Výkonová elektrotechnika

§20 - Poučený pracovník- osoba, bez elektrotechnického vzdelania§21 – Elektrotechnik- osoba, ktorá má odborné vzdelanie (bez praxe)§22 – Samostatný elektrotechnik- spĺňa požiadavky odbornej spôsobilosti elektrotechnikov, odborná prax,Má otvorenú spôsobilosť, môže riadiť činnosť poučených pracovníkov bez obmedzenia ich počtu. Prax do1000V – 1rok, nad 1000V – 2roky.§23 – Elektrotechnik na riadenie činnosti a prevádzky- osoba spĺňajúca požiadavky odbornej spôsobilostielektrotechnikov, má požadovanú odbornú prax a spôsobilosť.§24 – Elektrotechnik špecialista- samostatne môže vykonávať a riadiť činnosť: na konštruovanie, odbornéprehliadky a skúšky, skúšobný technik výrobcu.

Elektrická inštalácia- spojenie zariadení na plnenie stavov a cieľovElektrické zariadenie- zariadenie ktoré k svojej činnosti využíva účinky elektrických aleboelektromagnetických javov.

Práca podľa pokynov- najnutnejšie pokyny pre vykonanie prácePráca pod dohľadom- práca je vykonávaná podľa podrobnejších pokynov, dohľad vykonáva zodpovednýpracovník.Práca pod dozorom- práca sa vykonáva za trvalej prítomnosti pracovníka povereného dozorom.

B-PPN, P-PNN - dohľad o nariadených technických opatreniach na zabezpečenie bezpečnosti pracovníky naelektrickej inštaláciiB-PPN - práca pod napätím na elektrickej inštalácii VN, VVN, ZVNP-PNN - práca pod napätím na elektrickej inštalácii NNDotykové napätie- napätie ktoré sa objaví pri poruche izolácieKrokové napätie- napätie medzi dvomi bodmi (1m)Dotykový prúd- prúd prechádzajúci telom človekaŽivá časť- časť ktorá je pod napätímCudzia vodivá časť- vodivá časť ktorá nie je súčasťou elektrického zariadeniaKryt- časť zabezpečujúca ochranu zariadenia pred vonkajšími vplyvmi, slúži aj ako ochrana proti dotyku.Zábrana- slúži na zabránenie dotyku živých častíPrekážka- časť ktorá bráni proti neúmyselnému dotyku (zábradlie)

A. Laik- neznalá a nepoučená osobaB. Poučená osoba- osoba spôsobilá vyhnúť sa nebezpečenstvu (od §20)C. Znalá osoba- osoba so zodpovedajúcim vzdelaním a elektrotechnickou praxou (§21)D. Znalé osoby z vyššou kvalifikáciou- osoby z elektrotechnickým vzdelaním a praxou majú odbornúspôsobilosť (§22 §23 §24).Znalé osoby z vyššou kvalifikáciou- akákoľvek obsluha okrem zakázaných prác.

Účinky elektrického prúdu na človeka.Tieto účinky závisia od:

- veľkosti a druhu prúdu- odporu kladeného postihnutými tkanivami- cesty vstupu a dráha prúdu telom- trvanie kontaktu s elektrickým prúdom1. Prúdy 10 – 30mA nevedú ku smrti pri dlhšom pôsobení

2. Prúdy nad 30mA smrteľné ak nedôjde od odpojenia od zdroja. Dlhšie ako 0,5s=SMRŤ (pri 500mA)3. Nad 500mA smrteľné pri krátkych dobách prechodu

Úraz- ak sa človek stane súčasťou vodivého uzavretého obvodu pri ktorom sa jeho telom vedie elektrina.Účinky na organizmus:

- Od veľkosti a druhu prúdu: pri kontakte človeka so živou časťou, ktorá je pod napätím a striedavýmprúdom je 3krat nebezpečnejšia ako pri jednosmernom

- Odporu kladeného postihnutými tkanivami tela: odpor jednotlivých tkanív tela sa riadi ichprekrvením. Najvyšší odpor (MΩ) kladie tuková vrstva a koža, po nej kosti, šľachy, svalstvo, cievya nervový systém.Krv- najmenší odpor (niekoľko 100Ω)Vysoký odpor- suchá masťou potretá koža

Časti vstupov a dráhy prúdu telom:Pre vznik smrteľného úrazu elektrickým prúdom je dôležitá jeho cesta, ktorou ľudským telom preteká.Poraňuje- Mozog, dýchanie, srdceNebezpečná je vertikálna cesta idúca osou tela (ľavá ruka - pravá noha)Vysoký výskyt: zastavenie dýchania, fibrilácia komôr srdca.Vznikajú popáleniny najmä pri vyšších napätiach.

Postup pri záchrane:1. Vyslobodenie postihnutého2. Kontrola životných funkcii3. Zistiť či postihnutý dýcha ak nie zaviezť umelé dýchanie, zistiť či mu bije srdce ak nie zaviezť

nepriamu masáž srdca.4. Privolať lekára pričom pri postihnutom musí niekto stále byť5. Laické ošetrenie poranení(napr. zlomeninu zafixovať)6. Ohlásiť úraz vedúcemu(nadriadenému) pracovníkovi

230V- odpojenie v čase 0,4s400V- odpojenie v čase 0,2sNad 400V- 0,1s

Úvod do VE

Výkonová elektronika je mladá vedná disciplína so širokým vedným záberom.Jej predmetom je:

1. Fyzikálne zákony výkonových polovodičov (fyzika polovodičov)2. Teória výkonových elektronických obvodov,(výkonové polovodičové meniče)3. Konštrukcia výkonových polovodičových meničov4. Regulácia a riadenie (Teória regulácie a riadenie VPS)5. Komplexný návrh VPS pre rôzne aplikačné oblasti

História vývoja (prehľad vývoja VE)

1874 – Objav usmerňovacieho účinku Kov - Polovodič (Braun)1882 – Objav usmerňovacieho elektrického oblúka medzi Driviovou katódou a grafitovou anódou ()1883 – Prvý selénový usmerňovač ()1897 – Objav mostového zapojenia jednofázového usmerňovača (Greatz)1902 – Ortuťový usmerňovač (Henitt)1926 – Prvý tyratrón (Hull)1930 – Patent na elektronickú súčiastku riadenú elektrickým poľom (Lilienfeld & Heit)1938 – Teória prechodu Kov – polovodič (Shottky)1947 – 1949 – Teória a praktické overenie činnosti bipolárneho tranzistora ()1952 – Prvý unipolárny tranzistor riadený elektrickým poľom FET, prvá výkonová dióda1956 – Prvý tyristor (), zrodenie VE1958 – Prvý integrovaný obvod (Texas Instruments)1956 – 1975 – Vývoj topológií všetkých typov hlavných obvodov výkonových polovodičových meničov1970 – 1975 – GTO tyristor (Frobenius, Desmond, Hamilton), zapínanie a vypínanie obvodu1978 – Prvý výkonový unipolárny tranzistor (Yamaha(VMOS) a Siemens(Planár VMOS))1989 – 1992 – IGBT1975 – 1979 – zdokonalenie aplikácie výkonových bipolárnych tranzistorovPo 1995- Objavenie MCT ( Mos Controler Tyristor)

Aplikačné oblasti

1. Doprava + Military aplikácie- Oblasť jednosmernej elektrickej trakcie,- Električky, trolejbusy- Lodná doprava najväčšie výkony z hľadiska meničov (400MW)- Military aplikácie- vojnové lode, na elektrický pohon palubných prostriedkov...

2. Továrne, dielne – Priemysel- Hutníctvo- zariadenia pre tavenie a kalenie- Pohonné obrábacie stroje, pohony robotov...- Stroje pre priemysel

3. Energetika- aktívne filtre, FAC zariadenia, HVDC- jednosmerné prenosy- Aktívne filtre- Meniče pre HVDC (High Voltage)- Supravodivé akumulátory (akumulácie elektrickej energie)- Kondicionéry sietí- zlepšenie kvality elektrickej energie

4. Spotrebná elektronika- Napájacie zdroje pre Audio – Video techniku- PC, výpočtová technika....

Polovodičová súčiastka- je technické zariadenie slúžiace k realizácii zmeny svojich elektrických parametrovprostredníctvom fyzikálnych javov odohrávajúcich sa v pevnej látke.

Zmyslom premeny elektrických parametrov je buď riadenie toku elektrickej energie alebo spracovanieelektrického signálu.

Elektrické súčiastky:

- Signálové- spracovanie signálu- Výkonové

Signálové:

- Analógové- spracovanie analógového signálu (signálový tranzistor), zosilňujúci účinok- Číslicové (diskrétne)- spracujú diskrétny signál

Číslicové:

- Kombinačné NAND- Sekvenčné (klopné obvody) čítače, mikroprocesory. Vyžadujú hodinové impulzy (clock)

Výkonové súčiastky sú určené na riadenie toku výkonu!!!Najsledovanejší parameter vo výkonových systémoch je účinnosť!

Výkonové polovodičové súčiastky

Podľa princípu činnosti:

- Unipolárne (jeden druh nosičov)- Bipolárne (dva druhy nosičov)

Usporiadanie štruktúry:

- Jednovrstvové (zvodiče prepätia)- Dvojvrstvové (polovodičové diódy)- Trojvrstvové (tranzistory)- Štvorvrstvové (tyristory)- Viacvrstvové (kombinované štruktúry (Triak...))

Podľa riaditeľnosti:

- Neriadené- Poloriadené (dióda)- Riadené

Dióda: je polovodičová súčiastka s nelineárnou VACH. Má odlišné vlastnosti závislé ne smere tokuštruktúrou, malý odpor v prvom smere (priepustný smer), veľký v druhom (zaverný smer).

Poloriadené súčiastky- sme schopný uviezť do vodivostného stavu prostredníctvom hradla. Vypnutie sa dejezmenou smeru prúdu v obvode (zánik prúdu)(Tyristor SCR)

Riadené súčiastky- plne môžeme kontrolovať ich stav prostredníctvom hradlového signálu (zapnutie,vypnutie).Riadené súčiastky:

- Tranzistorové štruktúry- Vypínateľné tyristory (GTO)- ďalšie (výkonové IO)

Základy fyziky polovodičovZákladné polovodičové materiály- rozdelenie a charakteristika

Polovodičové materiályAnorganické- prvky zlúčeniny organické Organické:

- polyméry s luminiscenčnými vlastnosťamiAmorfné:

- chalkogénne sklá- zliatiny As, Se, Te, Ge

Polykryštalické:- prvky Se- zlúčeniny CuO

Monokryštalické:- prvky Si, Ge- zlúčeniny Ga As

SiC- karbid kremíka 400oC

Technológia výroby polovodičov

Monokryštál – čistenie – rezanie – výroba čipov – výroba polovodičových kryštálov

1. Krok- ťahanie monokryštálu Si2. Krok- čistenie monokryštálu Si (Czochralského metóda)Monokryštál preťahujeme dutinou cievky, ohrev3. Krok- rezanie (krájanie na plátky- kremíkový INGOT)4. Krok- výroba čipov- pretiahnutie hrabličkami

Technológie:

- zliatinová- planárna- planarne epitaxná- Technológia hrubých a tenkých vrstiev- Iónová implementácia- Difúzia

Upevnenie na medenú dosku.Vytvorenie kontakt. spojov5. Krok- púzdrenie- zaliatie do odolnej živice(epoxidový materiál)

Pásová teória materiálov- typu polovodič

Párové diagramy- diagram ukazuje veľkosť energie, vodorovnou osou je súradnica časti kryštálu kde samateriál nachádza, zvislá os je energia v eV ide o energiu elektrónov.Poznáme tri typy látok: izolanty, polovodiče a vodičeAtómy- interakcia s okolitými atómami.Interakcia väzbová- e- sa zúčastňuje na vytvorení Kovalentnej väzbyVoľná interakcia- e- sa stáva voľným(neviazaným), jeho pohyb usmerňuje vonkajšie(vnútorné) elektricképole. e- je na pospas vonkajších vplyvov.

široký zakázaný pás >3eV pás <3eV, Si=1,7eV, Ge=0,9eV kovová väzba elektrónový plyn

Fermiho energia 50% pri teplote absolútnej nuly.SiC, diamant- výskum 6,8eV a 9eV

Rozdelenie polovodičov podľa elektrických vlastností:

- Vlastné (intrinzické) polovodiče (ni=1,5.1010cm-3)- pri zahriatí začnú viezť elektrický prúd- Nevlastné (dotované) polovodiče (n=1011 - 1018cm-3)dotácia prvkami inej skupiny- Degradované polovodiče (nd>2,5.1019cm-3), veľa prímesí, výroba ohmických priechodov kov –

polovodič

Polovodič typu P- 1e- chýba (diera vznikne) nosič s kladným nábojomDiera- chýbajúci e- (prvky 3.skupiny)Polovodič typu N- 1e- je najviac nemá sa kde zväzbiť. Voľný elektrón vedie elektrický prúd aj keď nie jezväzbený.(5.skupina)

Transportné javy v polovodičoch

Celková prúdová hustota: = +

Mechanizmy nosičov náboja v polovodičoch:

1. difúzna- vyvolaný rozdielnou koncentráciou nosičov náboja v kryštáli. (prechod nosičov náboja z miestaz vyššou koncentráciou do miesta z nižšou koncentráciou)2. drift

Difúzia- pohyb nosičov vplyvom koncentrácie spádu

= . . .

= . . .

− á í š ý ℎ č á ( ó )− á í š ý ℎ č á ( )

− á− ℎ ´ č á

Pohyblivosť nosičov náboja:

= 1360. 300

,

= 495. 300

,

=

− ℎ ť − ý ℎ ť− éℎ ľ

1.Fickov zákon:= − .

− − ú š− á

Drift. pohyb nosičov náboja- vplyvom elektrického poľa tzn. Ide o silu, ktorou pôsobí dané elektrické polena náboj (Coulombovské sily)Obidve zložky driftová a difúzna (zložka vo vodiči neexistuje) sa uplatňujú len v polovodičoch.Vodič- koncentrácia je tak vysoká, že nemôže vzniknúť koncový spád.Dierová zložka v každom polovodiči.

Driftové zložky:

= . . .

= . . .

Difúzne zložky:

= − . = . . ( )

= . = − . . ( )

Einsteinove rovnice:

=.

.

=.

.

Celková prúdová hustota:

= + + +

kde:

= . . . + . . ( )

= . . . + . . ( )Rovnice kontinuity:

( )( ) = − +

1. ( )

( ) = − −1

. ( )

Jednorozmerný tvar:

( )( ) = − +

1.

( )( )

( ) = − −1

.( )( )

− č á ž − č č á , é č ú− č á ž − č č á á

− č áInjekcia- z cudzej vrstvy vstrekneme nosiče nábojaDoba životnosti náboja (life time)- čím menšia doba tým lepšia súčiastka (ovplyvňuje dynamické vlastnostisúčiastok)

Rekombinačné zložky:

=−

=−

Zníženie doby životnosti:1. Vytvorenie umelých porúch v kryštalickej mriežke- realizácia beta žiarenie2. Vytvorenie záchytných rekombinačných centier.

Druhá metóda je iónová implementácia.

- Do polovodičovej štruktúry dáme prvky zlata a platiny, ktoré vytvoria rekombinačné centrá.Nedochádza k poškodeniu kryštalickej mriežky => nezvyšuje sa úbytok na polovodićovom materiály

- Úbytok úmerný počtu porúch

Ambipolárna difúzia:

pp=pn

Nosiče náboja prenikajú z prvej vrstvy do druhej

=++

− á ú š

=−

+

− á ℎ ť

- Počet injektovaných nosičov náboja je vyšší ako počet prímesových nosičovNízka úroveň injekcie.Ambipolárna difúzia- charakteristická tým, že koncentrácia dier a e- sú približne rovnaké

- Nemusíme separovať zvlášť zložku dierovú a zložku elektrónovú

Ambipolárna difúzna rovnica:

( ) = −−

+ .( )

( )

.( )

( ) − č á ž ú í š ý ℎ č á

= (0).

kde:

= . ( ú ĺž )

PN priechod a jeho VACH.

PN prechod- vzniká spojením dvoch nevlastných polovodičov charakterizovanými rôznymi prímesovýmiatómami. Pod technickým spojením rozumieme aplikáciu už uvedených technológií.Pre obidva polovodiče (pred spojením)- boli obidva elektricky neutrálne.

Voľné nosiče náboja- elektróny diery

1. Veľký koncový spád dier a e- na PN priechode mal za následok vznik dif. pohybu2. Dôsledkom pohybu došlo k porušeniu elektroneutrality, ktorá existovala medzi dierami a akcept.

atómami, a e- a donor. atómami.Priestorový náboj vznikol dôsledkom porušenia koncentrácie.

3. Existencia nábojového dipólu vytvoreného donorovými a akceptorovými atómami má za následokvznik vnútorného elektrického poľa v polovodiči.Metalurgické rozhranie PN priechodu- miesto styku dvoch vrstiev.

Udif=0,5-0,8V

Vplyvom vnútorného elektrického poľa sa začne uplatňovať driftový mechanizmus pohybu nosičov náboja,ktorý pôsobí opačným smerom ako mechanizmus difúzny.Objekt driftového pohybu e- a diery.

4. V určitom krátkom čase po vyhotovení PN priechodu dôjde k vyrovnaniu difúznej a driftovej zložkyprúdu následkom čoho sa PN priechod dostane do režimu termo-dynamickej rovnováhy.Termodynamická rovnováha je charakterizovaná priebehom koncentrácií nábojového dipólu.Výsledkom toho je situácia, pri ktorej v PN priechode vzniká potencionálna bariéra- brána (v prípadekoncového vonkajšieho elektrického poľa)prechodu nosičov náboja cez PN priechod.

Na oblasť priestorového náboja má vplyv vonkajšie elektrické pole- pre nulové elektrické pole ak začnepôsobiť vonkajšie napätie.

Shockleyho rovnica

Dif. rovnice pre PN priechod:

= −−

+ .

= −−

+ .

Riešenie pre stacionárny stav t→∞

− = = ... − 1

− = = ... − 1

, − á − š− ( ), − ú ĺž ó

Koncentrácie sú exponenciálne rozložené

= ... − 1

kde:

=2 . .. (1 − ) − č á ú á ℎ

=−+

Shockleyho rovnica VACH. PN prechodu

= ... . − 1

− č ý ú− čú á ý ℎ ä í, é á .

− á š− š− ( )− á − ä ℎ

=

=2 . . .

. (1 − )

= .

Strmý PN priechod- mikrovlnné súčiastky

a- strmý n=1b- pozvoľný n=(1-2)c- PIN PN priechod n=2

Porovnanie reálnej a teoretickej charakteristiky

V blízkosti kolena tečie prúd IVýšší úbytok spôsobený úbytkom mimopriechodovej štruktúryNárazová ionizácia- pri ktorej vplyvom zrážok minoritných nosičov náboja do akejkoľvek výšky dochádzanárast hodnoty záverného prúdu v porovnaní s teoretickou VACH.

- Úbytok v mimopriechodových oblastiach štruktúry- V závernej časti- nárazová ionizácia- Vznik generačných a rekombinačných javov v priestore PN priechodu- povrchové javy a vznik prechodových odporov a prúdov do vrstiev s obvod. štruktúrov.

Výkonové diódové štruktúry

Realizácia vývodov polovodičovej súčiastkyVznik Schotkyho priechodu PNpnp=1015-1019cm-3

- technologické spojenie kovu a polovodiča

P>1019-23cm-3

Tenká doštička PN priechodštandardný postup ošetrenia polovodiča.Vrstvička degenerovaného polovodiča je veľmi tenká- štandardná technológia pre všetky výkonovésúčiastky.

Výkonová polovodičová dióda v PN a PIN usporiadaní:

- Výkonové aplikácie používame PIN štruktúry- PIN- intrinzická vrstva čistý polovodič o hrúbke W

Význam použitia intrinzickej vrstvy: intrinzická vrstva ma vyššiu odolnosť pri zachovaní malýchgeometrických rozmerov kryštálu.

UR(BR)2> UR(BR)1

(2)- zmena úbytkuInjektovanie e- a dier =>zaplavenie vrstvy nosičovIntrinzický polovodič(Znáša naäťové namáhanie)- v základnom stave nemá nosiče náboja- chová sa akoizolant.Charakter intrinzického nosiča sa mení injekciou nosičov náboja.Záplava nosičov náboja =>zmena odporu o 8 rádov a chová sa ako kov.

(Prierazové napätie) Uk(BR)=konšt.

PIN dióda pre pracovný režim záverné namáhanie

Pásová schéma PN priechodu pri kladne polarizovanom vonkajšom napätí

Usporiadanie štruktúry PIN diódy

Statické (ustálený stav elektrického obvodu) a dynamické vlastnosti PIN diódy.

IV=f(UV)iFmax(AV)- maximálna stredná hodnota priepustného prúdu1.oblasť- Priepustná časť statickej VACHmaximálny prúd, malý ubytok, statické parametre diódyRD- odpor diferenciálny

=

2.oblasť- záverná pracovná oblasťURWM- maximálne pracovné napätieURRM- maximálne opakovateľné namáhanieURSM- maximálne neopakovateľné namáhanieURBR- napätie prierazné- prieraz

URRM- maximálne napätie ktoré sa môže na súčiastke objavi t počas jej pracovného intervalu činnostiURSM- maximálne podľa počtu priebehu (od 10 do 100 periód)URBR- je to napätie pri ktorom dôjde k lavínovému javuTepelný prieraz je nebezpečné tavenie materiálu.

3.oblasť- lavínový prieraz

Dynamické časové priebehy napätí a prúdov v dynamických režimoch

Poznáme dva typy dynamických zmienZapínací proces- napätie na dióde klesá zo záporných hodnôt do kladných a prúd narastá.

0- tranzistor sa vypneTranzistor stratí vodivosť- nastane vrchol napätiaNapäťová špica- - jav vodivostnej modulácie, odohráva sa v intrinzickej vrstve PIN diódy.Pomalý nárast- zvyšuje a koncentrácia nosičov náboja v intrinzickej vrstve a narastá prúd.

Nárast koncentrácie na krajoch, pomaly rastie v strede

UFP=7-20V(v praxi)t1- doba čelat2- doba tylaPočas zapínacieho procesu v štruktúre rastú straty ako v ustálenom stave.Počas doby t4 prúd diódou tečie v závernom smere pričom dochádza k lim. poklesu prúdu na hodnotu IRM.Vodivosti v závernom smere- nahromaždené nosiče náboja v intrinzickej vrstve interval t4- odsávanie(znižovanie koncentrácie intrinzickej oblasti)Po uplynutí t4 klesne v určitom mieste intrinzickej oblasti koncentrácia nosičov náboja na nulu v dôsledkučoho v danom mieste vznikne nábojový dipól (zóna priestorového náboja).V okamihu vzniku priestorového náboja- na súčiastke záverné napätie.Prechodový dej parazitné indukčnosti a kapacita.t5- dochádza k postupnému poklesu, prúd štruktúrou exponenciálne klesá na hodnotu ustáleného závernéhoprúdu.Zbytkové nosiče náboja- dôvod pretrvania exponenciálneho poklesu prúdut5-(udáva výrobca v katalógu) – je najdlhší- veľký stratový výkon- straty súčiastky.Posúdenie dynamických vlastností diód => doba záverného zotavenia trr (µs)(udávané v katalógovýchlistoch).čím vyššia frekvencia tým je kratšia doba zotaveniaBežná PIN dióda radovo jednotky µs.Dynamické účinky nám určujú pre aké frekvencie sa môžu použiť!100vky Hz –spínanie.Stratový výkon je pri závernom zotavení dôležitý

Špeciálne typy diód

Diódy pre vysoké frekvencie:

- rýchla dióda FRED – PIN štruktúra- Dióda s mäkkou komutáciou- FSRD- PN štruktúra- Frekvenčná dióda

FRED- vysokonapäťové aplikácie.

- skrátená doba životnosti nosičov náboja v intrinzickej oblasti

Dvojaká technológia:

- beta radiácia- beta žiarenie- ožarovanie monokryštáludôsledok: vznik porúch v kryštalickej mriežke predstavuje záchytné rekombinačné centrá. Ichexistencia spôsobuje, že ich proces rekombinácie prebieha podstatne rýchlejšie.

Poruchy v kryštalickej mriežke majú za následok zväčšenie úbytku na súčiastke čo má za následoknegatívny jav zvýšenia úbytku v priepustnom smere.

- metóda iónovej implementácie- ióny zlata alebo platinyZáchytné rekombinačné centrá predstavujú atómy zlata alebo platiny, čo vyvolá podobný poklesdoby života a však pri menšom narušení kryštalickej mriežky polovodiča.Úbytok v priepustnom smere narastá ale je menší ako pri beta žiarení.

FRED- zrútenie exponenciálnej časti závernej doby.Komutačný náboj- sumárny náboj všetkých nosičov náboja.FRED- ostro „komutuje“- proces zániku prúdu je rýchly. Obrovské komutačné prepätia!

= ( )

FSRD- IRM< ako pri PIN štruktúre. menší úbytok v priepustnom smere 1,2V.Musíme odsávať náboj z intrinzickej vrstvy.Nižšie napäťové hladiny do 800V

Diódy z lavínovým a tunelovým javom:

- lavínová usmerňovacia dióda (ARD)- BOD- Zenerova dióda (ZD)

ARD- klasická dióda s PIN štruktúrou, vyznačuje sa tým, že jej že jej jednotlivé vrstvy sú planparalelné(rovnobežné usporiadanie, hlavne sa používa v optike).

Lavínový záverný prúd až do 1A.

BOD- napäťové ochrany, elektrické storje.Tyristorová štruktúra spínaná vonkajším napätím.

Zenerova dióda (ZD)- tenký PN priechod, vysoko dotované oblasti P a N, prechod je veľmi strmý.

Esakiho tunelová dióda (ETD)-

Tunelová dióda ETD je podobná ako zenerova dióda ZD.Má inú VACH.V priepustnej časti- tunelový jav- (oblasť záporného dif. prúdu) , pri dosiahnutí určitého prúdu úbytok rastieprúd klesá.Prúdový stabilizátor- obmedzenie prúdu.

Surpressove diódy- SIL diódy – Transil (100vky voltov)- zenerove diódy môžu byť ako Ultratransily a akoBitrensily (veľké napätia, malé prúdy).Absorpčná schopnosť- energia v mJ, ktorú je schopný transil pohltiť.Používajú sa ako najmenšie prepäťové ochrany.

Schottkyho dióda(SD):

- v obvodoch z nízkym napätím- usmerňovací účinok kov (náhrada v polovod. P) – polovodič (typ N)

Podmienka vzniku je dotácia polovodič , ktorá musí byť tak vysoká aby išlo o nevlastný typ polovodiča.Typická dotácia 1017.V prípade, že spojíme kov s degenerovaným polovodičom (kde je rastúci obsah prímesí), nevznikneShottkyho priechod ale klasický priechod, ktorý nemá usmerňovací účinok.V takto usporiadaných štruktúrach vznikne v polovodičovom materiáli- oblasť priestorového náboja.

- dôvodom je prechod e- do kovovej vrstvy.Dôvodom je vytvorenie potenciálovej bariéry, podobnú má PN priechod.

Dve základné veci:

1. úbytok priechodu kov - polovodič bude menší ako na PN priechode.2. pri závernom namáhaní vydrží štruktúra kov – polovodič podstatne menej ako štruktúra PN

Uplatnenie- 2. úbytok v priepustnom smere je podstatne menší s úbytkom na dióde s PN priechodom.VF aplikácie f=250 – 300Hz30V záverné napätie.

Shottkyho dióda- lepšie dynamické vlastnosti ako dióda s priechodom PIN a PN.Dióda sa chová v závernej oblasti ako kapacitor s vysokou kapacitou, VF aplikácie, komutačný náboj jeminimálny.Horúce elektróny- e- s vysokou energiou, ktorá vo vodivom stave prechodu kov – polovodič, prenikajúz oblasti N do kovu a a tam vo veľmi krátkom čase zanikajú.Doba života 10-10 – 10-14s => jav záverného zotavenia nevznikne.Normálne nosiče → 10-8.

Diódy s fotónovými interakciami:Fotodióda:

- fotoemisná- elektroluminiscenčná dióda (generuje svetlo)

Fotovoltaický článok- moderný zdroj elektrickej energie, vyššia účinnosť

Laserom riadená PIN dióda(LA_PIN)- je výkonová dióda PIN s intrinzickou slabo dotovanou vrstvou N-,ktorej ožiarením laserovým lúčom dochádza k vytvoreniu vodivej polovodičovej plazmy v tuhej fáze a týmaj k zopnutiu diódy.Efekt sa prejavuje- pracuje v závernej oblasti, štruktúry netečie prúd, prostredníctvom impulzu do štruktúry-schopný uviezť diódu do vodivostného stavu.Výhoda optické riadenie.

Tranzistorové štruktúry

1. Výkonový bipolárny tranzistor (PBJT)

Usporiadanie štruktúry a princíp činnosti:Prvá súčiastka, demonštrácia zosilnenia.Základom PBJT tranzistora je signálový tranzistor.

PNP tranzistor sa vo výkonovej elektronike nepoužíva.Dôvody:1. technológia2. dynamické vlastnosti

Výkonový tranzistor má 4 vrstvy- vznikne rozdelením kolektora na dve časti.Dotácia N+ a intrinzická oblasť N-.Zmysle je dosiahnutie vyššej prúdovej odolnosti štruktúry.

Podmienky vzniku:

1. E vysoko dotovaný cca 1019 cm3 (prímesové atómy)2. B tenká hrúbka bázovej vrstvy musí byť menšia ako stredná voľná dráha (difúzna dĺžka) jej

minoritných nosičov.

Tri krát väčšia pohyblivosť elektrónov ako dier.

Podstata tranzistorového javu:=

NP- priechod napätie, tenký priechod.Tranzistor nemá rád opačnú polaritu napätia.

Ucc- vytvára veľmi silné elektrické poleBázový prúd vyvolá tok emitorového prúdu Ic>>IB

Malým prúdom tečúcim do bázovej vrstvy vyvoláme a riadime podstatne väčší prúd tečúci v obvode C-E.pomer medzi týmto prúdom

=

β- prúdový zosilňovací činiteľ

Operačné oblasti a statické charakteristiky PBJT

Uzavretá štruktúra:

- počas uvedeného režimu tranzistorom netečie prúd a celé napätie je sústredené na prechode C-BIB≤0Tranzistor sa chová (môže nahradiť) ako záverne polarizovaná PIN diódaV prípade ak zapojíme zdroj UBB (B-E) v opačnej polarite môžeme štruktúru uviezť do lavínovéhorežimu pri, ktorom sa na tranzistore objaví oblasť záporného diferenciálneho odporu.

- pri zápornom IB môžeme dosiahnuť maximálnu hodnotu blokovacieho napätia, ktorú označujemeBVCBO, jej hodnota môže byť 1,4 násobok BVSUR.

Aktívna oblasť statickej charakteristiky:

- J1 má v priepustnom stave => J2 v závernom

V tejto pracovnej oblasti sa uplatňuje tranzistorový jav tz. štruktúra má najväčší zosilňovací činiteľ.

> + 0,7

Ak U a Rυ klesá a klesne na hodnotu dif. napätia priechod J2 => tranzistor do kvázisaturačnej oblasti.

- pri kvázisaturačnej oblasti sa otvoril priechod J2- v intrinzickej vrstve je malé množstvo nosičovnáboja.Menovitý stupeň zaplnenia- tvrdá saturácia.

- Prax – tranzistor aby bol na hranici tvrdej saturácie- Extrémne zvýšenie bázového prúdu-=> môžeme preťažiť PN priechod J1- hlboká saturácia

Nie je to ekonomické.

Dynamické vlastnosti štruktúry:

V kolektore tranzistora je indukčnosť L- nadimenzovaná- I vyhovuje malé zvlnenie.Kolísanie menej ako 10%.Prúd má stúpajúci charakter v okamihu zopnutého spínača.

Vypínací proces PBJT sa začne v okamihu nula keď Uvýst GHI prejde zo záporných hodnôt do kladných.Vplyvom polarity, záverne polarizovaného priechodu J1 dôjde k postupu nárastu UBE so zápornej hodnoty nakladnú.Vlastné otvorenie štruktúry nastane vtedy, keď UBE dosiahne hodnotu UBE(on) (dif. napätie priechodu J1)Nárast IC je priaznivý. Okamih nárastu prúdu ovplyvňujú aj parametre diódy.Po uplynutí tri (doba nárastu) => dΦ stratí hodnotu, a nastane interval poklesu Ic tranzistora, ktorýrozdeľujeme na dva intervaly.Prudký pokles prúdu počas ttv1 – čo je dané činnosťou tranzistora v aktívnej oblasti.Pokles napätia je veľmi rýchly.Tranzistor v kvázisaturácii- sa spomalí pokles napätia čo je dané znížením h21e alebo β.Po uplynutí ttv2 sa štruktúra dostane na hranicu kvázisaturácie.Doba td(on) – doba nabíjania J1

Doba nárastu prúdu- medzi T1 a DΦ

Vypnutie štruktúry:Vypínací proces má 4 intervaly:

- ts

- trv1+ trv2 (nárast IC)- tf1 (pokles IC)

Začiatok vypínacieho procesu je v okamihu začatia IB

Vyvoláme pokles prúdu- pokles nosičov náboja PN priechodu- tranzistor sa otvárats- doba prieťahu nosičov nábojaPo uplynutí ts dochádza k vyčisteniu náboja z bázovej vrstvy(kolektor čiastočné zníženie).Doba činnosti tranzistora v saturačnej oblasti trvá pod dobu trv1

Úbytok na kolektore rastie, prúd tranzistorom ostáva na pôvodnej hodnote. Dióda ešte nemôže viezť.Po uplynutí trv1 → prejde do aktívnej oblasti- zvýšenie strmosti nárastu IC.V tejto oblasti je počas trv2 (nabíjanie bariér, kapacita na priechode J2(C-B) )Po uplynutí trv2- tranzistor stále v aktívnej oblastiZánik IC nastane až v tf1.Počas tohto intervalu dôjde k likvidácii nábojov, ktoré ostali v štruktúre.Definitívne uzavretie priechodu B-E => UBE prechádza do aktívnych hodnôt.

Pokles aby sme zabezpečili rovnomernú likvidáciu náboja v štruktúre.Predčasné uzavretie bázovej vrstvy a štruktúry tranzistora by sa čistila od nosičov náboja pomalšie =>predĺženie tfi => vznik prúdového chvostu.

Zaťažovanie PBJT tranzistora

- namáhanie U a I aby nedošlo k porušeniu štruktúry.

Osi sú v log. deleníÚsek “a“ ohraničený maximálnym prúdom, rovnaký pre všetky typy namáhaní.Odlúpnutie metalizácie – Fatal errorÚsek “b“ ohraničenie maximálnym stratovým výkonom

= .

. = š .

Hyperbola v logaritmických osiach prejde na priamku.Úsek “c“ hranica obmedzenia vzniku druhého prierazu.Ide o častý povrchový mechanizmus bipolárneho tranzistora, ktorého príčina vzniku je daná usporiadanímštruktúry tranzistora.

Táto geometria nám po zapínaní a vypínaní tranzistora zapríčiňuje nerovnomerné rozloženie bázovéhoprúdu a IE na emitorovom priechode.v určitom mieste môže vzniknúť koncentrácia prúdočiar, ktorá je fokusácia do jedného bodu (fokusáciaemitorového prúdu)Vplyvom fokusácie emitorového prúdu vznikne v báze priečne elektrické pole- toto pole spôsobí lavínovýprieraz priechodu C-B, ktorý sa navonok prejaví znížením UCE na určitú hodnotu.

- tento lavínový prieraz z určitosťou prerastie v tepelný prieraz, čo spôsobí zničenie štruktúry.

Na rozdiel od tepelného prierazu B môže druhý prieraz nastať aj pri nízkych teplotách púzdra, nakoľko priňom dôjde len k lokálnemu poškodeniu štruktúry.Zabránenie druhému prierazu: výroba z ohľadom na geometrickú štruktúru (vzdialenosť E od C priechodu).Spínanie indukčnej záťaže- odpísanie tranzistora.

Úsek “d“ hranica napäťového prvého prierazu (dá sa zachytiť)

Paralelné radenie a eliminácia tepelnej nestability

mäkké budenie

Dovolené parametre:

- prúdový zosilňovací činiteľ β=f(IC)

- saturačné napätie- zhoda statickej charakter.

Pasívne opatrenie:

1. radenie tranzistorov2. vytvorenie čo najtesnejšej tepelnej väzby.

Toto opatrenie realizujeme tak, že tranzistory zmontujeme čo najbližšie pričom dbáme na to aby tepelnéodpory medzi ich púzdrami boli čo najmenšie (rovnaké teploty).

Komutatívny posun pracovného bodu tranzistora:pričom je záporný tepelný súčiniteľ B-E

= . (1 + )

α<Φ(α1) > (α2)

=−

=−

Vznikne mechanizmus “SV“ ktorý spôsobí. že v priebehu krátkeho času T1 prevezme celý prúd I a v T2

klesne na nulovú hodnotu.Doba trvania intervalu je veľmi krátka, uplatní sa kapacita polovodičovej štruktúry.Musíme použiť aktívne opatrenia:

- mäkké budenie, individuálne zapojenie rezistorov do bázy každého tranzistora.

Na RB sa vytvorí úbytok, ktorý obmedzí nárast IB a zabráni vzniku “+SV“ emitorová “SVk“

Mäkké budenie- emitor “SV“- kombináciaIndividuálne budenie tranzistora z prúdového zdroja (zdroj konštantného prúdu, ktorého veľkosť sa nemení)

Darlingtonove zapojenie:

Redukovanie vstupných impulzov.Budičov tranzistorovDelič zlepší tepelnú stabilizáciu.V súčasnosti sa nevyrába.„n“ stupňové moduly- vyššie hladiny výkonuDO- spätná dióda nutná v striedačových štruktúrach.D1- urýchľuje vypínací proces

Výkonový unipolárny tranzistor

30roky- patentovanie princíp riadenia vodivostiShockley- prvá elektrickým poľom riadená štruktúra.Unipolárne štruktúry- transport prúdu len nosiče náboja jednej polarity.1978 – Yamaha(VMOS) a Siemens(SIP-MOS, D-MOS)P-MOS – výkonový unipolárny tranzistorVšetky sú s kanálom typu N- oboha. typ

G- Gate- BD- Drain- CS- Source- E

Vznik NPN!nie je dobré, náchylný na druhý prieraz, skrat E-B => vznik diódy.

Statické charakteristiky:

UCH- úbytok vodivostného kanála, závisí od UGS

RDS(on)=RP+REPI

RP- odpor prívodouREPI- závislý od hrúbky epitaxnej vrstvy N+

USCL- napätie oblasti priestorového náboja

( ) = . , ,

( ) − čí žší šíP+- dotované vrstvy- injektovaním dier do driftovej oblasti znižujú odpor ( )

I. oblasť ID=0II. oblasť- oblasť saturácie do ktorej sa tranzistor dostane pri prekročení prahového napätia UT

UGS=UT(3,5-4)

Dynamické vlastnosti :CGD- Millerova kapacita

CGS- kapacita vrstvy oxidu, ktorý separuje hradlo od ostrovčeka N+

CGD- vrstva priestorového náboja v oblasti N- ktorá sa nachádza pod hradlom.CDS- napäťovo závislá, nemá vplyv na dynamické charakteristiky

Vnútorná náhradná schéma unipolárneho tranzistora.

Inicializáciu zapínacieho procesu uskutočníme kladným impulzom UGG ktorého hodnota UGH pri väčšineMOS- tranzistorov sa rovná cez 15V .

1. interval- inicializačný- interval prieťahutD(on)- dochádza k nabíjaniu paralelnej kapacity CGD a CGS na hodnotu prahového napätia UT, vo výkonovomobvode žiadne zmeny.2. interval:t1(on)- proces otvárania kanála- Millerov intervalPočas tohto intervalu sú najväčšie straty.Keď UGS dosiahne hodnotu UT, rozbehne sa proces otvorenia vodivého kanálu, ktorý sa navonok prejavízapočatím poklesu UDS pri náraste I0.V tomto intervale nastáva uplatnenie mechanizmu “-SV“ medzi I0 a UGD

Táto “SV“ je spôsobená Millerovou nelineárnou kapacitou a parazitnou indukčnosťou LS.Následkom tohto dochádza k stabilizácii UGS ktoré sa počas druhého intervalu rovná UT.3.interval- interval ukončenia zapínacieho procesu, pokračuje zapínanie CGD a CGS a však s väčšou časovoukonštantou ako interval tD(on).Je to spôsobené tým, že vplyvom poklesu UDS dosiahla Millerova kapacita maximálnu hodnotu.

Vybíjanie kapacít CGD a CGS , v obvode C-E žiadne zmeny- štruktúrou tečie prúdMillerov interval- nárast UDS vplyvom razantnej zmeny hodnoty Millerovej kapacityUkončenie, ak napätie dosiahne hodnotu:

= + 0,7

t2- interval charakterizovaný poklesom kolektorového prúdu a ďalším nárastom UDS spôsobeným úbytkomna parazitných indukčnostiach.V tomto intervale môže dôjsť k nedeštruktívnemu lavínovému prierazu, vnútornej diódovej štruktúry čo saprejaví limitáciou maximálnej hodnoty UDS.Pokiaľ sa tento efekt neuskutoční napätie má klesajúcu tendenciu do ukončenia druhej fázy, podmienenépoklesom I0 na hodnotu nula.Tlmené zákmity UDS- príčinou je rezonančný obvod tvorený parazitnou indukčnosťou k zníženiu s použitímRCO člena zapojený podľa možnosti čo najbližšie k vývodom D a S.Vypínací proces trvá dlhšie!!!MOSFET- so spínacími frekvenciami do 1MHz

IGBT- usporiadanie a funkcia súčiastky

Logickým pokračovaním vývoja unipolárnej štruktúry je prvok IGBTVznikol technologickou operáciou- pridaním P+ vrstvy ku kolektoru.Prvok na základe fyzikálnych mechanizmov rozdeliť na dva základné navzájom prepojené segmenty.

- MOS štruktúra- predstavuje bázu pre vytvorenie druhej časti PBJT

v štruktúre → vznik parazitnej tyristorovej štruktúry- eliminácia je u výrobcu.

Inverzný režim činnosti:

Inverzný režim unipolárnej štruktúry vzniká pri opačnej polarite UDS, ak tranzistor budíme UGS>UT štruktúravedie.Tento prúd sa uplatňuje do IW (pracovného prúdu).Potom z dôvodu vyššieho úbytku na unipolárnej časti štruktúry začne viezť dióda.Ak T budíme tak, že UGS=0 a UDS<0 tak VACH je identická s diódou bez prahového napätia.Takýto prvok je možné využiť do plnej pracovnej frekvencie MOSFET-u, ktorá sa pohybuje do plnejpracovnej frekvencie (100Hz-1MHz)

Dynamické vlastnosti IGBT sú horšie ako u MOS

100kHZ – MOSFET20kHZ – IGBTSpínacie frekvencie.

Zapínací proces 100 - 200µs- pomerne rýchlyt1(on)- doba prieťahu zapínacieho procesu UBE=UT

Vplyv bipolárneho segmentu je malý.t2(on)- vplyv nárastu prúdut3(on)- Millerov interval- interval poklesu napätiaVypínací proces: hradlové napätie klesne na malú zápornú hodnotu (-5V odsatie nosičov náboja), využíva sabipolárny segment.t1(off)- len v unipolárnom segmente- interval prieťahu doby vypnutiat2(off)- interval nárastu napätiatfall→z t3+t4

t3(off)- definitívne uzatvorenie bipolárneho segmentu I=0At4(off)- fáza uzatvárania bipolárneho segmentuČistenie bázy- uplatnenie doby života náboja.Pomalý pokles prúdu v t4 je spôsobený existenciou nosičov náboja v bipolárnej bázovej vrstve bipolárnehosegmentu, nemožnosťou ich odňatia prostredníctvom záporného IB.Nosiče náboja preto zanikajú Rekombináciou (ukončením doby ich života).

t4>t3

skrátenie t4(off): bázovú vrstvu podrobíme beta radiáciiPoužiť zlato a platinu a dať na štruktúru.

BIMOS

Tyristorové štruktúry

Štvorvrstvová bistabilná bipolárna polovodičová súčiastka určená pre spínanie vysokých prúdov privysokých napätiach.Súčiastka je schopná riadiť tok najväčších výkonov.Rozdelenie:

- poloriadené štruktúra GATT tyristor- plne riadené štruktúry GTO- vypínateľný tyristor, MCT, IGBT

Tyristor sme schopný pomocou Gate zapnúť!V úplných riadených impulzom zapnúť aj vypnúť.

Pracovné režimy:

1. priepustný (ako dióda chýba koleno)2. blokovací3. záverný (ako dióda)

IL- prídržný prúd spínací- ide o minimálnu hodnotu prúdu v hlavnom obvode potrebnú na to aby tyristor pozapnutí ostal vo vodivom stave aj po zániku riadiaceho prúdu z IG.

IK- prídržný prúd vratný- minimálny prúd potrebný na to aby sa štruktúra udržala v priepustnom stave tz. ideo štruktúru ktorá vedie.

Použitá literatúra

Špánik P., Prednášky výkonová elektronika, Žilina 2008

Dobrucký, Ráček, Špánik, Gubric,: Výkonové polovodičové štruktúry, VDS, Žilina 1995