Řízené polovodičové součástkypub.mti.tul.cz/~martin.cernik/vke/files/vke... · •tyristor -...

× × × × × × ×

Řízené polovodičové součástky

Výkonová elektronika

× × × × × × × Řízené polovodičové součástky

• Polovodičové součástky s řízeným zapnutím – řídící signál přivede spínač z blokovacího do propustného stavu

– do závěrného stavu – jen vnější komutací (přerušením) sepnutého proudu

– tyristor, triak

• Polovodičové součástky s řízeným vypnutím – signálem na řídící elektrodě je možné součástku přivést do sepnutého

i vypnutého stavu

– tranzistory – bipolární (BJT), unipolární (JFET, MOSFET, IGBT)

• řídící signál ~ propustný stav

– vypínatelné tyristory – IGCT, GTO

• Kladný pulz zapne, záporný pulz vypne


• Bipolární tranzistor (BJT Bipolar Junction Transistor) – typ NPN a PNP, PNP jen do 400 V

– kolektorový proud řízen proudem do báze 𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵

– schematická značka:

– oblasti výstupní VA charakter.


• Výkonový bipolární tranzistor – sepnutý stav – NPN – přívod děr do báze, multiplikační efekt, tok děr z kolektoru

– PNP – přívod elektronů do báze, multiplikační efekt, tok elektronů z kolektoru

– základní konstrukce

– přívod jednoho typu nosiče neumožňuje plné zaplavení nízkodotované části jako u diody, při velkém proudu dojde k saturaci.


• Bipolární tranzistor v závěrném stavu – zbytkový proud IC0 – původní svodový proud blokovaného přechodu je

zesílen zesílovacím koeficientem tranzistoru

– Maximální závěrné napětí UCE - podle zapojení báze – bází odváděny nosiče

• odpojená báze UCE0

• báze připojená na 0 přes R - UCER

• báze připojená na 0 - UCES

• záporně polarizovaná báze UCEU

– „Druhý průraz“

• při vyšším napětí a malém proudu neteče proud celou plochou

• zesílení se zvyšuje s teplotou,

průběh intenzity elektrického pole (oblast prostorového náboje


• Výkonový bipolární tranzistor – pracovní oblast – SOA – Save operating area

• oblast vyznačená na výstupní VA charakteristice

• povolené místo pracovního bodu (UCE/IC)

– FBSOA (Forward biased SOA)

– RBSOA (Reverse biased SOA)


• Výkonový Darlinghtonův tranzistor – řídící proud zesiluje další tranzistor (na jednom čipu jako součást) -

zmenšení řídícího proudu (o řád)

– delší zapínací i vypínací časy tranzistoru (o řád), zvýšení zapínacích i vypínacích ztrát

– kolektorový proud IC1 je řídícím proudem pro druhý tranzistor


• Bipolární tranzistor v měničích – historicky první spínací prvek schopný plné vlastní komutace (přeruší

proud) pro nízké napětí v napájecí síti (100 – 1000 V)

– proti MOSFET, IGBT tyto nedostatky:

• velký trvalý proud do báze ( BJT pro UCEM(1000 V) a IC (>100 A) je 𝛽 nízké (10 – 15), pro spolehlivé dosažení saturační oblasti nutné vysoké řídící proudy – částečně řešeno zřetězením - Darlinghtonovo zapojení

• delší doba sepnutí a vypnutí (ve srovnání s tranzistory MOSFET)

• napětí UCEsat pro velké proudy kolem 2 V a více – výkonové ztráty v propustném stavu

– aktuální použití BJT – menší výkony pro napětí stovek V, samokmitající střídače (spolehlivé, ověřené zapojení)

• měniče v úsporných žárovkách.

– vyšší výkony - nahrazen IGBT


• Tyristor – čtyřvrstvá polovodičová součástka s řízeným zapnutím,

– řídící signál tyristor zapne (napětí mezi anodou a katodou), tyristor dále vede i přerušení řídícího signálů

– běžný tyristor lze vypnout jen přerušením hlavního proudu (poklesem pod IH)


• Tyristor - princip funkce – dvoutranzistorová náhrada

• zapojení tranzistorů do kladné zpětné vazby

• zesílení T1, T2 podle velikosti proudu

– rozdíl proti tranzistoru – vyloučen lineární režim, vnitřní kladná vazba zajišťuje rychlý přechod mezi propustnou a blokovací charakteristikou

• nízký úbytek napětí v propustném směru, srovnatelné s diodou.


tyristor v sepnutém stavu – přechod do sepnutého stavu

1. přivedení dostatečného řídícího signálu (IG>IGT)

2. lavinovým průrazem v propustném směru (UD>UDB0)

3. překročení strmosti nárůstu napětí v propustném směru

– varianty 2 a 3 mohou tyristor zničit

– nespínací proud IGD, odolnost tyristoru proti nežádoucímu sepnutí rušivým signálem

– proud po ukončení řídícího pulsu musí přesáhnout přidržovací proud IL, aby tyristor zůstal sepnutý

– přerušení kladné zpětné vazby a vypnutí tyristoru – při snížení pod vratný proud IH .

dt

dUDcrit


• tyristor ve vypnutém stavu – závěrný stav – závěrný přechod s

oblastí prostorového náboje

• některé typy tyristorů mají integrovanou zpětnou diodu – není využíván závěrný přechod

– blokovací stav – blokovací přechod s oblastí prostorového náboje

– zesilování svodových proudů, teplotní omezení pod 125 °C.


• Vypínání tyristoru – přechod z propustného do blokovacího stavu

– standardní blokovací vlastnosti (blokovací napětí UD, nárůst blokovacího

napětí dI/dt) se projeví po předchozím propustném stavu po uplynutí doby tq

– závěrné zotavení tyristoru Qrr (náboj v podobě nerovnovážných nosičů, musí rekombinovat)

Proud před

vypnutím Napětí po

vypnutí


• Výkonový tyristor – poznámky:

– pomocný tyristor

• zmenšení spínacího proudu, pomocný tyristor dodá dostatečný proud pro sepnutí hlavního tyristoru

• zmenšení teplotní závislosti spínacího proudu IGT

– mikrosvody

• tyristor odolnější proti samovolnému sepnutí (stejně pomáhá zkrácení doby života nosičů elektronovým nebo protonovým ozářením tyristoru)

– distribuovaná řídící elektroda

• dosažení co největší sepnuté plochy co nejdříve po sepnutí (vysoká strmost nárůstu propustného proudu dI/dt)

• při překročení strmosti na malé ploše vysoká proudová hustota způsobí přehřátí a zničení struktury tyristoru


• Základní typy tyristoru s běžnou řídící elektrodou – síťové tyristory –

• určené pro práci ve fázově řízených obvodech (řízené usměrňovače) na síťové frekvenci

• delší doba tq, nízký úbytek napětí, symetrické

• v současnosti rozšířené

– rychlé tyristory

• technologicky zkrácená doba tq (na úkor zvýšení propustných ztrát)

• pro stejnosměrné měniče a střídače s komutačním obvodem, v současnosti ztrácejí na významu

– tyristory GATT

• jako předchozí, opačný směr proudu z řídící elektrody během vypínacího procesu ještě více zkracuje čas tq

– Obousměrné tyristory

• řídící struktura na obou stranách tyristoru, jen pro velké střední proudy (>4000 A)


• Optotyristory – tyristor je spínán světlem přivedeným do struktury tyristoru, určené

pro sériové řazení (galvanické oddělení řídících obvodů tyristory), vysoké napětí na větvi s tyristory

– vícenásobná struktura (řetězené pomocné tyristory)

– vlastnosti síťových tyristorů – vysoké tq

– pro rozvody elektrické energie na velmi vysokém napětí, stejnosměrné přenosy, kompenzační stanice, atd.


• Tyristory s řízeným vypnutím – v současnosti GTO a IGCT, vývojově – polem řízený (MCT),

– speciální konstrukce řídící elektrody - rozvedení řídící elektrody po celé ploše

• katoda rozčleněna do pásků, možný snadný přívod řídícího proudu na celou plochu tyristoru – vysoké špičkové hodnoty zapínacího i vypínacího pulzu

– kladný směr proudu do řídící elektrody – spíná

– záporný směr proudu do řídící elektrody – vypíná


• Vlastnosti tyristoru GTO (IGCT) – zapínání – podobně jako běžný tyristor

– vypínání – při velkém snížení proudu IB1 – snížení zesilovacího činitele α1 pod 1 – přerušení kladné zpětné vazby – snížení IC1, tyristor vypíná

– vypínací proud řádově stejný (GTO – 3-5× menší, IGCT – stejný), jako anodový proud

– vysoké IL, pro nízké propustné proudy nutný proud do řídící elektrody po celý čas trvání pulsu

– není pomocný tyristor – vysoké spínací proudy, značně závislé na teplotě

– při vypínání – nutné použít odlehčovací obvod • tvrdé vypínání způsobuje lokálního přehřátí,

• zvýšení maximálního vypínatelného proudu


• Časový průběh anodového napětí a proudu a související průběh napětí a proudu na řídící elektrodě na tyristoru GTO – snižující měnič

– RCD odlehčovací obvod -- snubber


nH20 sA/1000 S

S

GRGR LL

U

dt

di

• Rozdíl mezi GTO, IGCT – různé připojení řídící jednotky

-

• GTO – přívod kabelem – indukčnost kabelu ~ 0,5 µH

• IGCT – řídící jednotka integrovaná do těsné blízkosti součástky – indukčnost ~ 20 nH

– IGCT vypíná podstatně rychleji

• možnost funkce bez odlehčovacího obvodu (tvrdé vypínání) -

• nižší vypínací ztráty -

vyšší indukčnost

řídícího přívodu

nižší indukčnost

řídícího přívodu

nH500 sA/35 S

S

GRGR LL

U

dt

di


• Tyristor IGCT pro vypínatelný proud 1200 A, max. střední proud – 500 A, závěrné a blokovací napětí 2500 V


• Použití GTO a IGCT – v současnosti vypínatelné součástky pro měniče na ovládání

největšího výkonu (UDRM = 6 kV, ITGQM = 6 kA) – pro pohony s výkonem řádu MW a vyšší

– nižší výkony (do 1 MW) – dopravní pohony – IGBT, ve srovnání s IGBT mají tyristory GTO a IGCT relativně nižší propustné ztráty

– nutná komplikovaná řídící jednotka


• Triak – Triac (triode ac switch)

• práce ve střídavém proudu

– diak doplněný o řídící elektrodu

• připojená k oblasti P i N – poskytuje elektrony i díry

– funkce podobná, jako tyristor –

• po připojení blokuje napětí

• po přivedení řídícího signálu sepne

• vypnutí přepolarizováním hlavního proudu

– fázové řízení ve střídavé síti

– horší parametry (propustné, spínací) ve srovnání s tyristorem


• 4 kvadrantové ovládání triaku – polarizace v obou směrech – (blokování, i propustný stav)

– řídící proud v obou směrech

– nejsou totožné parametry (spínací proud IGT)


• Výkonový tranzistor JFET – využití efektu blokování vodivého kanálu oblastí prostorového náboje

(nejrychlejší způsob modulace proudu)

– nejjednodušší řiditelná součástka z hlediska technologie (obrobitelnost substrátu) – výkonové tranzistory z nových materiálů (SiC, GaN)

– přirozeně není bezpečná – při odpojení řídící elektrody je v propustném stavu,

– Si JFET – max. 50 V blokovací napětí

– SiC JFET > 500 V, nyní dostupné

pro napětí UDSm až 1700 V

proudy ID desítky A

– označení elektrod – Source, Drain, Gate


• Výkonový tranzistor MOSFET – schématická značka

• označení elektrod - Drain, Source, Gate

– s indukovaným kanálem

• UGS=0 < UGSth – vodivý kanál není indukován, tranzistor je v uzavřeném stavu

• UGS > UGSth – vytvořen vodivý kanál, vhodné je přiložit napětí několikanásobně větší

• substrát SB spojen se sourcem

– konstrukce –

• horizontální – LD-MOS do integr. obvodů – elektrody na jedné straně substrátu

• vertikální – vyšší výkonová hustota VD-MOS, drain na opačné straně substrátu

• V-MOS, U-MOS – vertikální struktura, vliv na parazitní parametry

– proud ID: ID = gfs*(UGS- UGS(th))


Parazitní vlastnosti tranzistoru MOSFET

– odpor vodivého kanálu – odpor Rd lineární, omezuje maximální proud, roste s maximálním napětím tranzistoru

– odpor řídící elektrody RG

– odpor RW – při velkých proudových hustotách – riziko sepnutí parazitního tranzistoru, lokální snížení úbytku, lokální přehřátí a zničení tranzistoru

– parazitní kapacity

CGS, CDS, CGD

– zpětná dioda DR – závěrné

zotavení, prodlužuje dobu

sepnutí, ztráty – integrace

diody s lepšími propustnými

a vypínacími parametry

DonDDS rIU .DonDZ rIP .2

1


• časový průběh napětí a proudu na tranzistoru MOSFET na snižujícím měniči – vyznačené zásadní parazitní jevy – způsobují zpoždění a prodloužení

spínání tranzistoru MOSFET

• vstupní integrační článek

– rozepnuto – τ = RG·(CGS+CDG||CDS ) nebo τ = RG·Ciss0

– sepnuto - τ = RG·CGS+CDG nebo τ = RG·Ciss

• přenosová (Millerova) kapacita CDG (Crss)


Proces sepnutí tranzistoru MOSFET I. přiložení napětí UGS mezi G a S, zpoždění tdon– nárůst

napětí UGS – RGCiss0, dosažení UGSth

𝑢𝐺𝑆 = 𝑈𝐺𝐷0(1 − exp−𝑡

𝑅𝐺𝐶𝑖𝑠𝑠

II. růst napětí nad UGSth –, růst proudu ID podle ID = gfs*(UGS- UGS(th)) dosažení plného proudu, UDS – stále plné napětí (tvrdý způsob spínání), dioda DZ přechází do závěrného stavu

III. pokles napětí UDG, napětí UGS neroste - zpoždění způsobuje Milerova kapacita mezi D a G, závisí na velikosti proudu ID

IV. napětí přestalo klesat, zvýšení napětí UGS


Proces vypínání tranzistoru MOSFET I. Pokles napětí UGS na takovou hodnotu, kdy

𝐼𝐷 = 𝑔𝑓𝑠 𝑈𝐺𝑆 − 𝑈𝐺𝑆 𝑡ℎ , 𝑢𝐺𝑆 = 𝑈𝐺𝐷0 exp−𝑡

𝑅𝐺𝐶𝑖𝑠𝑠

II. Růst napětí 𝑈𝐺𝑆, dokud DZ se nepřepóluje do propustného stavu, vliv kapacity 𝐶𝐷𝑆 = 𝐶𝑟𝑟𝑠

III. Pokles proudu 𝐼𝐷, přebírá ho nulová dioda, rychlost poklesu dán poklesem napětí UGS až na hodnotu UGSth, vliv zesílení

IV. Tranzistor je uzavřen, UGS klesá na hodnotu při uzavření (záporné napětí na G vypínání zrychlí) 𝑈𝐺𝐷0

𝑅𝐺= 𝐼𝐺 = 𝐶𝑟𝑟𝑠

𝑑𝑈𝐷𝑆

𝑑𝑡


• Použití tranzistoru MOSFET – univerzální tranzistor pro stejnosměrné a střídavé měniče do napětí

300 V (menší výkon pod 1 kW)

– stejnosměrné měniče do 50 V, tranzistory do 100 V, nízký rDON

umožňuje spínat proudy 10 – 100 A

– snadné paralelní řazení pro větší proudy (kladná teplotní charakteristika, zahřeje se -> zvětší se odpor rDon, snížení proudu ve větvi)

– frekvence do 100 kHz


• Tranzistor IGBT (Insular Gate Bipolar Tranzistor) – bipolární tranzistor řízený elektrickým polem (nízké výkonové nároky na řídící

zdroj) (výhoda tranzistoru MOSFET)

– možnost vysokých hodnot proudu i při vysokém blokovacím napětí (výhoda bipolárního tranzistoru)

– vertikální struktura (vysoká proudová hustota, dobré chlazení), struktura VD-MOS, doplněná o další vrstvu P+ (optimalizace funkce podle jednotlivých výrobců)

– pro vyšší napětí (600 V, 1200 V, atd a ) – měniče na nízké napětí

schematické značky – podle výrobce


• Tranzistor IGBT – funkce – struktura MOSFET – proudový kanál iB

– přivede díry do vrstvy P+ - otevření druhého kanálu iC

– parazitní odpor Rsh a druhý tranzistor – 4 vrstvá struktura, při překročení povoleného napětí nebo propustného proudu riziko lokálního sepnutí 2. tranzistoru – místní přehřátí, zničení tranzistoru


• Tranzistor IGBT – propustné vlastnosti – pro malé proudy – dioda v sérii, pro malé

napětí má tranzistor MOSFET lepší vlastnosti (rychlost, nižší úbytek napětí)

– vyšší proudy – využití tranzistorového jevu - injekce nosičů z krajních vrstev – nižší úbytek napětí

– náhradní schéma, srovnání charakteristik


• Tranzistor IGBT – parazitní vlastnosti – vstupní, výstupní a přenosová kapacita CGE, CCG,

CCE, zpomalení zapínání a vypínání proudového kanálu iB

– injekce nosičů při otevírání a uzavírání kanálu iC – pomalejší pokles proudu než u MOSFET, nižší spínací frekvence, vyšší zapínací i vypínací ztráty, než MOSFET,


• Tranzistor IGBT – použití – měniče na nízké napětí , velmi rozšířená součástka pro stejnosměrné i

střídavé měniče

– nejvyšší napětí – 6.5 kV – trakční měniče, nižší proud, výkon pohonů do 1 MW, - pohon a měnič pro každou nápravu zvlášť

– velké měniče (1 MW) – IGBT horší propustné vlastnosti, než GTO/IGCT., srovnatelná rychlost jako IGCT, složitější a náročnější řídící jednotka

– zhoršená schopnost paralelního a sériového řazení (teplotní charakteristika záporná)


• Integrované součástky – více diskrétních součástek (diody, tyristory, MOSFET, IGBT) v jednom

pouzdře

• výkonové moduly – – snadnější montáž – integrovány části výkonových obvodů, není nutné

montovat každou součástku zvlášť (větve nebo celé můstky, 1 fázové, 3 fázové) – příklady - skripta

• inteligentní moduly – – obsahují budiče, snímače (napětí, proud, teplota), řídící logiku

provázanou se snímači

– speciální součástky pro výkonovou elektroniku (budiče, galvanické oddělení, polovodičové relé)


• Polovodičové relé (Solid state relay – SSR) – AC SSR – Střídavé polovodičové relé, aktivní součástka – triak nebo tyristor

antiparalelně. Aby AC SSR vypnulo, musí spínaný proud procházet nulou.

– DC SSR – Stejnosměrné polovodičové relé, pro stejnosměrný proud, aktivní součástka – MOSFET nebo IGBT, jednosměrné nebo obousměrné

• Výhody SSR ve srovnání s mechanickým relé:

– rychlejší reakce na řídící signál

– životnost – větší počet spínacích cyklů 108 oproti 106

– potlačení rušivých signálů (spínání v nule)

– vhodné do výbušného prostředí (při spínání nevzniká elektrická jiskra)

– galvanické oddělení řídící a výkonové větve (opticky, transformátor)

• Nevýhody SSR

– úbytek napětí v sepnutém stavu, svodový proud ve vypnutém stavu

– méně odolné proti falešnému sepnutí

– vypnutý obvod není galvanicky oddělen (hledisko bezpečnosti, není mechanický kontakt, jen polovod. prvek ve vysoké impedanci)

– vyšší cena


• SSC – Solid state contactor – SSR doplněné o chladič (kompletní součástka)

• Optočleny – galvanické oddělení, přenos signálu optickou cestou

– napětí, mezi řídící a výstupní částí, zpoždění

– napětí na výstupním prvku (50 V, 300 V), bipolární tranzistor, někdy Darlingtonův stupeň, optotriak

– výstupní proudu pod 1 A

• Fotovoltaické relé – spínací prvek MOSFET, energie pro sepnutí (vypnutí) generována

fotovoltaicky ze světla, z LED diody na vstupu

– pomalé (100 µs ~ 1000 µs) doba sepnutí a vypnutí

– parametry výstupního prvku – až 400 V, 6 A


• Základní rozdělení pouzder výkonových součástek

– Pouzdra pro montáž na desky plošných spojů bez možnosti přídavného chlazení.

• do 5 W

– Pouzdra pro montáž na desky plošných spojů s možností přídavného chlazení

• do 25 W

– Pouzdra pro montáž na chladič s drátovými vývody a svorníková pouzdra

• do 500 W

– Přítlačné moduly a pastilková pouzdra • do 10 kW i více


• příklady pouzder


• Literatura 1) Benda, Papež: Komponenty výkonové elektroniky. ČVUT Praha 2006,

ISBN 80-01-03518-2

2) Baliga: Fundamentals of Power semiconductor Devices. Springer 2008, on-line, e-ISBN 978-0-387-47314-7

Řízené polovodičové součástkypub.mti.tul.cz/~martin.cernik/vke/files/vke... · •tyristor -...

Documents