Výkonové spínací prvky ožadavky a parametry Výkonový MOSFET IBT Tyristor rincipy činnosti, struktury, charakteristiky, modely a typické aplikace. Výkonová elektronika Řízení přenosu a přeměny energie při transportu mezi zdrojem a zátěží ílem je většinou dosažení: nejvyšší účinnosti nejnižší ceny nejvyšší dostupnosti nejnižších rozměrů nejvyšší spolehlivosti nejnižsí váhy Typické aplikace Statické D výkonové zdroje ninterruptible ower Supply (S) Výroba a přenos energie (HVD) Sváření, Ohřev, hlazení, apod. Řízení pohonů elektrické vlaky elektromobily, klimatizace, pumpy, kompresory.. říklad s okud požadujeme ovládání výstupního ss. napětí, je nutné užít jiný (řízený) prvek (tyristor) a složitější zapojení směrnění síťového napětí V/5 Hz ( m = 311V) čas S _ o _ S ωt Jednopulzní usměrňovač využívající polovodičovou diodu (neřízený prvek) S _ o _ Střední hodnota výstupního napětí je proměnná (závisí na úhlu α) I o ωt Střední hodnota výstupního napětí je fixní m o = o dc o 1 = α m sin m ( ωt ) dωt = [ 1 cosα ] α ωt čas
Výkonové polovodičové součástky funkce výkonového spínače pracují ve dvou stavech: O I Výkonové diody Ostate vodivý stav/plně sepnuto in _ sw = o _ state blokovací stav/zela vypnuto ikdy (!!) nepracují v lineární oblasti. Rozdělení in _ sw = in neřízené : dioda částečně řízené : tyristor (SR) plně řízené : výkonový BJT, MOSFET, IBT, TO, IT I= o _ IBT moduly (třífázový a Hmůstek) Fototyristor (tyristor řízený světlem) IT (Insulatedate ommutated Thyristor) s integrovaným budičem Výkonové ztráty SO Safe Operating rea Oblast bezpečné činnosti max Statické Ostate: propustný úbytek (13V@11) state: závěrný proud (<1m@11kV) limituje R DSon Dynamické spojené s přechodem O (rostou s frekvencí) I Dmax ideální spínač u i omutace reálný spínač =u.i u i Energie statické ztráty při návrhu volíme nejlepší kompromis. půraz u BJT čas čas dynamické ztráty DSmax
Výkonové součástky řízený výkon 1W=1V 1W 1MW 1MW 1MW 1kW 1kW 1kW Tyristor TO/IT IBT MOSFET 1W 1Hz 1kHz 1kHz 1MHz frekvence 1MHz
VÝOOVÝ MOSFET (diskrétní) Vysokého průrazného napětí BRDSS (až 8V) se dosáhne umístěním drainu na opačnou stranu Si destičky. a) DMOS Source SiO ate Source D jáma jáma S SBSTRÁT Drain 1 VÝOOVÝ MOSFET (diskrétní) Vysoké mezní hodnoty I DMX (až 5 ) při zachování malé hodnoty R DSO se dosáhne paralelním spojením 1 až 1 buněk. VÝOOVÝ MOSFET (diskrétní) Vysoké mezní hodnoty I DMX (až 5 ) při zachování malé hodnoty R DSO se dosáhne paralelním spojením 1 až 1 buněk. 15 Důsledek: vysoká vstupní kapacita jednotky nf!!! DMOS musíme spínat z tvrdého zdroje napětí nebo proudu. 1
VÝOOVÝ MOSFET (diskrétní) VÝOOVÝ MOSFET (diskrétní) a) S = V b) S T 1V S O SiO SiO ox O O S ox D R D DD Důsledek: vysoká vstupní kapacita jednotky nf!!! DMOS musíme spínat z tvrdého zdroje napětí nebo proudu. DD DD DD D DD D DD zátěž a) zátěž b) 17 D se při spínání projevuje jako Millerova kapacita (SE). arazitní kapacita D se při indukci kanálu zvětší o řád!!! velká časová prodleva při spínání daná nabíjením D DMOS musíme spínat z tvrdého zdroje napětí nebo zdroje proudu. 18 D S VÝOOVÝ MOSFET Double Diffused MOS =DMOS Dvojitá difúze umožní vytvořit jámu, ve které se indukuje kanál existence body diode. Source jáma SiO ate Drain Source jáma SBSTRÁT Body dioda se musí při vypínání zotavit nastavení dead time u budičů. 19 i(t) u s (t) Vypínání induktivní zátěže vznik napěťových špiček i O u O napěťový překmit t s Δt lim u Δi u D t lim Δ t s Δ t D Δi L Δt D i(t) u L (t) = závisí na hodnotě indukčnosti a di/dt (může být až v řádu 1k/μs) => nutnost ochrany t=t s u s (t)
VÝOOVÝ MOSFET Vypínání induktivní zátěže ochrana proti překmitu napětí Ochrana pomocí Free Wheeling Diode Ochrana pomocí R článku RD ochrana (Snubber) VÝOOVÝ MOSFET plikace Dioda omezuje napětí indukované při přepnutí R článek omezuje rychlost nárůstu napětí apacitor omezuje rychlost nárůstu napětí (nabíjení přes D, vybíjení přes R) MOSFET vypíná MOSFET vypíná MOSFET vypíná spíná spíná spíná 1 IBT Insulated ate Bipolar Transistor IBT Insulated ate Bipolar Transistor zabudování tranzistoru, který je řízen MOSFETEM MOSFET IBT
IBT výstupní charakteristika Tyristor 195: Bell Labs Silicon ontrolled Rectifier (SR) 1958: eneral Electric Thyristor proud kolektorem IBT MOSFET propustný úbytek Tyristor Tyristor noda J1 nodový přechod = Závěrný přechod noda J1 emitor báze J J3 Blokovací přechod atodový přechod J J3 báze emitor ate (řídicí elektroda) atoda ate (řídicí elektroda) atoda
Tyristor Tyristorový jev (latchup) dvoutranzistorový model J1 J J3 DOTČÍ ROFIL oncentrace příměsí x Tyristorový jev v integrovaných obvodech MOS Tyristor režimy činnosti 8 RRM I () Sepnutý stav stav = 1μ = 1m 5 1 15 BO I (μ) Závěrný směr arazitní tyristor může sepnout V DD s D pokud se například napětí na výstupuu (out) dostane na hodnotu o.7 nižší než je D. 8 1 15 1 5 b)
Tyristor závěrný směr Tyristor závěrný směr nodový (závěrný) přechod J1 polarizován v závěrném směru bariéra pro el. a díry protéká závěrný proud @ o až do průrazného napětí RRM I (μ) 8 RRM V závěrném směru se k tyristoru chováme jako k diodě: Mezní parametr: RRM max. špičkové závěrné opakovatelné napětí I (μ) 8 RRM R 1 15 1 5 (μ ) R 1 15 1 5 (μ ) W W b) závěrný směr 8 3 b) závěrný směr 8 3 Tyristor spínání Tyristor je čistě spínací součástka! Buď je sepnuto, nebo rozepnuto. racovní bod v sepnutém stavu nelze ovládat. Tyristor spínání Výjimečnost tyristoru: Způsoby sepnutí: o sepnutí zůstává v sepnutém stavu i po odeznění spínacího impulsu ( pokud anodový obvod dovolí protékání proudu). To tranzistory neumí! roudovým impulsem ( ) Impulsem optického záření (světla) řekročením blokovacího napětí BO řekročením hodnoty dc /dt nebo d /dt V sepnutém stavu vykazuje nejnižší odpor ze všech existujících spínacích polovodičových součástek! Tyristor mám největší proudovou zatížitelnost.
Tyristor blokovací režim Tyristor blokovací režim a anodě plus, na katodě minus, =: Blokovací přechod J v závěrném směru J BLOJE průchod nositelů náboje neteče proud. I () 8 = BO : árazová ionizace na přechodu J generuje elektrony a díry. Elektrony přitahovány na anodu, díry na katodu. Elektrony u anody poruší svým záporným nábojem neutralitu prostorového náboje < BO c) blokovací režim 5 1 8 15 3 BO J 8 3 W injekce děr z anody (kompenzace kladným nábojem) < = BO BO c) blokovací režim 8 3 O 8 3 W Tyristor blokovací režim Elektrony u anody poruší neutralitu prostorového náboje injekce děr z anody Díry poruší neutralitu prostorového náboje u katody injekce elektronů z katody (kompenzace záporným nábojem) Tyristor blokovací režim Injekce elektronů z katody a děr z anody se vzájemně stimuluje uzavření kladné (regenerativní) zpětné vazby zaplavení blokovacího přechodu volnými nositeli náboje zaplavení tyristoru elektrony a děrami sepnutí tyristoru < = BO BO c) blokovací režim 8 3 O 8 3 W < = BO BO c) blokovací režim 8 3 O 8 3 W
Tyristor blokovací režim Injekce elektronů z katody a děr z anody se vzájemně stimuluje uzavření kladné zpětné vazby zaplavení tyristoru volnými nositeli náboje sepnutí tyristoru pokles odporu mezi anodou a katodou na minimum 8 Tyristor blokovací napětí BLOOVÍ ĚTÍ BO je anodové napětí při kterém tyristor přejde z blokovacího do sepnutého stavu při =. BO = BreakOver voltage ěkdy též nazýváno DRM Typické hodnoty BO jsou stovky až tisíce V. 8 Sepnutý stav I () = 5 1 15 BO I () = 5 1 15 BO Tyristor blokovací napětí BLOOVÍ ĚTÍ BO je anodové napětí, při kterém tyristor přejde z blokovacího do sepnutého stavu při =. Tento způsob sepnutí je nežádoucí (nelze rozumně ovládat). 8 Tyristor blokovací napětí ro > sepne tyristor i při nižším napětí než BO. I () 8 = 5 1 15 BO I () Sepnutý stav = 1μ = 5 1 15 BO
Sepnutí tyristoru proudem I g Hlavní obvod zajišťuje plus na anodě, minus na katodě. řechod J3 polarizujeme do propustného směru proudem I g tekoucím z ate do atody injekce elektronů do báze. Sepnutí tyristoru proudem I g řechod J3 polarizujeme do propustného směru proudem I g tekoucím z ate do atody injekce elektronů do báze. Elektrony u anody poruší neutralitu prostorového náboje injekce děr z anody (kompenzace kladným nábojem) Hlavní obvod Řídicí obvod Hlavní obvod Řídicí obvod d) sepnutý stav I g g 8 3 W d) sepnutý stav I g g 8 3 W Sepnutí tyristoru proudem I g Elektrony u anody poruší svým záporným nábojem neutralitu prostorového náboje injekce děr z anody (kompenzace kladným nábojem) Díry z anody projdou ke katodě a vyvolají zde injekci elektronů uzavření kladné zpětné vazby zaplavení tyristoru volnými nositeli náboje sepnutí Sepnutí tyristoru proudem I g uzavření kladné zpětné vazby zaplavení tyristoru volnými nositeli náboje = sepnutí tyristoru (latchup) Rozložení koncentrace n=p je shodné jako u diody I (báze, báze a J zaplaveny) obrovská vodivost Hlavní obvod d) sepnutý stav Řídicí obvod I g g 8 3 W d) sepnutý stav F je typicky 1.7 V.7V.V.8V I g g n = p x
Sepnutí tyristoru proudem I g Tento způsob sepnutí je žádoucí (nejdůležitější z možných) Tyristor lze spolehlivě sepnout malým proudem ze zdroje napětí nízké hodnoty. d) sepnutý stav ozor! Tyristor zůstane trvale sepnut jen pro I >I L, který udrží kladnou zpětnou vazbu. I g g I L = přídržný proud = Latching current je minimální hodnota proudu I, při níž zůstává tyristor v sepnutém stavu i po zániku řídicího proudu I g bezprostředně po přechodu z blokovacího stavu. 8 Tyristor zůstává sepnut i po skončení spínacího impulsu do ate. ladná zpětná vazba je trvale udržována anodovým proudem I. vypnutí tyristoru je možné jen odstraněním I. d) sepnutý stav Sepnutí tyristoru proudem I g I g g I () 8 Sepnutý stav = = 1μ 5 1 15 n = p BO hcemeli tyristor vypnout, musí I klesnout pod I H, kdy dojde k odstranění kladné zpětné vazby. I H = vratný proud = Holding current je minimální hodnota proudu I potřebná k udržení tyristoru v sepnutém stavu. 8 x I L I () Sepnutý stav = 1μ = 5 1 15 BO I L I () I H Sepnutý stav = 1μ = 5 1 15 BO
Vypnutí tyristoru Vnějšími prostředky: 1. přirozenou komutací v obvodech střídavého napětí Vypnutí tyristoru Vnějšími prostředky: 1. přirozenou komutací v obvodech střídavého napětí yklové řízení výkonu yklové řízení výkonu Fázové řízení výkonu z z z O O O O O O α Burst Burst haseangle Fázové řízení výkonu Vypnutí tyristoru zátěž z R g D Vnějšími prostředky. nucenou komutací v obvodech stejnosměrného napětí a) F z O α O D 1 R1: pro R g = chrání přechod (I FV ) D1: ochrana přechodu ( BR ) D: aby R g nemělo vliv na nabíjení zápornou půlvlnou : tyristor sepne po nabití na c = D1 =.7.8 =1.5 V komutace = obrácení polarity anodového napětí (obdoba závěrného zotavení diody) R g : nastavuje časovou konstantu R g
Vypnutí tyristoru Vnějšími prostředky. nucenou komutací v obvodech stejnosměrného napětí a) c) I T () I TM b) SS Ty Ty3 Ty1 Ty Ty5 zátěž Vypnutí tyristoru Vnějšími prostředky. nucenou komutací v obvodech stejnosměrného napětí a) c) I T () I TM b) SS Ty Ty3 Ty1 Ty Ty5 zátěž T I RM t rr t q t (μs) T I RM t rr t q t (μs) T du/dt T du/dt t (μs) t (μs) Vypnutí tyristoru Samotným tyristorem vypínací tyristor TO (ate TurnOff) Sepnutí kladným proudem Vypnutí záporným proudem Volba tyristoru mezní a char. parametry Typ tyristoru volíme s pomocí parametrů RRM, BO, I FV danými zatížením tyr. z říklad: zvolte tyristor pro = V, z = 1W RRM není podstatné (jen propustný směr) 1 kw T I FV a) b) zátěž c) BO > V =V TE R TOD R TE ss TO sepnutí TO S O R O F V sepnutém stavu bude: z = T = 1.7 V I FV = z / = 1 / =.5 IO OD TODOVÉ SEMETY TE RD ochrana vypnutí TO S L R I FV =.5, BO = V, RRM nehraje roli
Volba tyristoru mezní a char. parametry Typ tyristoru volíme s pomocí parametrů RRM, BO, I FV danými zatížením tyr. Sepnutí tyristoru impulsem optického záření roud nahradíme zářením dopadajícím na přechod J3 () říklad: zvolte tyristor pro ef = 3V ~, z = 1W RRM >3 = 35 V BO >35 V z 1 kw T =3V ef I FV W g bsorpce záření na J3 způsobí vznik fotoproudu, který působí jako Tyristorem teče proud jen jednu půlvlnu sinusového průběhu (:) I FV I Fef = I zef ( z / ef ) / = (1 / 3) /. I FV =., BO = 35 V, RRM = 35 V řechod J3 (gatekatoda) má průrazné napětí do 5V! je nutné jej chránit proti průrazu ochrannou diodou! záření přivádíme do tyristoru světlovodem galvanické oddělení Light Triggered Thyristor LTT pro napětí RRM = 7 1 kv Light Triggered Thyristor LTT 5 kv dc LTT HVD link OTOTRI (Dvojitý optotyristor)
Sepnutí tyristoru překročením hodnoty dc /dt (d /dt) Strmý nárůst blokovacího napětí rychlé rozšíření O vznik kapacitního proudu vyklízením volných nosičů z O uzavření kladné (regenerativní) zpětné vazby zaplavení tyristoru volnými nositeli náboje SETÍ TYRISTOR při «BO Sepnutí tyristoru překročením hodnoty dc /dt (d /dt) je nežádoucí způsob sepnutí ekontrolovatelné! velkoplošných tyristorů může způsobit lokální proudové přetížení! (tyristor sepne jen u řídicí elektrody a než se anodový proud rozšíří laterálně po celé ploše, lokální proudové přetížení roztaví křemík) 8 3 O 8 3 < BO c) blokovací režim 8 3 W < BO c) blokovací režim 8 3 W Tyristor shrnutí Tyristor spínáme proudovým impulsem ( ) nebo impulsem optického záření (infračervené záření nebo světlo). Tyristor zůstává sepnutý i po odeznění spínacího impulsu, protékáli anodový proud větší než přídržný proud I L. Tyristor je sepnutý, dokud jím protéká anodový proud větší než vratný proud I H. Tyristor vypínáme poklesem anodového proudu pod I H ( obvody), komutací anodového napětí (= obvody), záporným impulsem do gate (jen TO tyristor)