Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Politechnika Warszawska ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH Kurs 15/30 g Mieczysław Nowak Czerwiec/lipiec 2009
Informacje wstępne Przekształtnik przedmiot energoelektroniki - układ zbudowany z łączników o dwustanowej pracy i elementów magazynujących energię ( LC) Łączniki - to przyrządy półprzewodnikowe których parametry powinny zapewnić minimalne straty energii często z uwzględnieniem dodatkowego wymagania możliwie wysokiej częstotliwości łączeń Przykładowy przekształtnik prostownik o sinusoidalnym przebiegu prądu pobieranego z linii Magazyny energii Elementy LC - są niezbędne dla poprawnej pracy przekształtnika - ograniczania napięć i prądów i ich pochodnych oraz realizacji filtrów niwelujących efekty dwustanowej pracy łączników O podstawowych cechach użytkowych ( sprawność, waga, wymiary, niezawodność, cena) przekształtników decydują właściwości zarówno łączników przyrządów półprzewodnikowych jak i elementów magazynujących LC i transformatorów 0/1
Zakres przedmiotu: 1. Wprowadzenie - (EE_1) - (EE_1) 3. Przyrządy półprzewodnikowe - (EE_2 EE_4) Dioda-, Tranzystor bipolarny-, Tyrystor -, GTO-, MOS-, IGBT-, Inne 4. Zasady stosowania przyrządów pp. - (EE_5) Sterowanie, zabezpieczanie, elementy specjalne 5. Projektowanie termiczne - (EE_6) 6. Elementy LCT - (EE_7 EE_9) 7. Podsumowanie/Test sprawdzający - 0/2
Literatura: Nowak M. Barlik R. Poradnik inżyniera energoelektronika WNT 1998 Januszewski S., Świątek H. Zymer K. Przyrządy półprzewodnikowe mocy WKiŁ 1999 Mohan N., Undeland T. M., Robbins W. Power Electronics John Wiley &S NJ 1995 Napieralski A., Napieralska M. Polowe przyrządy półprzewodnikowe dużej mocy WNT 95 0/3
Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH 1. Wprowadzenie 2. Właściwości fizyczne półprzewodników P W Mieczysław Nowak Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Czerwiec/lipiec 2009
1. Wprowadzenie 1.1. Rys historyczny rozwoju nowoczesnych przyrządów półprzewodnikowych Prace badawcze podstawowe w dziedzinie półprzewodników Pierwsza połowa XIX w 1822 Seeback badania siarczku ołowiu; 1833 Faraday siarczek srebra, 1839 -Becquerel złącze półprzewodnik/elektrolit 1875 Siemens fotodetektor selenowy... 1910-30 Bohr, Dirac, Heisenberg... mechanika kwantowa Era przekształtników przed półprzewodnikowych : koniec XIX, początek XX wieku łączniki mechaniczne (wibratory), lampy, lampy gazowane, tyratrony, prostowniki rtęciowe, prostowniki selenowe 1/1
1. Wprowadzenie 1.2. Przyrządy półprzewodnikowe Si daty wprowadzenia Tranzystor (zasada) 1948 Dioda energetyczna 1954 Tyrystor 1957 GTO(?) 1961 SIT 1975 MOS 1976 IGBT 1982 inne istotne wynalazki Konstr. pastylkowa 1966 Obudowa plastyk. 1967 Moduł 1976 Fototyrystor 1978 Dioda z węglika- krzemu 2002 MCT 1987 IGCT 1995 1/2
Półprzewodnik samoistny półprzewodnik samoistny siatka krystaliczna krzemu Liczba istniejących w półprzewodniku par elektrondziura jest określona zależnością charakteryzująca tzw. generację samoistną (naturalną - intrinsic) n 2 i qe C exp kt Dla czystego krzemu o Eg = 1,1 ev w temperaturze pokojowej n i = 10 10 g W materiale półprzewodnikowym stosuje się domieszkowanie atomów typu n w których głównie przewodzą elektrony oraz domieszkowanie typu p o dominacji przewodnictwa za pośrednictwem dziur. O liczbie dziur i elektronów jako nośników prądu w materiale domieszkowanym decyduje liczba atomów domieszek na cm 3 2/1
W cm 3 krzemu istnieje 10 23 atomów. Gęstość domieszek jest ustalana w technologicznym procesie na poziomie 10 13 10 19 ( przy największej koncentracji 1 atom domieszek na 10000 atomów krzemu przy najmniejszej 1 na 10000000000). W przedziale temperatury -100 C +150 C gdy wszystkie atomu domieszek są zjonizowane a generacja samoistna dostarcza pomijalnie mało par nośników w domieszkowanym półprzewodniku obowiązuje prawo działania mas tzn n 0 p 0 = n i 2 Półprzewodnik domieszkowany Np: Przy domieszkowaniu 10 19 atomów fosforu /cm 3 w podanym przedziale temperatur liczba elektronów uwolnionych do pasma przewodnictwa n 0 wynosi 10 19 a zatem liczba dziur w tym materiale p 0 wynosi 10 4 ( jedna dziura na tysiąc bilionów elektronów) {Nie należy rozumieć że materiał jest elektrycznie nieobojętny. Dziura i elektron oznaczają w tym przypadku środek transportu ładunku a nie sam ładunek} Podobnie przy domieszkowaniu 10 14 atomów indu/cm3 liczba dziur uwolnionych jest ~10 14 a liczba elektronów 10 6 ( jeden elektron na sto milionów dziur). 2/2
Jeżeli liczba nośników w jakimś obszarze półprzewodnika na skutek zaburzenia ( np. dopłynięcia z obszarów sąsiednich) przewyższa charakterystyczne wartości p 0 lub n 0 to w procesie przyspieszonej rekombinacji następuje zmniejszanie nadwyżki do zera. Obowiązuje przy tym równanie d ( X n, p ) X n, p dt przy czym - stała czasowa rekombinacji może być w procesie wytwarzania półprzewodnika w znacznym zakresie zmieniana przez wytwarzania tzw. centrów rekombinacji. Rekombinacja W przypadku gdy gęstość nadmiarowych ( tzn przekraczających charakterystyczne wartości n 0 lub p 0 ) nośników są bardzo duże i przekraczają wartość x 0 = 10 17 cm -3 to proces rekombinacji ulega znacznemu przyspieszeniu co odzwierciedla sie we wzorze na stałą czasową 0 1 ( x / x Jeżeli np. x= 10 18 a charakterystyczna wartość x 0 =10 17 to stała czasowa ulega stukrotnemu skróceniu. To zjawisko zwane rekombinacja Augera ma istotne znaczenie dla procesów dynamicznych przy wyłączaniu przyrządów mocy 0 ) 2 2/3
Przepływ prądu w półprzewodniku Ruch nośników związany z przepływem prądu wiąże się z unoszeniem ładunków w polu elektrycznym ( dryft) przesuwaniem sie ładunku z obszarów o większej koncentracji w kierunku koncentracji mniejszej Gęstość prądu wypadkowego jest sumą składowej pochodzącej od dryftu (J DR ) i składowej pochodzącej od dyfuzji (J DF ) (dyfuzja) J J DR DF qe( n p p ) J DFn n J DFp q( nd D p p n dn dx Dn n pd kt q p dp dx Współczynniki ruchliwości dziur i elektronów w polu elektrycznym (μ p i μ n ) współczynniki dyfuzji (D p i D n ) są powiązane relacją Einsteina: ) 2/4
Rozkład ładunku przestrzennego Natężenie pola elektrycznego Rozkład potencjału Złącze p-n Złącze skokowe (metalurgiczne) bez polaryzacji Powstaje strefa złączowa o szerokości W 0 wyznaczona przez ładunek przestrzenny wynikającym z dyfuzyjnej ucieczki dziur z obszaru p i elektronów z obszaru n. Potencjał złączowy przy domieszkowaniu atomami i akceptorami odpowiednio N a i N d zależy od stopnia domieszkowania: Potencjał złączowy f 0 dla krzemu w temperaturze pokojowej i typowych wartościach domieszek wynosi ~0,7V. Szerokość strefy złączowej W 0 przy braku polaryzacji : W 0 kt f0 ln q 2f 0 ( N qn Maksymalne natężenie pola elektrycznego przy braku polaryzacji zewnętrznej : E 0max a N N a N a 2 ni d N 2f0 W 0 d d ) 2/5
Złącze p-n Przy napięciu U p dodatnim strefa zawęża się do zera. Również natężenie pola maleje do wartości bliskich zeru. Przy polaryzacji napięciem ujemnym ( wstecznej) strefa ulega rozszerzeniu Maksymalne natężenie pola elektrycznego przy polaryzacji zewnętrznej : E 2f 0 Upmax 1 W0 W Up U p f jest przy polaryzacji wstecznej wielkością krytyczną z punktu widzenia wytrzymałości napięciowej Gęstość prądu płynącego przez złącze z zamkniętym obwodem polaryzacji zewnętrznej : J qn 2 i 1 N a D n n 1 N d D p p U p W0 1 f 0 ( e qu p kt 0 1) odzwierciedla podstawową ch-kę napięciowo-prądową złącza pndiody. Szerokość strefy złączowej W Up ulega zmianie wzgledem W 0 zgodnie z wzorem: 2/6
Złącze p-n Ch-ki napięciowo prądowe złącza rzeczywistego Przy przewodzeniu w ch-ce wypadkowej (linia-3) należy uwzględnić spadki napięcia na obszarach pozazłączowych i doprowadzeniach (linia 1){ linia 2 - ch-ka idealna} Przy polaryzacji wstecznej ch-ka rzeczywista powstaje z superpozycji chki idealnej ( linia-1), ch-ki konduktancji omowej ( linia 2) i ch-ki zjawiska lawinowego ( linia 3) Wytrzymałość napieciowa złącza - najważniejszy parametr każdego z przyrządów półprzewodnikowych określona jest przez napięcie przebicia lawinowego. Wartość tego napięcia jest zdeterminowana przez maksymalne dopuszczalne natężenie pola elektrycznego występujące w krzemie w strefie złącza spolaryzowanego napięciem wstecznym. W krzemie maksymalne natężenie pola przy którym rozpoczyna się zjawisko lawinowego powielania nośników wynosi E max =200 000V/cm 2/7
Złącze p-n realne przyczyny ograniczenia napięcia O uzyskiwanej w praktyce wytrzymałości napięciowej diod decydują zjawiska występujące w rejonach deformacji strefy złączowej a zatem w pobliżu zakrzywienia powierzchni złącza lub w obszarze powierzchniowej złącza. Na rysunku pokazano przekrój struktury diody w której wytworzono złącze metoda dyfuzji domieszek p do pastylki materiału słabo domieszkowanego n. Jak widać powierzchnia złącza wykazuje zakrzywienie i należy oczekiwać, że w jego pobliżu może występować wzrost natężenia pola krytyczny z punktu widzenia wytrzymałości napięciowej związanej z zjawiskiem przebicia lawinowego. Dzięki zastosowaniu nałożonych na powierzchnię pierścieni metalowych lub wytworzenie dodatkowych pierścieni dyfundowanych domieszkami p następuje wyrównanie rozkładu pola. 2/8
Złącze energetyczne p-n (PiN) Dla zapewnienia dużej wytrzymałości napięciowej złącza a jednocześnie zapewnienia niewielkiego spadku napięcia w stanie przewodzenia w przyrządach półprzewodnikowych stosuje sie specjalne złącze zwane energetycznym złącze typu PiN ( i intrinsic) * ** Strefa zubożona ( słabo domieszkowana) usytuowana pomiędzy warstwami silnie domieszkowanymi umożliwia rozprzestrzenienie się warstwy zaporowej złącza przy zachowaniu nie przekroczonej wartości natężenia pola. Strefa ta nazywana jest rejonem (strefą) dryftu. Przy projektowaniu złącza typu PiN możliwe są dwa sposoby kształtowania profilu pola w strefie złączowej: trójkątny i prostokątny. Można wykazać i stwierdzić praktycznie, że dla określonej wytrzymałości napięciowej przy profilu prostokątnym grubość strefy dryftu może być blisko dwukrotnie mniejsza niż przy profilu trójkątnym 2U E * BR Wd ** max W d U BR E max 2/9
Złącze energetyczne p-n (PiN)- napięcie w stanie przewodzenia Szerokość strefy dryftu ma istotny wpływ na właściwości złącza w stanie przewodzenia. Można wykazać, że spadek napięcia na strefie dryftu jest proporcjonalny do W d2 i zależy od stałej czasowej rekombinacji, która decyduje o stopniu nasycenia tej strefy o bardzo małym domieszkowaniu nośnikami nadmiarowymi dopływającymi z silnie domieszkowanych warstw. Całkowite napięcie na przewodzącym złączu energetycznym U ZE jest sumą napięcia złączowego - U j oraz dodatkowego napięcia na strefie dryftu U drf zgodnie z zależnością: U ZE U j U przy czym napięcie dryftu U drf jest określone relacją: U drf 2 Wd ( ) p W przypadku gdy w złączach szybko przełączających przyrządów stosuje się znaczne skrócenie stałej czasowej rekombinacji przez zwiększenie liczby centrów rekombinacji należy liczyć się ze zwiększeniem spadku napięcia w stanie przewodzenia n drf 2/10
Właściwości dynamiczne złącza energetycznego p-n Złącze energetyczne p-n - elementarna struktura przyrządów półprzewodnikowych bipolarnych stosowanych jako szybkie łączniki wymaga charakteryzacji z punktu widzenia właściwości dynamicznych opisujących procesy załączania t.j. przejścia do stanu przewodzenia i wyłączania t.j. przejścia do stanu polaryzacji wstecznej. Przy załączaniu do diody wtłaczany jest prąd przy określonej stromości narastania di/dt. Przy braku nasycenia strefy dryftu nośnikami nadmiarowymi które nie zdążyły dopłynąć z warstw silnie domieszkowanych na diodzie występuje znacznie większe napięcie niż w stanie ustalonego przewodzenia Przy wyłączaniu diody pod wpływem zewnętrznego napięcia następuje zmniejszenie prądu do zera a następnie przepływa impuls prądu wstecznego przez czas zależny od charakterystycznych parametrów złącza głównie stałej czasowej rekombinacji i grubości warstwy słabo domieszkowanej Proces narastania i opadania ładunku w złączu energetycznym przy załączaniu i wyłączaniu 2/11
Złącze metal półprzewodnik ( dioda Schottkky ego) Złącze powstaje na skutek tego, że elektrony w materiale typu n mając wyższą energię od elektronów w metalu przepływają w znacznej ilości do elektrody metalowej. Na pograniczu warstwy n i metalu powstaje obszar zjonizowany o ładunku dodatnim blokujący dalszy przepływ elektronów. Doprowadzenie do elektrody metalowej dodatniego napięcia zewnętrznego powoduje likwidacje bariery i umożliwia przepływ prądu już przy napięciu 0,3V. Bariera złączowa powstaje tylko w wyniku kontaktu metalu z półprzewodnikiem słabo domieszkowanym. Kontakt z obszarem silnie domieszkowanym nie daje efektu złączowego ( tzw kontakt omowy) dzięki czemu możliwe jest wyprowadzenie katody (patrz rysunek ) W realizacji praktycznej z uwagi na znaczne zakrzywienia strefy złączowej i występujące w tym rejonie znaczne natężenia pola elektrycznego nie jest możliwe uzyskanie krzemowych (!) diod Schottky ego na napięcia wsteczne większe niż 200 V. Dioda Schottky ego jest przyrządem unipolarnym, w którym przewodzą tylko nośniki większościowe ( w materiale n elektrony i grubość strefy dryftu i stopień jego domieszkowania ma zasadniczy wpływ na spadek napięcia w stanie przewodzenia. Diody Schottky ego na wyższe napięcia wymagają grubszych warstw słabo domieszkowanych a wiec cechuje je większe napięcie przewodzenia Niezwykle ważną zaletą diod Schottky ego jest brak przy wyłączaniu ładunku przejściowego związanego z obecnością ładunków nadmiarowych w strefie dryftu charakteryzująca przyrządy bipolarne. Dzięki temu nie pojawia się przejściowy prąd wsteczny i znacznie maleją straty łączeniowe w obwodach z diodami tego rodzaju. Od kilku lat produkowane są diody Schottky ego z węglika- krzemu w których dopuszczalne napięcie wsteczne przekracza 1000V 2/12
Wzajemne oddziaływanie złączy bipolarny tranzystor złączowy (BJT) Tranzystor bipolarny BJT ( Bipolar Junction Transistor) jest przykładem wykorzystania zjawiska oddziaływania złączy pozostających w niewielkiej odległości w obszarze jednej monolitycznej bryły półprzewodnikowego materiału. Zgodnie z szkicem w ramach jednej struktury występują dwa złącza - kolektorowe J CB (zbierające nośniki) spolaryzowane zaporowo i emiterowe J BE - dostarczające nośniki w sposób kontrolowany ( spolaryzowane zaporowo lub w kierunku przewodzenia) Przy polaryzacji złącza emiterowego w kierunku zaporowym brak dopływu nośników do do obszaru bazy i również przez złącze kolektorowe nie płynie prąd. W przypadku gdy na skutek zewnętrznej polaryzacji zostanie wymuszony dopływ nośników mniejszościowych (zwykle elektronów) z silnie domieszkowanego obszaru warstwy emiterowej to dominująca część tych nośników dociera do strefy złączowej J CB i jako prąd kolektorowy przepływa przez obszar słabo domieszkowany odpowiedzialny z a wytrzymałość napięciową tranzystora i dociera do zewnętrznej warstwy doprowadzenia kolektora. Podstawowy parametr tranzystora odzwierciedlający wzajemne oddziaływanie złączy to wzmocnienie prądowe tranzystora określające relację pomiędzy prądem kolektora i prądem bazy który jest wielkością sterującą: I I C B 2/13
Złącze sterowane polem złączowy tranzystor polowy (JFET) Złącze przystosowane do sterowania polem wytworzonym w strefie złączowej musi mieć odpowiednia budowę tak jak to prezentuje szkic. W obrębie pojedynczej komórki materiału typu n występuje podwójne złącze przepust utworzone przez obszary silnie domieszkowane (p+). Doprowadzenia D( dren - Drain) i S ( źródło Source) tworzą obwód główny o kontrolowanej przewodności ( sterowany). Doprowadzenie do obszarów p+ to elektroda sterująca G ( bramka - Gate). Przy napięciu U GS =0 obszary przy złączach pozbawione ładunku sa znikome i kanał dla przepływu prądu pomiędzy drenem i źródłem jest w pełni otwarty. Polaryzacji bramki G napięciem ujemnym wzgl. S (źródła) powoduje rozszerzenie się strefy złączowej zwężenie kanału. Przy pewnej wartości napięcia zależnej od napięcia U DS następuje całkowite zamknięcie kanału i przepływ prądu przez komórkę pomiędzy S i D nie jest możliwy. Opisaną właściwość jest odwzorowana przez charakterystyki podane w dole rysunku. Tego rodzaju struktura o cechach przyrządu sterowanego napięciem to złączowy tranzystor polowy JFET (JunctionField Effect Transistor). W łączniku mocy konieczna jest integracja wielkiej liczby mikrokomórek dla uzyskania dostatecznie dużych wartości prądu dopuszczalnych w stanie przewodzenia. Tranzystor JFET jest przyrządem unipolarnym tzn o jednym typie nośników przewodzących prąd. Wobec braku strefy dryftu nasycanego nośnikami nadmiarowymi jest bardzo szybki. Zasadnicza wadą polowych złączowy łączników mocy jest fakt przewodzenia prądu przy zerowym napięciu bramki ( łącznik normalnie przewodzący) 2/14
Złącze sterowane polem tranzystor polowy z izolowaną bramką (MOS) Oddziaływanie na złącze w celu uzyskania przyrządu sterowanego jest możliwe przez wytworzenie w obszarze półprzewodnika silnego pola elektrycznego. Uzyskuje się to dzięki naładowaniu elektrody metalizacji na bardzo cienkiej warstewki izolatora ( SiO 2 ) przylegającej do struktury warstwowo złączowej półprzewodnika (n + /p/n - /n + podobnej do występującej w tranzystorze bipolarnym) w sposób podobny do przedstawionego na rysunku. Przy braku ładunku nienaruszone złącze p/n- blokuje przepływ prądu. Doprowadzony ( z układu sterownika) ładunek dodatni względem półprzewodnika powoduje wytworzenie tak silnego pola, że cienka warstwa materiału p pod elektrodą traci swoje właściwości w procesie inwersji i tworzy kanał który umożliwia przepływ prądu. Aby kanał otworzył sie napięcie bramki względem źródła musi przewyższyć tzw napięcie progowe U GS(th). Można wyróżnić trzy specyficzne zakresy relacji pomiędzy napięciem bramki U GS napięciem U DS i prądem drenu I D I D dla U DS >U GS -U GS(th) : dla U DS U GS -U GS(th) : dla U DS <U GS -U GS(th) : K U 2 ( GS UGS( th) ) I K D ( U DS U DS rds( on) Tranzystor MOSFET jako przyrząd unipolarny cechuje wielka szybkość przełączania i prostota sterowania 2 ) I D 2/15
Półprzewodnikowe, KRZEMOWE przyrządy mocy PODSUMOWANIE Podstawowe obszary zastosowań: W ciągu 50 lat absolutnej dominacji krzemu technologie wytwarzania łączników mocy osiągnęły granice rozwoju i dalsza poprawa parametrów z zastosowaniem tego materiału staje się niemożliwa. Trwają prace badawcze nad wprowadzeniem nowych materiałów półprzewodnikowych 2/16
Nowe materiały półprzewodnikowe Węglik krzemu SiC - materiał znany od ponad 50 lat - od ponad 20 lat trwają coraz intensywniejsze prace nad zastosowaniem w elektronice Teoretycznie materiał bardzo obiecujący Parametry Rezystancja przewodzenia Prąd nasycenia Przewodność termiczna. Gęstość mocy Blokowane napięcie. Temperatura pracy W praktyce niezwykle trudny : Powstaje w procesie resublimacji w temperaturze znacznie powyżej 2000ºC. Konieczne jest uzyskanie jednej z 150 możliwych konfiguracji w siatce bez występowania deformacji Inne perspektywiczne materiały: Azotek galu GaN Diament Arsenek galu 2/17
R W on( spec) D R 2V E BR max on( spec) WD q N N n D D se 2qV 4V s Nowe materiały półprzewodnikowe 2 max BR 2 BR 3 nemax Węglik krzemu SiC Przy obecnie uzyskiwanych wartościach napięcia przyrządy bipolarne SIC z uwagi na większe napięcie złączowe w stanie przewodzenia nie są konkurencyjne w stosunku do krzemowych. Pozostaje argument pracy w goracych aplikacjach Dzięki temu, że krytyczna wartość natężenia pola elektrycznego dla SiC jest kilkunastokrotnie większa niż dla Si rezystancja strefy dryftu w takim przyrządzie jest wielokrotnie mniejsza niż w przyrządach krzemowych o takim samym napięciu 2/18
Nowe materiały półprzewodnikowe Węglik krzemu SiC pierwsze przyrządy mocy na rynku i w badaniach Dioda Schottky ego - przyrząd od kilku lat dostępny Cree, 1200V / 50A Infineon, 1200V/5A Sensitron ( 2,5 kv /20A mostek) Tranzystor polowy, złączowy JFET SiCED serie prototypowe (1500V/5A) Semisouth (b.d) Tranzystor bipolarny złączowy BiT (BJT) TranSiC serie prototypowe ( 1200V/6A) testowany w temp. 80 +500 C); 600V /20A Spodziewany w połowie 2009; Tranzystor MOSFET (10A/1200V ) Cree 2/19