v.katić - ee1- i deo-snažne polupr. kompon

7/21/2019 V.katić - Ee1- I Deo-Snažne Polupr. Kompon

http://slidepdf.com/reader/full/vkatic-ee1-i-deo-snazne-polupr-kompon 1/34

V.Katić ENERGETSKA ELEKTRONIKA 15

2. Savremene komponente energetske elektronike

Komponente energetske elektronike možemo podeliti na:- aktivne poluprovodičke komponente – snažni poluprovodnički prekidači i- pasivne – otpornici, prigušnice i kondenzatori

Postavlja se pitanje šta je snažni poluprovodnik?Pod snažnim poluprovodničkim komponentama podrazumevmo one poluprovodnike kodkojih je radni napon veći od 50 V i struja u provodnom stanju veća od 5 A. U energetskojelektronici ih koristimo u prekidačkom režimu rada, pa ih nazivamo i snažnim poluprovodničkim prekidačima.Svoj rad zasnivaju na elektronskom principu, odnosno na kretanju naelektrisanja(elektrona i šupljina) u povezanim slojevima p i n tipa poluprovodnika. Snažni

poluprovodnici imaju specijalnu unutrašnju strukturu, koja se razlikuje od signalnih poluprovodnika (komponenti malih i mikro snaga) i koja im omogućuje velika naponska istrujna naprezanja. Osnovni materijal, na bazi kog su konstruisani, je kristal silicijuma(Si).

2.1. Podela snažnih poluprovodnika

Dele se u tri familije:1. diode (dvoslojna struktura – pn),2. tranzistori (troslojna struktura - pnp ili npn) i3. tiristori (četvoroslojna struktura – pnpn ili npnp).

Dalja podela je moguća po sledećim kriterijumima:1. podela po vremenu pojavljivanja:

- konvencionalni (komercijalni) – koji su se pojavili pre 1980. g. - dioda,tiristor, trijak, GTO1, BPT2, MOSFET3, IGBT4 tranzistor,

- moderni – posle 1980.g. - SIT5, SITh6, MCT7.2. podela po načinu rada:

- neupravljivi - dioda, trijak - poluupravljivi - tiristor, trijak - punoupravljive - sve vrste tranzistora i GTO tiristori, kao i sve moderne

komponente3. podela po vrsti signala za aktiviranje:

- strujni - tiristor, bipolarni tranzistori, GTO, trijak - naponski - mosfet, IGBT

4. podela po frekvenciji rada

1 GTO – Gate Turn Off 2 BPT – BiPolar 3 MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 4 IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor 5 SIT – Static Induction Transistor 6 SITh – Static Induction Thyristor 7 MCT – MOS Controlled Thyristor




- spori, za frekvencije rada manje od 2 kHz - tiristor, trijak, GTO- brzi, za frekvencije rada manje od 10 kHz - bipolarni tranzistor - ultrabrze, ultrasonične, za frekvencije rada veće od 20 kHz - MOSFET,

IGBT, moderne komponente

2.1.1. Idealni prekidač:

u P

Pi P

+

i P

u P

Slika 2.1.1.1 – Idealni prekidač: Simbol (levo) i Staička, U-I karakteristika (desno)

Osobine:1. Otvoren izdržava visoki napon off u >>.

2. Otvoren ima struju curenja (leakage current) jednaku 0,0 off i .

3. Zatvoren ima napon vođenja (conduction drop) jednak

0, 0onu .4. Zatvoren izdržava visoku struju vođenja oni >>.

5. Izdržava visoku temperaturu J T >>.

6. Ima visoku frekvenciju rada f>> odnosno vremeuključenja i isključenja 0, 0 off on t t .

7. Snaga potrebna za uključenje ili isključenja 0:0 off on P P .

8. Ima visoko MTBF (= Mean Time Between Failure =

srednje vreme kvara).9. Ima nisku cenu.

Ovakav prekidač se ne može materijalizovati, ali mu se savremeni prekidači veoma približavaju.

Idealni prekidač se često koristi u simulacijama i u edukativne svrhe. Najčešće se posmatra njegov rad u 2 kvadranta!

0

0

ON

OFF

gub

R

R

P

dis P




2.1.2. Snažna dioda

Slika 2.1.2.1 – Poprečni presek diode Slika 2.1.2.2 - Statička U-I karakteristika diode.

Statička U-I karakteristika se prostire u I i III kvadrantu (slika 2.1.2.2). Pri pozitivnoj polarizaciji, dioda počinje da provodi kad napon pređe prag provođenja 0 DU . Otpor tada

naglo pada i struja nelinearno, naglo raste, dok pad napona ostaje mali. Ako struja pređemaksimalno dozvoljeno (

DMAX I ) dolazi do termičkog uništenja. Kod inverzne polarizacije

kroz diodu, teče mala inverzna struja ( R I ), koja je reda mA. Kad inverzni napon preraste

dozvoljeni ponovljivi maksimum RRM U , dolazi do lavinskog efekta, naglo poraste

inverzna struja i dioda probija.

0 DU je veće za veći RRM U jer je šira oblast n koja unosi dodatnu otpornost.

Osnovne veličine kojima se karakteriše snažna dioda su:

RRM U - maksimalni inverzni (UAK < 0) ponovljivi napon,

D FAV I I , - srednja vrednost struje vođenja,

DM FM SM I I I ,, - maksimalna udarna struja vođenja,

R I - inverzna struja,

D F U U , - pad napona u provodnom stanju,

00 , D F U U - napon praga provođenja,

rr t - inverzno vreme oporavka,T op ,θ - radna temperatura.

Osnovna karakteristika snažne diode je da provodi (ima malu otpornost) ako je anoda navećem potencijalu od katode tj. direktno polarisana. Dioda ne provodi (ima veoma velikuotpornost) ako je inverzno polarisana. Snažna dioda ima PN strukturu, odnosno sastoji seod jako dopiranih P i N područja između kojih se nalazi slabo dopirano N ili P područje(slika 2.1.2.1). Ovakva struktura obezbeđuje visoki probojni napon, veliku dopuštenugustinu struje u provodnom smeru, malu inverznu struju i mali pad napona tokomvođenja.

(n) Nd=101 cm-

(n(p)) Nd=1014cm-3

(p) Na=1019cm-3




Snažna dioda se najčešće proizvodi u tri oblika kućišta: 1. vretenasto, 2. tanjirasto i 3.modularno. Prvi oblik kućišta je karakterističan za snažne diode manjih snaga. Kućištenije izolovano, završava se vijkom i ono obično predstavlja anodu Katoda je odvojena odkućišta izolacionim prstenom i izvedena je u obliku krutog ili savitljivog provodnika saomčastom stopicom. Tanjirasto kućište omogućava dobro hlađenje pa je pogodno zavelike snage. Jedna strana je katoda, a druga anoda. Potrebni su specijalni držači zamontiranje, koji su obično u sklopu hladnjaka. Snažne diode u modulima su najnovijerešenje. Modul se sastoji od dve ili više dioda, koje su povezane na određen način.Karakteristična osobina modula je izolovana metalna površina za pričvršćenje nahladnjak. Primeri komercijalnih realizacija raznih tipova dioda dati su na slici 2.1.2.3.

a)

b)

c)

Slika 2.1.2.3 - Primeri komercijalnih realizacija raznih tipova kućišta dioda: a) vretensto

kućište, b) tanjirasto kućište, c) modularno kućište (diodni moduli).




Dinamičke karakteristike (slika 2.1.2.4):- uključenje : brzo ako je 0 D D U U

- u radu : D D DF rI U U 0

20

1 Def Dsr D g rI I U idt u

T P (2.1.2.1)

- isključenje : 1. problem, 2. potrebno je izvesno vreme -rr t ., 3. javlja se

intezivna inverzna struja naročito ako je potrošač induktivnog tipa

Slika 2.1.2.3 - Proces isključivanja diode za a) omski potrošač i b) induktivni potrošač.

Snažne diode se najčešće proizvode kao:

1. mrežne ili ispravljačke,2. šotki (schottkey),3. brze diode (fast-recovery).

Mrežne diode su predviđene za ispravljanje mrežnog naizmeničnog napona. Imaju nizak napon provođenja (0,7 - 1,2 V) i širok dijapazon vrednosti

RRM U (od par stotina V do

nekoliko kV) i D I (od desetak A do nekoliko kA). Zbog niske radne frekvencije mr f ,vreme

rr t nije kritično i obično je reda nekoliko s.

Šotki diode se karakterišu veoma niskim naponom provođenja DF U (obično 0,3V) i

kratkim vremenom oporavkarr t (reda ns). Koriste u kolima sa niskim izlaznim naponom.

Međutim, napon RRM U i

D I su limitirani na niske vrednosti - oko 100V i 300A.

Brze diode se koriste u visoko frekventnim kolima, gde su izraženi komutacioni gubici.Karakterišu se veoma kratkim vremenom oporavka rr t < 100 ns i visokim naponskim i

strujnim limitima RRM U < 3 kV i

D I < 1 kA.




2.1.3. Tiristor

Pod tiristorima (SCR - silicon controlled rectifier) se podrazumeva familija brzih poluprovodničkih prekidačkih elemenata čija je funkcija da regulišu snagu, struju i naponu električnim kolima jednosmerne ili naizmenične struje. Na slici 2.1.3.1 prikazan jesimbol tiristora u električnim šemama sa oznakama krajeva i referentnim smerovimastruja i napona. Poseduju tri kraja (priključka, terminala, elektrode):

Anodu (A, pozitivan kraj),

Katodu (K, negativan kraj) i

Gejt (G, kapija ili bravica, komandni priključak)

Slika 2.1.3.1 – Električni simbol tiristora

Dele se u tri glavne grupe:

1. tiristori (u užem smislu),2. trijaci i3. dijaci.

Zajednička im je osobina da su to bistabilni elementi sa četvoroslojnom - pnpn ili npnpstrukturom. Na slici 2.1.3.2 data je unutrašnja poluprovodnička struktuta, kao itranzistorski ekvivalent tiristora.

Tiristor se dovodi u provodno stanje pozitivnom polarizacijom ( 0 AK U ) i strujnim

impulsom na gejtu ( G I ). Uključenje tiristora se može izvesti i povišenjem direktnog

napona iznad maksimalno dozvoljenog ( DRM U ), povišenom temperaturom,

prekoračenjem kritične brzine porasta blokiranog napona ( dt du ) ili osvetljavanjem

(zračenjem). Tiristor se isključuje ako mu struja padne ispod struje držanja ( H I ).




a)

b)

A

G

n

n

n

K

A

G

n

n

n

K

Slika 2.1.3.2 – a) Unutrašnja poluprovodnička struktura tiristora; b) Tranzistorski

ekvivalemnt tiristora

Na slici 2.1.3.3 je predstavljena a) struktura tiristora, b) i c) njegov tranzistorskiekvivalent i d) njegova oznaka u električnim šemama.

a) b) c) d)

Slika 2.1.3.3 - Tiristori: a) Poprečni presek , b) i c) Tranzistorski ekvivalent i, d) oznaka.

Sa slike 2.1.3.3 c) se dobija za struju tiristora:

I I I I I I I A B C K R A R 1 1 2 2 1 1( ) ( )α α (2.1.3.1)

I I I K A G (2.3.1.2)




pa je:

I I I

A

R G

α

α α

2

1 21 ( )

(2.3.1.3)

gde je 21 R R R I I I - ukupna inverzna struja, 1α i 2α - strujna pojačanja tranzistora, G I -

struja gejta. Da bi se tiristor mogao dovesti u provodno stanje tj. da mala promena strujegejta izazove veliku promenu anodne struje, potrebno je da 21 αα bude blisko jedinici,dok da bi se ugasio, taj zbir mora biti blizak nuli.Tiristor se najčešće smešta u tri tipa kućišta, kao i snažna dioda: 1. vretenasto (slika2.1.3.4.a), 2. tanjirasto (slika 2.1.3.4.b) i 3. modularno (slika 2.1.3.4.c). Na slici 2.1.3.4 jedat njihov izgled, s tim da se na slici 2.1.3.4.a) dat poprečni presek i unutrašnjakonstrukcija za vretenasto kućište.Osnovne osobine tiristora su visoki inverzni i direktni probojni napon, veliko pojačanje u

procesu uključivanja, velika vrednost struje vođenja, robusnost, mogućnost impulsnogstrujnog preopterećenja, mala inverzna struja i pad napona u stanju vođenja.

Slika 2.1.3.4 - Kućišta tiristora: a) vretenasto - unutrašnja konstrukcija, b) tanjirasto,

c) modul.




d)

e)

f)

Slika 2.1.3.4 – nastavak: d) primeri vretenastog kućišta, e) primeri tanjirastog kućišta i

načina montaže, f) primeri modularnog kućišta.




Na slici 2.1.3.5 su date statičke karakteristike tiristora - a) anodna (izlazna) i b)gejta (ulazna). Iz njih se vidi način rada tiristora. Kod direktne polarizacije, radna tačkase nalazi na jednoj od grana direktne zaprečne oblasti. Ako napon preraste U doći će do proboja i radna tačka će skočiti na provodnu granu. Normalno, tiristor se okida impulsomna gejtu i tad dolazi do skoka radne tačke na provodnu granu. Njen položaj zavisi od parametara kola. Tiristor se isključuje kad radna tačka padne ispod I i zbog negativne polarizacije ode u treći kvadrant u inverznu zaprečnu oblast. Karakteristika gejta je datakao površina sigurnog okidanja. Ona je omeđena krivom najgoreg i najboljeg pn spojaserije, krivom disipacije (u zavisnosti od tipa impulsa gejta) i minimalnim i maksimalnimvrednostima struje i napona. Ona zavisi od temperature. Da bi se tiristor uključio, potrebno je da radna tačka kola gejta bude u oblasti sigurnog okidanja.

Slika 2.1.3.5 - Statičke karakteristike tiristora: a) anodna, b) gejta.

Osnovne kataloške veličine su:

RRM U - maksimalni inverzni ( 0 AK U ) ponovljivi napon,

DRM U - maksimalni direktni ( 0 AK U ) ponovljivi napon,

TAV I - srednja vrednost struje,

TSM I - maksimalna udarna struja,

R I - inverzna struja,

dt du - brzina promene napona,dt di - brzina promene struje,

qt - vreme odmora (oporavka).

Primer rada tiristora, kao upravljivod ispravljača dat je na slici 2.1.3.6. Predstavljeno je jednostavno kolo, gde se ulazni naizmenični napon (u) pretvara u jednosmerni na potrošaču R (u R), uključivanjem tiristora pomoću kratkih strujnih impulsa na gejtu (iG). Naponsko napreezanje tiristora je dato padom napona između krajnjih priključaka (uA).




R uR u

i A

iG

u A

T

Slika 2.3.1.6 – Prikaz rada prostog tiristorskog isravljača.




Dinamičke karakteristike tiristora mogu se prikazati preko izgleda struje i napona tokomuključivanja i isključivanja tiristora. Ovi dijagrami su dati slici 2.1.3.7 a) i b).

a) b)

Slika 2.1.3.7 - Struja i napon tokom : a) uključivanja i b) isključivanja tiristora.

Vreme uključivanja se sastoji od:

1. vremena kašnjenja (pomaka) - d t : vreme za koje struja gejta ulazi u tiristor, menja

koncentraciju nosioca i suma 21 αα raste do blizu 1, tj. vreme koje protekne oduključenja do 10% porasta anodne struje.

2. vremena porasta - r t : vreme za koje se stvara velika koncentracija nosioca oko gejta iširi oko katode i istovremeno raste protok nosioca u anodnom regionu, odnosno vreme potrebno da anodna struja poraste od 10% do 90% svoje vrednosti.

3. vremena rasprostiranja - pst : karakteristično samo za velike tiristore - vreme koje je potrebno da se nosioci rasprostru po celoj zapremini poluprovodnika.

Vreme isključenja se sastoji od:

1. vremena pada - f t : vreme za koje struja pada na vrednost ispod H I , odnosno ispod

nula i koje diktira spoljno kolo. Koncentracija viška nosioca opada. Ovo vreme sečesto ne računa u vreme isključenja.

2. vremena inverznog oporavka -rr t : vreme za koje spoljašnji pn spojevi prestaju da

provode i postaju inverzno polarisani. Karakteriše ga negativna struja, čiji maksimumdefiniše prestanak pozitivne polarizacije tiristora tj. vođenja.




3. vreme rekombinacije - st : vreme koje je potrebno za rekombinaciju nosioca na

unutrašnjem pn spoju (tiristor mora biti inverzno polarisan). Tek nakon njega se

tiristor smatra potpuno isključenim i može da izdrži novu pozitivnu polarizaciju.Za isključenje tiristora definiše se vreme odmora srr q t t t kao kataloška veličina. Da

bi se tiristor sigurno isključio, potrebno je da vreme isključenja qoff t t , s tim da se off t

definiše vreme od prolaska struje kroz nulu do ponovne pojave pozitivnog napona,odnosno sledećeg uključenja tiristora.

2.1.4. Trijak

Trijak, čiji je ekvivalent antiparalelna veza dva tiristora, je četvoroslojnakomponenta, koja može da provodi struju oba smera i izdrži napon oba polariteta (slika

2.1.4.1). Po toj svojoj osobini ona spada u bilateralne komponente, ali sa ograničenimmogućnostima upravljanja (uključuje se po želji, a isključenje zavisi od električnog kola).

Slika 2.1.4.1 Trijak: Unutrašnja struktura (levo), tiristorski ekvivlent (u sredini) i oznaka

u električnim šemama (desno)

a) b)Slika 2.1.4.2 - U-I karakteristika i oznaka a) trijaka i b) dijaka.




Trijak ima provodnu oblast u oba kvadranta U-I karakteristike (slika 2.1.4.2.a).Dovođenjem impulsa na gejt trijak će provesti bez obzira na polaritet ostalih priključaka,ako je napon izmedju njegovih krajeva veći od praga provođenja (U T0 = 2,0 - 2,5V). Naslici 2.1.4.2 dat je primer prostog kola sa trijakom i talasni oblici napona i struje na potrošaču R tipa.

Slika 2.1.4.2 – Prosto kolo regulatora napona sa otpornim potrošačem.

Međutim, usled složenosti integracije, karakteristike su lošije pa se rade uglavnom zamanje snage u odnosu na tiristore (300-800A i 200-2000V). Za veće snage, koristi se

konfiguracija sa antiparalelnim tiristorima – (back-to-back), koja je data na slici 2.1.4.3.

Slika 2.1.4.3 – Trijak za male snage (levo) i konfiguracija za veće snage (desno)

Primeri komercijalnog izgleda trijaka su dati na slici 2.1.4.4. Javljaju se u oblikuvretenastog kućišta, modularnog kućišta ili modula, i tanjirastog kućišta (za veće snage).




a)

b)

c)

Slika 2.1.4.4 – Primeri izgleda trijaka: a) vretenasto kućište, b) modularno kućište i c)

tanjirasto kućište.




2.1.5. Dijak

Dijak ima samo dva priključka i dovodi se u provodno stanje premašenjemdirektnog probojnog napona. Na slici 2.1.4.2.b data je njegova statička karakteristika isimbol, koji se koristi u električnim kolima.

Dijak se pravi samo za male snage i uglavnom se koristi u pomoćnim ili upravljakimkolima. Na slici 2.1.5.1 dat je unutrašnja struktura (slika 2.1.5.1.a) i komercijalni izgledtrijaka (slika 2.1.5.1.b). Na slici 2.1.5.2 prikazan je primer njegove upotrebe - označen jesa D1 i koristi se u pogonskom kolu (kolu gejta) trijaka (Q1) za regulisanje nivoaosvetljaja sijalice (L1).

a) b)

Slika 2.1.5.1 – Dijak: a) Unutrašnja struktura i b) spoljni izgled diaka KR100 (1A, 36V).

Slika 2.1.5.2 - Primer upotrebe diaka u kolima za regulaciju osvetljaja (tkzv. dimer).




2.1.6. GTO tiristor (Gate Turn Off)

GTO tiristor ima četvoroslojnu strukturu, kao i tiristor, ali je n-poluprovod. katodeznatno manji – radi omogućavanja isključenja negativnom strujom (tiristor se ne možeugasiti, jer ima veliku aktivnu površinu katode, pa bi dovođenje negativne struje izazvalogašenje na jednom delu, a na drugom bi se koncentrisala struja, ‘hot spot’ i uništenje).Katoda se pravi kao istaknuta ostrva u polju gejta (kod tiristora je obrnuto). Da bi seubrzalo gašenje, vrši se skraćivanje i p-poluprov. anode ubacivanjem n+ polja.

Zbog skraćene anode, GTO ima smanjenu vrednost inverznog blokirajućeg napona.

Slika 2.1.6.1 – GTO tiristor: Unutrašnja struktura i oznaka u šemama

Pojačanje kod isključivanja je veoma malo (5 ili manje), pa su potrebni veliki impulsistruje (na primer GTO 4000 V i 3000 A treba struju od –750 A za isključenje, koja trajenekoliko μs!). Za njihovo proizvođenje je idealan MOS FET tranzistor (mali napon,

velika struja), ali se brzina porasta struje gejtadt

diG mora ograničiti (obično sa G L ), a

veličina podesiti podacima proizvođača (ako je manja, neće se GTO ugasiti, a ako je veća pregoreće).

Uključivanje ide sa velikim maksim. struje ~10A da bi se sva katodna ostrvauključila. Struja gejta treba da stalno teče da bi se GTO sigurno komutovao – naročitokod isključenja zbog ‘repa’ struje anode.

Na slici 2.1.6.2 data je statička karakteristika GTO tiristora sa prikazanim procesomuključivanja/isključivanja. Vidi se da je kod uključivanja potreban određeni pozitivannapon polarizacije (prag provođenja) i odgovarajuća struja gejta. Isključivanje se vrši pri provodnom stanju GTO tiristora, s tim da struja vođenja može biti velika.




Slika 2.1.6.2 – Statička karakteristika GTO tristora sa procesom

uključivanja/isključivanja.

GTO je osetljiv na naponske prenapone pri isključenju induktivnih potrošača – mora

da ima snaber kolo za smanjenjedt

du(lika 2.1.6.3). Naponsko snaber kolo smanjuje

dt

du

kod isključenja. Ovaj naponski pik javlja se kao posledica induktivnosti kad struja anode počne naglo da pada. Ovaj pik može da izazove sekundarni proboj. Na slici 2.1.6.4

prikazani su talasni dijagrami struje i napona na GTO tiristoru kod isključenja iuključenja.Strujni ‘rep’ se javlja zbog duže rekombinacije manjinskih nosilaca i pri tome se

javljaju veliki gubici.




A

GEJTDRIVEKOLO

C

GK

DR

Slika 2.1.6.3 – GTO tiristor sa naponskim snaberom.

Slika 2.1.6.4 -Talasni dijagrami struje i napona na GTO tiristoru kod isključenja (gore) iuključenja (dole).

Maksimalna naprezanja GTO tiristora su:Frekvencija rada 1 ÷ 2 kHz Napon do 4500 VStruja do 3000 A

off t do 25 μs




2.1.7. Bipolarni tranzistor (BJT ili BPT)

Snažni bipolarni tranzistor je troslojna punoupravljiva komponenta kod koje se baznom strujom kontroliše velika struja kolektora. To je linearna komponenta, koja radi u prekidačkom režimu.

Struktura je sa različitom koncentracijom kolektorskog spoja (n+, n-), da biobezbedio visoki probojni napon (n-). Takođe, bazni sloj mora biti debeo, zbog probojnognapona. Međutim, tada je pojačanje malo, pa treba velika bazna struja ( 105 FE h ). Da bi se to otklonilo koristi se Darlington spoj – dvostruki ili trostruki.

E

C

I

I α direktno strujno pojačanje (forward current

gain)

FE

B

C h I

I β strujno pojačanje u konfiguraciji sa

zajedničkim emitorom

α

αβ

1

D M D M

B

C

I I βββββ

Na slici 2.1.7.1 je prikazana: a) - osnovna struktura snažnog bipolarnog tranzistora, b) – poprečni presek tranzistorskog modula, c) - njegova električna šema i d) - spoljni izgledsamog modula.

C

B1

EB2

DT2

T1




Slika 2.1.7.1 - Snažni bipolarni tranzistor u modularnom kućištu.

Osnovne kataloške veličine su CEOU - napon kolektor-emitor pri otvorenoj bazi,

)(SUS CEOU - napon kolektor-emitor sa otvorenom bazom prilikom isključivanja pri datoj

struji kolektora i za induktivni potrošač; EBOU - napon emitor - baza pri otvorenom

kolektoru; C I - struja kolektora (srednja vrednost); B I - struja baze; C P - ukupna

disipirana snaga; FE h - jednosmerno pojačanje; CESAT U - napon kolektor-emitor u oblasti

zasićenja; BESAT U - napon baza emitor u oblasti zasićenja; ON t , d t ,r t , st , f t - vreme

uključenja, kašnjenja, porasta struje, nagomilavanja, pada struje, jT

- maksimalna

temperatura PN spoja.

Snažni bipolarni tranzistor se karakteriše velikom gustinom struje, visokim probojnimnaponom, dobrim strujnim pojačanjem, velikom brzinom komutacije, jednostavnimupravljanjem, širokim opsegom radne temperature, velikom disipacijom i relativnoniskom cenom. Velika prednost tranzistora u odnosu na tiristor je što nisu potrebnidodatni elementi za isključivanje, te mnogo veća frekvencija rada. Uključivanje seobavlja uspostavljanjem pozitivne struje u kolu baze. Tranzistor je u uključenom stanjudokle god postoji struja baze, a radi brže komutacije, isključenje se izvodi negativnomstrujom odnosno strujnim impulsom.




Izlazna statička karakteristika predstavlja zavisnost struje kolektora od napona kolektor-emitor sa strujom baze kao parametrom (slika 2.1.7.2.). Na njoj razlikujemo šestkarakterističnih oblasti: oblast zasićenja (1), linearnu oblast (2), oblast termalnog proboja(3), direktnu zaprečnu oblast (4), inverznu oblast (5) i oblast inverznog proboja (6).

Slika 2.1.7.2 - Izlazna karakteristika tranzistora.

U energetskoj elektronici snažni tranzistor se prvenstveno koristi kao prekidač, odosnokad provodi on se nalazi u oblasti zasićenja ili na granici te oblast (kvazizasićenje).Duboko zasićenje i kvazi zasićenje se javljaju zbog velikog n - sloja kolektora. Sa velikom baznom strujom javlja se virtuelna baza sa velikom koncentracijom ubačenih nosilaca itada se tranzistor teško gasi.

U linearnoj oblasti tranzistor ostvaruje pojačavačku funkciju.

Pojava sekundarnog proboja (termalni efekat) – zbog brzog porasta struje kod otvaranjatranzistora, kad CE V nije dovoljno opao, pa se javlja velika disipacija. Struja se

koncentriše na malu površinu – crowding effect (hot spot), pa dolazi do termalnog proboja. Da bi se to smanjilo emiter se meša sa bazom – kao prsti.

U direktnoj zaprečnoj i inverznoj oblasti tranzistor je u neprovodnom stanju, s tim da je u prvom slučaju direktno, a u drugom inverzno polarisan. Pri tom kroz njega teče veomamala direktna odnosno inverzna struja i ima se mali inverzni napon u odnosu na tiristor isnažnu diodu.

Poseban problem je uključivanje/isključivanje induktivnog potrošača, jer se javlja processkoji može da dovede do sekundarnog proboja.




2.1.8. Snažni MOSFET

Snažni MOS-FET tranzistori su se pojavili u poslednjih desetak godina i to podraznim imenom YMOS, SIPMOS, VMOS, HEXFET i dr. To su tranzistori sa efektom polja u tehnici sa metalnim oksidom, specijalno konstruisani da podnose velikudisipaciju. Za sada se koriste samo za manje snage, ali se očekuje njihovo usavršavanje i prodor ka većim snagama. Takođe su troslojne konstrukcije, a krajevi su DREJN, GEJT iSORS.

Osnovna im je prednost jednostavno upravljanje - dovođenjem odgovarajućeg naponskognivoa između gejta i drejna. Dalje, nema pojave sekundarnog proboja, veoma velika brzina komutacije i ulazna otpornost. Jednostavno se paraleluju (MOS FET ima pozitivnitemperaturni koeficijent). Problem je relativno velika otpornost u stanju vođenja, kojaonemogućuje veće snage (trenutno se kreću do 10 kW) kao i njena zavisnost od

temperature. Na slici 2.1.8.1 je predstavljena struktura MOS-FET tranzistora a) i njegovaoznaka u električnim šemama - b).

Snažni MOS-FET tranzistor se često realizuje u obliku modula (4 ili 6 tranzistora ukonfiguraciji monofaznog ili trofaznog mosta), a takođe i u kombinaciji sa bipolarnimtranzistorom - BIMOS, MOSBI (slika 2.1.8.1 c).

Slika 2.1.8.1 - Snažni MOS-FET tranzistor.

Gejt je izolovan od tela tranzistora sa slojem SiO2, pa nema efekta bipolarnog tranzistora.

Izgleda da tranzistor ne može da vodi, jer je uvek jedan pn spoj između D i S inverzno polarisan.

Dovođenjem 0GS V će konvertovati površinu Si ispod gejta u n+ kanal i tako povezati S

i D.

Tranzistor je vertikalnog tipa a n- sloj treba da obezbedi visok pobojni napon.

Upravljanje je naponom V V GS 15 , a vreme uključenja je veoma kratko

kHz f 10030 !




Naponsko-strujna karakteristika je sličnog oblika kao i za snažni bipolarni tranzistor, stim da zavisnost struje drejna od napona drejn-sors kao parametar ima napon gejt-sors. Na slici 2.1.8.2 je prikazana karakteristika za dve različite temperature. Uočava se velika promena otpornosti u stanju vođenja.

Slika 2.1.8.2 - Izlazna karakteristika MOS-FET tranzistora

MOS FET nema efekat sekundarnog proboja, pa je SOA karakteristika ograničenagubicima i primarnim probojem.

Slika 2.1.8.3 – SOA karakteristika MOS FET-a.




2.1.9. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

IGBT je u osnovi hibridni tranzistor tj. bipolarni tranzistor koji seuključuje/isključuje preko MOS gejta. On u sebi kombinuje dobre osobine MOS FETa,BPT i tiristora. Komercijalno je predstvaljen 1983. godine.

Slika 2.1.9.1 – GTO tranzistor: električni simbol i unutrašnja električna struktura

Arhitektura je slična MOS FETu, osim što je kod drejna dodat jedan p+ sloj.

Slika 2.1.9.2 – Unutrašnja poluprovodnička struktura i uslovi za pojavu tiristorskog

efekta.

Ako je 0GS V , indukovaće se n- kanal u p- sloju. To će provodno polarisati pnp

tranzistor i one će provesti struju DS I . Pad napona je sad mnogo manji nego kod običnog

MOS FETa, a gustina struje je veća nego kod BPT.Problem je parazitni npn tranzistor, koji zajedno sa pnp tranzistorom sačinjava

strukturu tiristora. Da bi se izbegao rad kao kod tiristora (lako se uključi, a teškoisključuje) mora se pažljivo izraditi i kontrolisati otpornost p- sloja. Parazitni tiristor se




aktivira (latching action) u slučaju veće struje (ako se pređe DM I ) i tad zbog velike

disipacije komponenta strada (jer se nemože normalno isključiti).

Zadatak n

-

sloja je da obezbedi visoki probojni napon u inverznom smeru i tada IGBTima inverznu karakteristiku kao tiristor – simetrični IGBT. Međutim, OFF t je veliko.

Isključuje se sa 0GS v , ali se javlja ‘rep struje’ zbog sporog gašenja BPTa.

Sloj n+ se dodaje da se ubrza gašenje i inverzni blokirani napon na samo par volti – nesimetrični IGBT.

Izlazna karakteristika Transfer karakteristika

Slika 2.1.9.3 – Statičke karakteristike IGBT-a.

SOA karakterisitika je termalno ograničena i IGBT ne pokazuje fenomensekundarnog proboja (isto kao MOS FET).

Pošto deo struje ide preko MOS FETa (da se ne bi aktivirao tiristor), za veće struje problem je disipacija. Danas se komponente prave za maksimalno 500V, 400A ilimaksimalno 1000V, 100A. U budućnosti se očekuje 1200V, 400A.

Zbog velike ulazne otpornosti lako se može upravljati sa integrisanim drajverima kojidaju galvansku izolaciju i zaštitu. Ulaz na drajver je CMOS ili LSTTL.




2.1.10. Komponente u razvoju

a) SIT – Static Induction Transistor

To je poluprovodnička verzija elektronske cevi triode. Pornađena je 1970.godine ali je komercijalno predstvaljena 1987. godine.

Slika 2.1.10.1 – SIT : Unutrašnja struktura i simbol u šemama.

Karakteriše ga vertikalna struktura sa n- kanalom.Gejt je utisnut između drejna i sorsa i ponaše se kao rešetka kod triode.Ima negativnu logiku rada – normalno je uključena kad je 0GS v . Ako je

0GS v oko p slojeva se javlja ‘ispražnjen sloj’ (depletion layer) i struje prestaje da teče.

Problem: veliki pad napona kad vodi – 1500V, 180A SIT tranzistor imaotpornost 0.5Ω tj. 90V pad napona!

Prednost: velika brzina – brži od MOS FETa, SOA bez sekundarnog proboja, pozitivni temperaturni koeficijent (lako paralelovanje).

b) SITh – Static Induction Thyristor

To je komponenta koja se uključuje/isključuje slično GTO. Pojavila se 1988.godine. Struktura je ista kao kod SITa, s tim što je dodat p+ sloj anode. Radi bržekomutacije pravi se skraćena anoda, kao kod GTOa.

Po strukturi se vidi da je SITH u osnovi p+nn+ dioda sa ugrašenim p+ slojem gejta uobliku rešetke.

Karakteriše ga negativna logika: normalno je isključen 0GK v . Tada je n- sloj

zasićen manjinskim nosiocima. Za brže uključenje koristi se mali pozitivni impuls st A I ON G µ2,5 .




Slika 2.1.10.1 – SITh : Unutrašnja struktura i simbol u šemama.

Ako je 0GK v javlja se ‘ispražnjen sloj’ oko rešetke i protok struje se blokira.

Potreban visok negativni impuls st t A I A I f s AG µ1.3,800300 .

Slika 2.1.10.3 – Problem isključenja SITh-a

Poređenje sa GTO: Pad napona je veći od GTO: tipično 4V. Strujno pojačanje gejta kod isključenja je manje od GTO – tipično <3V (4÷5

kod GTO). Ima dugački ‘rep struje’ kao GTO ( st t µ9.5 ).

Ima veću frekvenciju rada od GTOa st st OFF ON µµ 9,2 .

Bolji dt dv i dt di od GTOa.

Bolju SOA od GTOa.

Tipična vrednost 1200V, 300A.




c) MCT – MOS Controlled Thyristor

MCT je komponenta koja podseća na tiristor i koja se može uključiti/isključitimalim impulsom na MOS gejtu. On liči na GTO, s tim što je strujno pojačanje gejtaza isključenje vrlo veliko. Komercijalno se pojavio 1989.godine – 1000V, 100A.Velika očekivanja z abudućnost.

Ima složenu strukturu, a komponenta se sastoji od velikog broja mikroćelija naistom čipu (500V, 5A ima 100 000 ćelija u paraleli).

Ekvivalentno kolo se sastoji od 2 tranzistora u tiristorskom spoju i n FETa zaisključenje i p FETa za uključenje.

Ekvivalentna šema i simbol

Ima negativnu logiku: 0GK v uključenje

0GK v isključenje

Simetrično i asimetrično blokiranjeVelika brzina rada st st OFF ON µµ 2,2.0

Visoka temperatura 150 jT ºC ( sa dodatnim rešenjima do 300ºC).

Osetljiv na visoko dt dv




Tabela 2.1.10.1 – Poređenje karakteristika komponenti u razvoju

SIT SITH MCT

Naponski i strujni opsezi 800V, 18A (DC)* 1200V, 300A (eff)* 600V, 60A (eff)*Sadašnje mogućnosti snage 1200V, 300A 1200V, 300A -Linearni/okidni Linearni Linearni Okidni Naponsko blokiranje Asimetrično Asimetrično AsimetričnoSelektovanje Naponsko Strujno NaponskoOpseg T j [°C] -50 do 150 -40 do 125 -55 do 150Oblast sigurnog rada (SOA) Ograničenje T j Ograničenje T j Ograničenje T j

Pad napona pri provođenju[V] , pri nazivnoj

18 4 1.1

Pad osetljivosti sa T[°C] Pozitivan Ngativan Negativan

Učestanost prekidanja [Hz] Do 70 000 Nekoliko Hz** Do 20 000Strujno pojačanje priisključivanju

- Ispod 3 -

Pripadajuće dv/dt [V/μs] Veoma veliko 2 000 5 000di/dt pri isključenju [A/μs] Veoma veliko 900 1 000Vreme uključenja [μs] 0.25 2 1.0Vreme isključenja [μs] 0.3 9 2.1Struja curenja [μA] 0.1 25 1.0Snaber

Polarisani (moguć je rad bez snabera)

PolarisaniPolarisani(moguće je rad bezsnabera)

Zaštita Kontrola gejta Brzi osigurač ili blokiranje gejta Brzi osigurač ili blokiranje gejtaPrimena Indukciono

grejanjeGeneratoriultrazvukaAM/FM generatori

Indukciono grejanjeStatička VAR kompenzacija

Pogoni AC motoraUPS sistemiStatički VAR iharmonijskikompenzatori

Komentari Na raspolaganju odTokin America Inc.

Na raspolaganju odToyo Elec. Co.

Moguć je opseg T j

od –196 do +250Karakteristikeslične IGBT-u,

osim nižeg padanaponaElemenat nije joškomercijalno pristupačan

*TOKIN 2SK182 *TOKIN DENKI – jedini elemenat** Određenielementimogu da rade navišoj frekvanciji

*HARRIS MCTA60P60(razvojni element)




2.1.11. Materijali za snažne komponente

Si – silicijum osnovni materijal. Potisnuo je Ge i ostale polikristale Se, CuO. Novi materijali: GaAs – galijum arsenid,

SiC – silicijum karbid,C – dijamant.

Najviše se očekuje od dijamanta – u obliku sintetičkog tankog filma.Primedba: dijamantski MOSFET

- 6 puta veća snaga,- 50 puta veća frekvencija,- UF manji za red veličine,- T j č 600° C!

Ispituju se i materijali sa superprovodnim efektima.

2.1.12. Poređenje komponenti energetske elektronikeOsnovni pravci:

- teži se ostvarenju idealnog prekidača- Razvoj ide ka komponentama

a) visoke snage b) jednostavnog upravljanjac) visoke frekvencije

Poređenje po godinama: 1980; 1990; 2000. godina.

FOMSistem Lfm Bfm Cfm Apsolutno Normalizovano

poly-Si/Si/Si 1.1×10-

cm 8.5×10 3.8×10 5.5×10 0.58AlGaAs/GaAs/GaAs 1.1 13.4 4.2 9.5 1.00AlGaAs/Ge/GaAs 1.1 15.6 4.2 11.1 1.17

6H-SiC/3C-SiC/6H-SiC 1.1 8.5 37.3 53.7 5.65SiC/Si/dijamant 1.1 8.5 146.5 211.0 22.21




3. Snažna integrisana kola i moduli

1. Tranz. moduli2. Snažna integrisana kola

4. Zaštita poluprovodničkih komponenti

4.1. Zaštita tiristora

4.1.1. Prenaponska:- unutrašnja (RC):

- spoljašnja (RC i selenska):




4.2.2. Paralelno:

Paralelno

Paralelno+ strmi impulsi+ geometrijska simetrija

4.3. Ostale komponente energetske elektronike

5. Pasivne komponente Eea. otpornici b. kondenzatoric. prigušniced. transformatorie. senzori struje, brzine, pozicije

v.katić - ee1- i deo-snažne polupr. kompon

Documents