przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy (1)
Post on 11-Jan-2017
227 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 49
Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy (1)
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 50
Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy (2)
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 51
Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy (3)
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 52
Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy (4)
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 53
Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy (5)
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 54
Parametry przyrządów półprzewodnikowych
● Rodzaje danych 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 techniczne podawane są w kartach katalogowych 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)
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 55
Współczesne osiągi przyrządów mocy
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 56
Częstotliwość przełączania – moc przetwarzana
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 57
Część 3
Sterowanie i bezpieczna praca przyrządów półprzewodnikowych mocy
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 58
Sterowanie polowe z bramką izolowaną (MOS)
VDMOS – struktura asymetryczna
3‑końcówkowa; sterowanie G-S
tranzystor sygnałowy – struktura symetryczna
4‑końcówkowa; sterowanie G-B,
role D/S zamienne
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 59
Sterowanie napięciowo-ładunkowe
● Główny warunek załączenia UGS(on) > UGS(th) – napięcie
progowe bramka-źródło (1…5 V)● Pojemności pasożytnicze
(~10…1000 pF): liniowe: CGN, CGO, CCP, CGD(ox)
nieliniowe, zależne od napięcia (złączowe): CDS, CGD(sc)
● Dodatkowy warunek załączenia ∆QG > QG(on) – załączający
ładunek bramki (~1…100 nC) doprowadzenie ładunku wymaga
przepływu określonego prądu przez określony czas
C ox=Aε ox
t ox=const
C=∆Q∆U
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 60
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
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 61
Rezystancja w obwodzie bramki
● Wpływ na przełączanie zmiana czasu załączania i czasu
wyłączania dwie drogi do tego samego
wniosku:▶ stała czasowa obwodu
bramki
▶ prąd bramki
● Argumenty za skróceniem czasów przełączania
zmniejszenie energii wydzielanej podczas przełączania
możliwość zwiększenia częstotliwości przełączania ⇒
zmniejszenie wymiarów elementów biernych
● Kontrargument indukcja napięć na
indukcyjnościach pasożytniczych
zaburzenia zakłócające pracę▶ samego przyrządu▶ innych przyrządów▶ układu sterowania
u ind=LsdidtQ G=∫ i Gd t
i G=u g−u GS
R G
uGS=UGS(on) (1−e−t /τG)
τ G=RGC in
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 62
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
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 63
Sterownik bramki IR2117
● Wyjście VHO = VS
VHO = VB = VS+Ub
● Łącznik dolny VS = 0, Ub = UGG
najprostszy sterownik bramki
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 64
Droga prądu bramki
● Przepływ ładunku = prąd prąd płynie w obwodzie
zamkniętym, który należy dobrze zaplanować
w przeciwnym razie duży prąd popłynie nieprzewidywalnie
▶ może uszkodzić elementy▶ w obwodzie mogą
występować zaburzenia● Jak najmniejsza długość
i powierzchnia szybkość propagacji generacja zaburzeń przechwytywanie zaburzeń
● Brak odcinków wspólnych z obwodem mocy
inaczej przeniosą się zaburzenia
VHO = VB ; uGS → Ub
VHO = VS ; uGS → 0
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 65
Sterowanie tranzystorów BJTw układach impulsowych
● Wzmocnienie prądowe
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
I C=β f I B
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 66
Punkt pracy w stanie przewodzenia
● Zależność wzmocnienia od prądu kolektora
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
BU1508DX, IC(rat) = 8 A, βf(nom) = 13
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 67
Układy sterowania
Zasilanie dwubiegunowe Zasilanie jednobiegunoweRealizacja źródła prądowego(zasilanie jednobiegunowe)
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 68
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: bezpieczeństwa napięciowego
obwodu głównego bezpieczeństwa cieplnego
obwodu głównego● ale także:
ograniczeń obwodu sterowania ograniczeń obudowy
Tranzystor VDMOS, kierunek przewodzenia
1 – rezystancja w stanie załączenia2 – maksymalny dopuszczalny prąd impulsowy3a – maksymalny dopuszczalny prąd ciągły3 – maks. dopuszczalna moc strat dla pracy ciągłej3b – maks. dopuszczalna moc strat dla pracy impulsowej4 – przebicie cieplne5 – przebicie lawinowe
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 69
Przebicie cieplne
Prąd nośników generowanych cieplnie w obszarze ładunku przestrzennego złącza
Moc odprowadzanado otoczenia
Moc wydzielana w przyrządzie
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 70
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
krytyczne są gorące punkty – w których T jest najwyższa σ jest wyższa, a więc ρ niższa ⇒ ściąganie prądu ⇒ J ↗ p ↗ T ↗ ni ↗ … 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)
półprzewodnik staje się samoistnym o dużej przewodności (mezoplazma) zlanie obszarów N/P uniemożliwia działanie przyrządów – zanikają złącza
● Ostatecznie uszkodzenie mechaniczne (pęknięcie, stopienie) wskutek T
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 71
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
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 72
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
● Rezystancja cieplna – podstawowy parametr wykorzystywany w projektowaniu układów
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]
Rth – rezystancja cieplna [W/K]
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 73
Cieplny układ pracy i elektryczny obwód równoważny
analogpotencjału
analognatężenia prądu
analogrezystancji
analogprawa Ohma
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 74
Cieplny układ pracy z radiatorem
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 75
Zastosowanie radiatorów
● Mechanizmy chłodzenia (oddawania ciepła)
radiacja – promieniowanie podczerwone
konwekcja – makroskopowy ruch czynnika chłodzącego
▶ naturalna – grawitacyjna▶ wymuszona – wentylatory,
pompy● Rezystancja cieplna zależy od:
przewodności cieplnej materiału powierzchni i jej stosunku do
objętości emisyjności powierzchni rodzaju i prędkości przepływu
czynnika chłodzącego
● Montaż pasty termoprzewodzące
zmniejszają Rth(c-s)
podkładki elektroizolacyjne zwiększają 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
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 76
*
*
*
Powierzchnia chłodząca
● Metalowe powierzchnie kontaktu standardowo nie są izolowane elektrycznie można je łączyć tylko ze ściśle określonym potencjałem obwodu dotyczy również radiatorów wspólnych dla kilku przyrządów
*
*
*
*
*
TO-3, 204 TO-220, 247, 262 TO-92 DO-204(DO-35, 41)
dalej przez radiator
dalej przez miedź na płytce
* wyszczególnione wyprowadzenia
DIP
Mon
taż
prze
wle
kany
Mon
taż
pow
ierz
chni
owy TO-252, 263
(DPAK, D2PAK)
S ↗ Rth(j-a) ↘
DO-214,SOD, SOT
np.:
np.: SOIC, (T)(S)SOP, QFP, DFN, QFN
DIPExposed Pad
1206,1812
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 77
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 elektro-termicznego ⇒ 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
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 78
Napięcie przebicia
● Przyrządy bez wzmocnienia prądowego
● Przyrządy z mechanizmem tranzystora bipolarnego
mniejsza wytrzymałość napięciowa
większy prąd upływu● Wpływ temperatury na przebicie
lawinowe T ↗ Ubr ↗ ⇒ niekorzystna jest
praca w niskich temperaturach
● Napięcia przebicia BJT UCES(br) = UCBO(br) = UJ(br)
UCEO(br) < UJ(br)
stosowane częściowe zwarcie B-E opornikiem
▶ zwiększenie Ubr
UCEO(br) < UCER(br) < UCES(br)
▶ kosztem spadku βF
U br=U J(br)
U br=U J(br)(1−α F)1/κ ; κ≈ 5
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 79
Polaryzacja wsteczna
● BJT CEO: przebicie skrośne bazy (BE) CES: przewodzenie dla
|UCE| > UTO złącza PN− (CB)
● MOSFET przewodzenie dla |U| > UTO złącza
PN− (diody podłożowej)
● IGBT NPT: blokuje napięcie
porównywalne z kierunkiem przewodzenia
PT: niższe napięcie przebicia z powodu silnego domieszkowania warstwy buforowej
N+ N− N+E CP
B
N− N+S DP
G
N+
N− P+E CP
G
N+
N− P+E CP
G
N+
N+0 5 10 15 20 251E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3BJT CEOBJT CESMOSFET DSSIGBT-PT CESBJT+D CEOIGBT-PT+D CES
UR [V]
IR [
A]
Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 80
Wykorzystanie parametrów znamionowych w doborze przyrządu
● Napięcie znamionowe stosowalne bezpośrednio zapas +50…100% na przepięcia
● Prąd znamionowy (ciągły) 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
● Prąd znamionowy szczytowy ograniczony przez sterowanie lub
doprowadzenia
P d(rat)=T j(max)−T c(nom)
R th(j-c)
ID(rat)=P D(rat)
UDS(on)(ID(rat))
● Wzór prawdziwy zawsze
Ta typowo 25 °C, rozsądniej 40 °C uproszczenie na czas wstępnego
poszukiwania przyrządu
dla krótkich impulsów, niskich częstotliwości Rth → Zth
P d(max)=T j(max)−T a
R th(j-a)
P d(max)=T j(max)−100 °C
R th(j-c)
top related