie tranzystorów BJT w układach impulsowych Wzmocnienie prądowe I C =β f I B βf statyczne wzmocnienie prądowe przy pracy normalnej w układzie wspólnego emitera Praca w roli łącznika celem jest możliwość przewodzenia prądu obciążenia przy niskim spadku potencjału (UCE) jak największe IB nie uzyskanie konkretnego stosunku IC do IB wartość IC jest narzucona z zewnątrz (np. przez odbiornik) stąd częsta praca ze wzmocnieniem wymuszonym, tj. będącym konsekwencją IC i IB 65

Punkt pracy w stanie przewodzenia Zależność wzmocnienia od prądu kolektora BU1508DX, IC(rat) = 8 A, βf(nom) = 13 silna, nieliniowa, niemonotoniczna charakterystyka podawana dla UCE = const, w zakresie aktywnym stosunkowo duże UCE wartość znamionowa to wartość 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 lepszy zakres quasi-nasycenia 66

Układy sterowania Zasilanie dwubiegunowe Zasilanie jednobiegunowe Realizacja źródła prądowego (zasilanie jednobiegunowe) 67

Obszar bezpiecznej pracy Definicja obszar na płaszczyźnie charakterystyk statycznych obwodu głównego, w którego dowolnym miejscu może się bezpiecznie znajdować punkt pracy przyrządu, w określonych warunkach cieplnych Granice mogą wynikać z: Tranzystor VDMOS, kierunek przewodzenia bezpieczeństwa napięciowego obwodu głównego bezpieczeństwa cieplnego obwodu głównego ale także: ograniczeń obwodu sterowania ograniczeń obudowy 1 2 3a 3 3b 4 5 rezystancja w stanie załączenia maksymalny dopuszczalny prąd impulsowy maksymalny dopuszczalny prąd ciągły maks. dopuszczalna moc strat dla pracy ciągłej maks. dopuszczalna moc strat dla pracy impulsowej przebicie cieplne przebicie lawinowe 68

Przebicie cieplne Prąd nośników generowanych cieplnie w obszarze ładunku przestrzennego złącza Moc odprowadzana do otoczenia Moc wydzielana w przyrządzie 69

Mikroskopowe mechanizmy i skutki przebicia cieplnego Przebicie cieplne zachodzi, gdy wystąpi niestabilność cieplna dodatnie sprzężenie zwrotne powodujące samorzutne narastanie temperatury W obszarze ładunku przestrzennego generowane są termicznie pary h-e Niestabilność cieplna ma charakter lokalny wywołuje ją nadmierna lokalna Tj gęstość objętościowa mocy pv gęstość prądu J przeciwdziałanie: zwiększenie przekroju, równomierny rozpływ prądu zwiększone niebezpieczeństwo w stanach dynamicznych Po pewnym czasie ni N (ND albo NA) n p ni (a nie N i ni2/n) krytyczne są gorące punkty w których T jest najwyższa σ jest wyższa, a więc ρ niższa ściąganie prądu J p T ni półprzewodnik staje się samoistnym o dużej przewodności (mezoplazma) zlanie obszarów N/P uniemożliwia działanie przyrządów zanikają złącza Ostatecznie uszkodzenie mechaniczne (pęknięcie, stopienie) wskutek T 70

Inicjacja przebicia cieplnego w przyrządach półprzewodnikowych mocy Tranzystor BJT z temperaturą rośnie prąd nasycenia, prąd dyfuzyjny, czas życia nośników, wzmocnienie prądowe pojedyncza struktura na całej pastylce krzemu łatwo o nierównomierny rozpływ prądu długie przełączanie łatwo osiągnąć Tcrit Tranzystor MOSFET zalety: T ρ ; struktura komórkowa; krótkie przełączanie występuje pasożytniczy BJT rozrzut UGS(th) komórek nierównomierny rozpływ prądu T UGS(th) J przebicie lawinowe nadmierne wydzielanie mocy 71

Prawo Fouriera przewodnictwa cieplnego W elektronice mocy konieczna jest analiza zjawisk cieplnych we wszystkich 4 stanach łącznika półprzewodnikowego wydzielana jest moc zbyt duża moc prowadzi do uszkodzenia przyrządu Postać ogólna i całkowa Materiał jednorodny q gęstość strumienia cieplnego [W/m2] T temperatura k przewodność cieplna [W/(m K)] Q ciepło [J] A pole przekroju U konduktancja cieplna [W/K] Rezystancja cieplna podstawowy parametr wykorzystywany w projektowaniu układów Rth rezystancja cieplna [W/K] 72

Cieplny układ pracy i elektryczny obwód równoważny analog prawa Ohma analog potencjału analog natężenia prądu analog rezystancji 73

Cieplny układ pracy z radiatorem 74

Zastosowanie radiatorów Mechanizmy chłodzenia (oddawania ciepła) Montaż radiacja promieniowanie podczerwone konwekcja makroskopowy ruch czynnika chłodzącego naturalna grawitacyjna wymuszona wentylatory, pompy przewodności cieplnej materiału powierzchni i jej stosunku do objętości emisyjności powierzchni rodzaju i prędkości przepływu czynnika chłodzącego podkładki elektroizolacyjne zwiększają Rth(c-s) Rezystancja cieplna zależy od: pasty termoprzewodzące zmniejszają Rth(c-s) ale konieczne, gdy radiator wspólny dla kilku przyrządów chyba że posiadają izolowane obudowy Chłodzenie przy montażu powierzchniowym ścieżki drukowane dedykowane pole miedzi o dużej powierzchni, do którego lutowane jest odpowiednie wyprowadzenie przyrządu 75

Powierzchnia chłodząca np.: TO-3, 204 TO-220, 247, 262 TO-92 DO-204 (DO-35, 41) DIP Exposed Pad DIP Montaż przewlekany * * * * wyszczególnione wyprowadzenia dalej przez radiator Montaż powierzchniowy S Rth(j-a) np.: TO-252, 263 (DPAK, D2PAK) DO-214, SOD, SOT dalej przez miedź na płytce 1206, 1812 SOIC, (T)(S)SOP, QFP, DFN, QFN * * * * * Metalowe powierzchnie kontaktu standardowo nie są izolowane elektrycznie można je łączyć tylko ze ściśle określonym potencjałem obwodu dotyczy również radiatorów wspólnych dla kilku przyrządów 76

Wytrzymałość napięciowa W praktycznych przyrządach o wytrzymałości w zasadniczym kierunku blokowania decyduje przebicie lawinowe skrośne może występować jednocześnie (PT PIN, PT IGBT) zmniejsza napięcie przebicia lawinowego W kierunku zaporowym tranzystorów może decydować przebicie skrośne zależnie od typu tranzystora Przebicie lawinowe/skrośne nie jest niszczące samo z siebie, ale: przyrząd przestaje blokować płynie duży prąd (ograniczony impedancją obwodu) duża gęstość prądu aktywacja sprzężenia elektrotermicznego przebicie cieplne uszkodzenie połączeń wewnątrz obudowy duży prąd przy wysokim U=Ubr duża moc wydzielana wysoka Tj Tj > Tj(max) przyrząd poza SOA Tj > Tj(crit) przebicie cieplne 77

Napięcie przebicia Przyrządy bez wzmocnienia prądowego U br =U J(br) Przyrządy z mechanizmem tranzystora bipolarnego U br =U J(br) (1 α F )1/κ ; κ 5 mniejsza wytrzymałość napięciowa większy prąd upływu Napięcia przebicia BJT UCES(br) = UCBO(br) = UJ(br) UCEO(br) < UJ(br) stosowane częściowe zwarcie B-E opornikiem zwiększenie U br UCEO(br) < UCER(br) < UCES(br) kosztem spadku βf Wpływ temperatury na przebicie lawinowe T Ubr niekorzystna jest praca w niskich temperaturach 78

Polaryzacja wsteczna BJT CEO: przebicie skrośne bazy (BE) CES: przewodzenie dla UCE > U TO złącza PN (CB) przewodzenie dla U > U TO złącza PN (diody podłożowej) 1E-3 BJT CEO BJT CES MOSFET DSS IGBT-PT CES BJT+D CEO IGBT-PT+D CES 1E-4 1E-5 IR [A] MOSFET IGBT NPT: blokuje napięcie porównywalne z kierunkiem przewodzenia PT: niższe napięcie przebicia z powodu silnego domieszkowania warstwy buforowej B E N+ P N N+ C N N+ D N P+ C P+ C G S N+ P G 1E-6 E 1E-7 N+ P G 1E-8 0 5 10 15 20 25 E N+ P N N+ UR [V] 79

Wykorzystanie parametrów znamionowych w doborze przyrządu Napięcie znamionowe Prąd znamionowy (ciągły) P d(rat) = stosowalne bezpośrednio zapas +50 100% na przepięcia zależy od warunków chłodzenia jest pochodną mocy dopuszczalnej zwykle Tc(nom) = 25 C warunki nierealistyczne (idealne chłodzenie obudowy, Rth(c-a)=0) może służyć wyłącznie do zgrubnego doboru oraz porównywania przyrządów między sobą I D(rat)= ograniczony przez sterowanie lub doprowadzenia R th(j-c) P D(rat) U DS(on) (I D(rat) ) Wzór prawdziwy zawsze P d(max)= T j(max) T a R th(j-a) Ta typowo 25 C, rozsądniej 40 C uproszczenie na czas wstępnego poszukiwania przyrządu P d(max)= Prąd znamionowy szczytowy T j(max) T c(nom) T j(max) 100 C R th(j-c) dla krótkich impulsów, niskich częstotliwości Rth Zth 80