Řízené polovodičové součástky Výkonová elektronika
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 I C = βi B 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 I C0 původní svodový proud blokovaného přechodu je zesílen zesílovacím koeficientem tranzistoru Maximální závěrné napětí U CE - podle zapojení báze bází odváděny nosiče odpojená báze U CE0 báze připojená na 0 přes R - U CER báze připojená na 0 - U CES záporně polarizovaná báze U CEU 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 (U CE /I C ) 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 U CEM (1000 V) a I C (>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 U CEsat 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 I H )
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 (I G >I GT ) 2. lavinovým průrazem v propustném směru (U D >U DB0 ) 3. překročení strmosti nárůstu napětí v propustném směru varianty 2 a 3 mohou tyristor zničit du Dcrit dt nespínací proud I GD, odolnost tyristoru proti nežádoucímu sepnutí rušivým signálem proud po ukončení řídícího pulsu musí přesáhnout přidržovací proud I L, aby tyristor zůstal sepnutý přerušení kladné zpětné vazby a vypnutí tyristoru při snížení pod vratný proud I H.
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 U D, nárůst blokovacího napětí di/dt) se projeví po předchozím propustném stavu po uplynutí doby t q závěrné zotavení tyristoru Q rr (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 I GT 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 t q, nízký úbytek napětí, symetrické v současnosti rozšířené rychlé tyristory technologicky zkrácená doba t q (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 t q 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 t q 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 I B1 snížení zesilovacího činitele α 1 pod 1 přerušení kladné zpětné vazby snížení I C1, tyristor vypíná vypínací proud řádově stejný (GTO 3-5 menší, IGCT stejný), jako anodový proud vysoké I L, 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
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 - di dt GR U L GR S di dt 1000 A/ s L 20 nh S GR vyšší indukčnost řídícího přívodu U L GR S 35 A/ s L 500 nh nižší indukčnost řídícího přívodu S
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 (U DRM = 6 kv, I TGQM = 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 I GT )
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 U DSm až 1700 V proudy I D desítky A označení elektrod Source, Drain, Gate
Výkonový tranzistor MOSFET schématická značka označení elektrod - Drain, Source, Gate s indukovaným kanálem U GS =0 < U GSth vodivý kanál není indukován, tranzistor je v uzavřeném stavu U GS > U GSth 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 I D : I D = g fs *(U GS - U GS(th) )
Parazitní vlastnosti tranzistoru MOSFET odpor vodivého kanálu odpor R d lineární, omezuje maximální proud, roste s maximálním napětím tranzistoru 2 odpor řídící elektrody U DS I DR. r G Don P Z1 I D. r odpor R W při velkých proudových hustotách riziko sepnutí parazitního tranzistoru, lokální snížení úbytku, lokální přehřátí a zničení tranzistoru parazitní kapacity C GS, C DS, C GD zpětná dioda D R závěrné zotavení, prodlužuje dobu sepnutí, ztráty integrace diody s lepšími propustnými a vypínacími parametry Don
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 = R G (C GS +C DG C DS ) nebo τ = R G C iss0 sepnuto - τ = R G C GS +C DG nebo τ = R G C iss přenosová (Millerova) kapacita C DG (C rss )
Proces sepnutí tranzistoru MOSFET I. přiložení napětí U GS mezi G a S, zpoždění t don nárůst napětí U GS R G C iss0, dosažení U GSth u GS = U GD0 (1 exp t R G C iss II. růst napětí nad U GSth, růst proudu I D podle I D = g fs *(U GS - U GS(th) ) dosažení plného proudu, U DS stále plné napětí (tvrdý způsob spínání), dioda DZ přechází do závěrného stavu III. IV. pokles napětí U DG, napětí U GS neroste - zpoždění způsobuje Milerova kapacita mezi D a G, závisí na velikosti proudu I D napětí přestalo klesat, zvýšení napětí U GS
Proces vypínání tranzistoru MOSFET I. Pokles napětí U GS na takovou hodnotu, kdy I D = g fs U GS U GS th, u GS = U GD0 exp t R G C iss II. III. Růst napětí U GS, dokud D Z se nepřepóluje do propustného stavu, vliv kapacity C DS = C rrs Pokles proudu I D, přebírá ho nulová dioda, rychlost poklesu dán poklesem napětí U GS až na hodnotu U GSth, vliv zesílení IV. Tranzistor je uzavřen, U GS klesá na hodnotu při uzavření (záporné napětí na G vypínání zrychlí) U GD0 R G = I G = C rrs du DS 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 r DON umožňuje spínat proudy 10 100 A snadné paralelní řazení pro větší proudy (kladná teplotní charakteristika, zahřeje se -> zvětší se odpor r Don, 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 i B přivede díry do vrstvy P+ - otevření druhého kanálu i C parazitní odpor R sh 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 C GE, C CG, C CE, zpomalení zapínání a vypínání proudového kanálu i B injekce nosičů při otevírání a uzavírání kanálu i C 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 10 8 oproti 10 6 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