VLASTNOSTI POLOVODIČOVÝCH SOUČÁSTEK PRO VÝKONOVOU ELEKTRONIKU Úvod: Čas ke studiu: Polovodičové součástky pro výkonovou elektroniku využívají stejné principy jako běžně používané polovodičové součástky malých výkonů. Pro aplikace polovodičových součástek do výkonových polovodičových měničů je tedy nutné znát nejen základní principy, ale i odlišnosti těchto součástek. K získání těchto poznatků slouží následující kapitola. 3 4 hodin 1. téma: POLOVODIČOVÁ DIODA Cíl tématu: Prostudováním získat schopnost popsat základní vlastnosti diody. Klíčová slova: Polovodičová dioda, propustný směr, závěrný směr, voltamperová (VA) charakteristika. Dioda je tvořena jedním PN přechodem. Struktura diody a schématické značka jsou na obr. 1 Obr. 4.1. Dioda a základní orientace veličin Je-li anoda (vrstva P) proti katodě (vrstva N) polována kladně, je dioda v propustném směru. t.j. je sepnuta. Diodou prochází propustný proud i F (určený zátěží) a je na ní propustné napětí. Při opačné polaritě napětí je dioda v závěrném směru. tj. je vypnuta. Na diodě je závěrné napětí u R určené velikostí napětí vnějšího zdroje a prochází jí závěrný proud i R 1
1.1 Voltampérová charakteristika Voltampérová charakteristika diody je uvedena na obr. 4.2. Má dvě větve: Obr. 4.2. Voltampérová charakteristika diody Propustná větev odpovídá propustnému stavu. Jejími důležitými parametry jsou propustné prahové napětí a diferenciální propustný odpor r F, definovaný v určitém klidovém bodě charakteristiky. (1.1) r = Závěrná větev odpovídá závěrnému stavu. Důležitými parametry závěrné větve je diferenciální závěrný odpor, definovaný opět v určitém klidovém bodě charakteristiky a závěrné průrazné napětí U (BR). Po překročení hodnoty U (BR) se mnohanásobně zmenší hodnota r R. Velikost proudu je pak podstatně závislá na napětí a odporu obvodu, v němž je dioda zapojena. S předpokladem neomezeného nárůstu proudu dochází k destrukci diody. F du di F F 1.2 Zatížitelnost Napěťová zatížitelnost je určena především opakovatelným špičkovým závěrným napětím U RRM. Je to nejvyšší přípustná hodnota závěrného napětí, jež se na diodě může periodicky opakovat. Při návrhu jištění oproti náhodným přepětím je směrodatné neopakovatelné špičkové závěrné napětí U RSM. V provozu není přípustné zatěžovat diodu napětím vyšším. Relace hodnot U RRM, U RSM, U (BR) je patrná z obr. 4.2. 2
Proudová zatížitelnost. Při provozu vzniká na diodě ztrátový výkon. Podstatný je ztrátový výkon vytvářený propustným proudem. Ztrátový výkon vytvářený závěrným proudem je zanedbatelný a vypínací ztrátový výkon se ve své střední hodnotě zpravidla začíná uplatňovat až při spínacích kmitočtech vyšších než 400 Hz. Celkový ztrátový výkon nesmí způsobit zahřátí křemíkové destičky (polovodičové struktury diody) nad maximální přípustnou hodnotu ϑ j max. Kontrolní otázky: Shrnutí: Co je podstatou polovodičové diody? Jaké podmínky musí být splněny pro orientaci diody v propustném směru? Jaké vlastnosti vykazuje dioda v propustném směru? Jaké podmínky musí být splněny pro orientaci diody v závěrném směru? Jaké vlastnosti vykazuje dioda v závěrném směru? Polovodičová dioda je základním obvodovým prvkem výkonových polovodičových měničů. Vyskytuje se jako hlavní součástka měniče (např. v usměrňovačích), tak jako pomocná součástka, bez níž by však funkce měniče byla nemožná (např. tzv. nulová dioda při spínání induktivní zátěže). Velmi často plní také různé ochranné funkce např. proti přepólování. Proto je důležité důkladně pochopit vlastnosti diody v návaznostech na požadavky jejich aplikací a podmínek, ve kterých bude pracovat. 2. téma: TYRISTOR Cíl tématu: Prostudováním získat schopnost popsat vlastnosti a aplikovat tyristor, pomocí měření vyhodnotit jeho vlastnosti. Klíčová slova: Tyristor, propustný stav, závěrný stav, blokovací stav, voltampérová (VA) charakteristika, komutace tyristoru, spínání tyristoru, ztráty tyristoru. Obr. 4.3. Náhradní schéma tyristoru 3
Tyristor je čtyřvrstvý polovodičový prvek se třemi PN přechody. Jeho struktura vyplývá z obr. 4. Krajní vrstva s vodivostí P je spojena s anodovou A, krajní vrstva s vodivostí N s katodou K. Vnitřní vrstvy se nazývají N báze a P báze. Řídicí elektroda G je spojena s P-bází. Obr. 4.4. Schematická značka a základní orientace veličin tyristoru Tyristor může pracovat ve vypnutém nebo sepnutém stavu. Je-li tyristor vypnut, může mít anoda oproti katodě kladné napětí u D (blokovací směr) a tyristorem protéká malý blokovací proud i D, určený vlastnostmi tyristoru, nebo záporné napětí u R (závěrný směr) s proudem i R. Přivedením impulsu i G >0 do řídicí elektrody přechází tyristor z blokovacího stavu do stavu sepnutého. Na tyristoru je malé propustné napětí u T určené vlastnostmi tyristoru a protéká jim proud i T určený zátěží. Vypnutí, t.j. přechod z propustného do závěrného, případně blokovacího stavu nelze řídicí elektrodou tyristoru ovlivnit. Nastává po zániku propustného proudu, jakmile tyristor obnoví blokovací schopnosti. Schematická značka a orientace veličin vyplývá z obr. 4.4. 2.1 Výstupní voltampérová charakteristika tyristoru 4
Obr. 4.5. Výstupní VA charakteristika tyristoru Výstupní VA charakteristika (obr. 4.5.) udává závislost anodového proudu tyristoru na anodovém napětí. Tato charakteristika má tři větve závěrnou, blokovací a propustnou. Závěrná charakteristika popisuje závislost vypnutého, závěrně pólovaného tyristoru. Průběh odpovídá závěrné charakteristice diody. S rostoucím i g závěrný proud narůstá. Při překročení průrazného napětí U (BR) dochází ke zničení tyristoru. Blokovací charakteristika popisuje závislost vypnutého, avšak propustně pólovaného tyristoru. Při i G = 0 je tvar blokovací charakteristiky podobný závěrné charakteristice. Při překročení spínacího napětí U (B0) dochází k sepnutí tyristoru. Při i G > 0 narůstá hodnota i D a k sepnutí tyristoru dochází při nižších hodnotách napětí U (B0). Spínání tyristorů překročením spínacího napětí není vhodné. Spínání se zásadně provádí přivedením proudového impulsu i G > 0 v obvodu řídicí elektroda katoda. Propustná charakteristika popisuje závislost sepnutého tyristoru. Má podobný tvar jako propustná charakteristika diody, charakterizovaná propustným prahovým napětím U (T0) a diferenciálním propustným odporem i T. Na rozdíl od diody je na propustné charakteristice definován vratný proud i H, při kterém tyristor přechází při vedení proudu z propustného stavu do stavu blokovacího. Přídržný proud i L > i H musí být dodržen při spínání tyristoru, má-li se tyristor udržet v sepnutém stavu. 2.2 Napěťová zatížitelnost tyristoru Napěťová zatížitelnost je podobně jako u diod udávána opakovatelným špičkovým napětím v závěrném U RRM a blokovacím U DRM směru, určujícím největší přípustnou hodnotu napětí, které se může na tyristoru periodicky opakovat. 5
Kontrolní otázky: Shrnutí: Co tvoří strukturu tyristoru? Jaké podmínky musí být splněny pro stav tyristoru v blokovacím režimu? Jaké vlastnosti vykazuje tyristor v blokovacím režimu? Jaké podmínky musí být splněny pro orientaci tyristoru v závěrném a propustném směru? Jaké vlastnosti vykazuje tyristor v závěrném směru? Jaké vlastnosti vykazuje tyristor v propustném směru? Tyristor je základním řiditelným obvodovým prvkem výkonových polovodičových měničů. Využívá se zejména pro fázové řízení v řízených usměrňovačích střídavých spínačích a regulátorech. Jeho význam v souvislosti s rozšiřováním vypínatelných polovodičových prvků stagnuje. 3. téma: TRIAK Cíl tématu: Prostudováním získat schopnost popsat vlastnosti a aplikovat triak, pomocí měření vyhodnotit jeho vlastnosti. Klíčová slova: Tyristor, propustný stav, blokovací stav, voltamperová (VA) charakteristika, spínání triaku. Obr. 4.6. Schematická značka a náhradní schéma triaku Obr. 4.7.Orientace veličin triaku Polovodičová struktura triaku (lze chápat jako obousměrný tyristor), jehož schématická značka spolu s náhradním schématem je na obr. 4.6., má podobné vlastnosti jako antiparalelně řazené tyristory, takže součástka vykazuje obousměrnou vodivost a 6
existuje u ní pouze blokovací a propustný stav. Orientace výstupních veličin vyplývá z obr. 4.7. Výstupní voltampérová charakteristika triaku je na obr. 4.8.. Přechod z blokovacího do sepnutého stavu je pro oba směry proudu řízen společným hradlem G. Řídicí proud tekoucí obvodem G, A1 může být jak kladný tak záporný. Vstupní obvod není však ve všech případech stejně citlivý. Největší proud řídicí elektrody je potřebný při zapínání triaku při záporném u D kladným proudem i G. Zapínání v této variantě proto není doporučováno. Obr.4.8. Voltampérová charakteristika triaku Dynamické parametry triaku, zejména S Ikrit a S Ukrit, jsou ve srovnání s vlastnostmi tyristorů horší. Velmi malá je rovněž odolnost proti přepětí, což vyžaduje v praktických aplikacích značné napětové předimenzování. Kontrolní otázky: Shrnutí: Čím je charakteristická struktura triaku? Kterými částmi je tvořena voltamperová chrakteritika triaku? Jaké vlastnosti vykazuje triak v blokovacím režimu? Jak lze řídit triak? Pro které aplikace je vhodný triak? Triak je řiditelným obvodovým prvkem se symetrickou blokovací charakteristikou pro obě polarity blokovacího napětí, ve kterých je řiditelný. Využívá se zejména pro fázové řízení ve spínačích a regulátorech střídavého proudu malých výkonů, zejména v komerční elektronice (stmívače, regulátory otáček komutátorových motorů, regulace teploty elektrotepelných spotřebičů). Vzhledem k absenci závěrné charakteristiky je málo odolný na vyšší strmosti nárůstu blokovacího napětí, je málo přetížitelný. 7
4. téma: Bipolární výkonový tranzistor Cíl tématu: Prostudováním získat schopnost popsat vlastnosti bipolárního tranzistoru, pomocí měření vyhodnotit jeho vlastnosti a aplikovat jej. Klíčová slova: Bipolární výkonový tranzistor, zapojení se společným emitorem, voltampérová charakteristika tranzistoru. Vývoj výkonových vysokonapěťových tranzistorů a růst jejich technických parametrů umožňil jejich užití při návrhu a konstrukci nových typů polovodičových řiditelných měničů menších a středních výkonů, kde nahradily do té doby převážně užívané tyristory. Tranzistory bipolární jsou v současnosti využívány v polovodičových měničích ojediněle. Jako spínače jsou v polovodičových měničích využívány výhradně tranzistory typu NPN. 4.1 Voltampérové charakteristiky tranzistoru v zapojení se společným emitorem Ve výkonových aplikacích je užíváno téměř výhradně zapojení se společným emitorem (obr. 4.9.a) a význam má zejména výstupní charakteristika tranzistoru, představující závislost I C = f (U CE ), měřená při konstantním proudu báze I B (obr. 4.9.b). Obr. 4.9. Příklad voltamperové charakteristiky bipolárního tranzistoru Kladným proudem báze lze při zadaném U CE řídit proud tekoucí kolektorem tranzistoru. Podle vybuzení může tranzistor pracovat v přesyceném stavu, v nasyceném stavu, v aktivním stavu, případně ve stavu uzavřeném. V nasyceném stavu při daném proudu kolektoru I C, který je určen zátěží, vzniká mezi kolektorem a emitorem úbytek napětí označený jako saturační napětí kolektoru U CEsat. Je to charakteristický parametr udávaný v katalozích při jedné nebo více hodnotách proudu kolektoru a proudu báze. Podobným způsobem je určeno i saturační napětí báze U BEsat. Saturační napětí U CEsat je důležitým parametrem spínacích tranzistorů, neboť 8
udává úbytek napětí na sepnutém tranzistoru. Velikost tohoto napětí s rostoucím proudem kolektoru roste a jeho velikost při daném I C s rostoucím buzením tranzistoru, t.j. s rostoucím proudem báze I B klesá. Nasycený stav tranzistoru je z jedné strany vymezen mezní čárou nasycení (obr.14b), udávající nejmenší dosažitelné saturační napětí kolektoru při určitém proudu I C. Další zvyšování proudu báze I B již nevede k poklesu saturačního napětí a tranzistor pracuje v přesyceném stavu. Z druhé strany je nasycený stav vymezen tzv. mezi nasycení, určující přechod do aktivního stavu tranzistoru. Aktivní oblast je využívána při práci tranzistoru jako zesilovače. Nejdůležitějším charakteristickým parametrem tranzistoru je proudový zesilovací činitel h 21E. Je to poměr proudu kolektoru I C k proudu báze I B, měřený buďto pro dané napětí mezi kolektorem a emitorem, nebo pro daný proud emitoru. Do oblasti uzavřeného stavu přechází tranzistor při nulovém proudu báze I B = 0 (viz obr. 4.9.). Proud kolektoru na této charakteristice se označuje jako zbytkový proud I CE0. Udává se jako proud, který protéká kolektorem při daném napětí U CE a při nulovém proudu báze (I B = 0). Zbytkový proud je důležitým parametrem zejména u spínacích tranzistorů, neboť hodnotí kvalitu rozepnutí spínače. 4.2 Zatížitelnost tranzistoru Nejdůležitější charakteristikou pro výběr tranzistoru je dovolená pracovní oblast. Udává mezní hodnoty I C v závislosti na napětí U CE při propustně pólovaném přechodu báze emitor. Práce tranzistoru v dovolené pracovní oblasti je důležitou podmínkou spolehlivé funkce navrhovaného zařízení (měniče). Proudovou zatížitelnost určuje přímka omezující pracovní oblast shora udávající největší přípustný proud kolektoru I Cmax. Napěťovou zatížitelnost v propustném směru určuje přímka omezující dovolenou pracovní oblast zprava, udávající nejvyšší přípustné napětí U CE0max určené při nulovém proudu báze. Kontrolní otázky: Shrnutí: Jaké tranzistory jsou využívány ve výkonové elektronice? Jaké podmínky musí být splněny pro tranzistor v nasyceném stavu? Jaké nejvyšší napětí můžeme připojit na tranzistor v rozepnutém stavu? Proč musíme respektovat dovolenou pracovní oblast tranzistoru? Bipolární výkonový tranzistor v nedávné minulosti splnil úlohu vypínatelného polovodičového spínače pro použití ve výkonových měničích. Zajištění pracovních podmínek ve výkonovém i řídicím obvodu však přinášelo mnohé problémy, které velmi prodražovaly reálné provedení měničů. Proto je v současnosti bipolární tranzistor nahrazován spínači na bázi unipolárních technologií, zejména spínači s IGBT. 9
10
Obr. 4.10. Mezní (max.) parametry současně vyráběných polovodičových součástek pro výkonovou elektroniku Obr. 4.10. Příklady provedení některých výkonových polovodičových součástek 11