Przyrządy półprzewodnikowe – część 5

WEEIiA E&T

Przyrządy półprzewodnikowe – część 5

wykład 30 godz. laboratorium 30 godz

Prof. Zbigniew Lisik

pokój: 116 e-mail: [email protected]

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych

Przyrządy Mocy

Przyrządy mocy - przegląd Podstawowe cechy :

● główne zastosowania – klucze w obwodach DC i AC

● duże wymiary

● wymagaja chłodzenia

● duża jednostkowa cena

Część 5

Przyrządy Mocy

Podstawowe wymagania :

● duży prąd przewodzenia : typowo 40 - 1000 A, max. 6 kA

● duże napięcie blokowania : typowo 300V - 2kV, max. 10 kV

● duża częstotliwość przełączania : dla bipolarnych > 10 kHz dla unipolarnych > 100kHz

● małe straty mocy (UonIon) w stanie przewodzenia

● proste sterowanie

Część 5

Przyrządy mocy - przegląd

Przyrządy Mocy

Bipolar

Diodes

Bipolar Transistors

Thyristors GTO

Unipolar

MOSFET Transistors

JFET Transistors

BiMOS

Isolated Gate Bipolar Tranzystors

(IGBT)

Static Induction Thyristor (SITh)

Część 5

Przyrządy mocy - przegląd

Przyrządy Mocy - Tyrystor

Zasada budowy Jest to przyrząd 3-złączowy pochodzący od znanego układu dwu-

tranzystorowego, tzw. łącznika TT:

G

A

K

n

n

p

p

A

K

G

IA

T1

T2

IG

IK = IA + IG

● struktura n-p-n-p

● cztery warstwy

● trzy złacza

● three electrodes:

A – anoda K – katoda G – bramka

Część 5


Zasada działania

G

A

K

n

n

p

p

A

K

G

IA

T1

T2

IG IK = IA + IG

● polaryzacja wsteczna - UAK < 0, przyrząd może jedyne blokować napięcie,

● polaryzacja w kierunku przewodzenia - UAK > 0, przyrząd blokuje napięcie lub może być przełączony w stan przewodzenia (duży anodowy prąd IA przy małym spadku napięcia),

● przyrząd jest sterowany prądem bramki IG, który może go załączyć przy polaryzacji w kierunku przewodzenia,

● w normalnych tyrystorach wyłączenie prądem bramki nie jest możliwe (jest ono możliwe jedynie w tyrystorach GTO).

Część 5


A

K

G

IA = IE2

IC1 = IB2

T1

T2

IC2

IB1 IG

IK = IE1

UAK

IT ● stan blokowania: UAK= Uext > 0, IG = 0, IA = 0

● start załączania : UAK= Uext > 0, IG= IG0 > IGmin, IC1= IC2= 0 IA = 0

● stan przejściowy – dodatnie sprzężenie zwrotne: IA = IC1 + IC2 IB1 = IG = IG0 IC1 = 1IG0

IB2 = IC1= 1IG0 IC2 = 2IB2 = 12IG0

I’B1 = IC2 + IG0 I’C1 = 1I’B1 = 1 (IC2+IG0)

I’B2 = I’C1 = 1 (IC2+IG0) I’C2 = 2I’B2 = 12(IC2+IG0)

I’’C1= …..I’’C2= …... Część 5

Załączanie bramkowe


A

K

G

IA = IE2

IC1 = IB2

T1

T2

IC2

IB1 IG

IK = IE1

UAK

IT ● stan blokowania: UAK= Uext > 0, IG = 0, IA = 0

● start załączania : UAK= Uext > 0, IG= IG0 > IGmin, IC1= IC2= 0 IA = 0

● stan przejściowy – dodatnie sprzężenie zwrotne: IA = IC1 + IC2 IB1 = IG = IG0 IC1 = 1IG0

IB2 = IC1= 1IG0 IC2 = 2IB2 = 12IG0

● stan przewodzenia: IG = 0 IG = 0,

IA = IK UAK= UT = 1,6 ÷ 2 V

I’C1= …..I’C2= …...

Część 5




t

t

t

IT IA

0.1UD

0.9UD UDM

UAK

0.1IGM

IGM IG

tG

tr td

IGM – amplituda prądu bramki

UD – napięcie blokowania

IT – prąd przewodzenia tyrystora

tG – czas trwania impulsu prądu bramki

td – czas opóźnienia

tr – czas narastania

ton = td + tr

Część 5


Charakterystyka bramkowa

A – obszar niemożliwych przełączeń tyrystora

B – obszar niepewnego wyzwalania

C – obszar pewnego wyzwalania

IGT – prąd przełączający bramki

UGT – napięcie przełączające bramki

IFGM – szczytowy prąd przewodzenia bramki

UFGM – szczytowe napięcie przewodzenia bramki

Część 5

IGT

IFGM

UGT UG

IG

Pmax C

B

A UFGM


● obwód wyłączania wymuszonego

td E

t

R IT

UT

Th

E

td – czas dysponowany – określony przez obwód zewnętrzny

Część 5

Wyłączanie wymuszone


Wyłączanie wymuszone

● Proces wyłączania

td E

t

R IT

UT Th

E

tq – czas wyłączania, określony przez zjawiska wewnątrz tyrystora prowadzące do odzyskania zdolności blokowania napięcia

IT

tq UT

Część 5

Przyrządy Mocy – Tranzystory Sterowane Polowo

● Static Induction Transistor SIT (unipolarny)

Konstrukcja bramki

zagrzebanej

S

D

G

n+

n+

n-

p+

Konstrukcja SIT jest wzorowana na idei lampy elektronowej

„triody”

Część 5

Wywodzący się z idei JFET


● Static Induction Thyristor SITh (Bi-MOS)

Złącze emiterowe

K

A

G

n+

p+

n-

p+

Część 5

Wywodzący się z idei JFET

Konstrukcja SITh jest wzorowana na idei lampy elektronowej

„triody”


● Vertical MOS VMOS (unipolarny)

Pojedyncza komórka

przyrząd składa się z tysięcy

takich komórek

D

p n

n-

n+

G S

n

S

Identyczność komórek MOS jest uzyskiwana dzięki jednorodności procesu

suchego trawienia

Część 5

Wywodzący się z idei MOSFET



● Vertical Double Diffusion VDMOS (unipolarny)

D

n-

n+

p n

G S S n

Część 5

Pojedyncza komórka


takich komórek

Identyczność komórek MOS jest uzyskiwana dzięki jednorodności procesu podwójnej dyfuzji (jedna

maska dla wysp n i p)



● CoolMOS (unipolarny)

Część 5

Pojedyncza komórka


takich komórek

Identyczność komórek jest uzyskiwana m.in. dzięki jednorodności procesu podwójnej dyfuzji (jedna

maska dla wysp n i p)

Przyrządy Mocy – Tyrystory Sterowane Polowo

Wywodząca się z idei tranzystora bipolarnego

● Integrated Gate Bipolal Transistor IGBT (Bi-MOS)

G

S

D

D

n-

n+

p+ n

G S

n

G Wyjściowa struktura MOS

Część 5

Przyrządy Mocy – Tyrystory Sterowane Polowo

Descended from bipolar transistor idea

● Integrated Gate Bipolal Transistor IGBT (Bi-MOS)

Zmodyfikowana struktura MOS

struktura IGBT

C

n-

p+

p+ n

G E

n

G

G

E

C

Część 5

Przyrządy Mocy - IPM

IPM – Inteligemt Power Module

Część 5

Documents

Przyrządy półprzewodnikowe – część 5