Prof. Stanisław Kuta
Katedra Elektroniki AGH
e-mail: kuta@uci.agh.edu.pl
Klucze stosowane
w energoelektronice
Prof. Stanisław Kuta
Katedra Elektroniki AGH
e-mail: kuta@uci.agh.edu.pl
Klucze stosowane
w energoelektronice
Klucze w
energoelektronice
DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE
TRANZYSTORY BIPOLARNE
TRANZYSTORY UNIPOLARNE
TYRYSTORY
TRIAKI
TRANZYSTORY IGBT
1. DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE
Dioda półprzewodnikowa jest dwuelektrodowym elementem nieliniowym
ze złączem prostującym p-n między obszarami półprzewodnika o
przewodnictwie typu n (donorowym) i przewodnictwie typu p
(akceptorowym) lub złączem prostującym metal-półprzewodnik (złączem
Schottky’ego).
Diody złączowe p
+
-n powstają w wyniku znacznego domieszkowana w
monolitycznym krysztale półprzewodnika obszaru o słabym przewodnictwie
donorowym jonami akceptorowymi o koncentracji N
A
, przynajmniej o trzy
rzędy większej niż koncentracja donorów (N
A
>>N
D
). Na granicy tych dwóch
obszarów tworzy się złącze skokowe p
+
-n o optymalnych właściwościach
prostujących.
Diody Schottky’ego powstają po naniesieniu na powierzchnię
półprzewodnika typu n odpowiedniej warstwy metalicznej; o pracy wyjścia
elektronu z tego metalu większej niż praca wyjścia z półprzewodnika. Tutaj
także powstaje warstwa ładunku przestrzennego w obszarze
przypowierzchniowym półprzewodnika na skutek termoemisji elektronów z
tego obszaru do metalu.
anoda katoda
a)
b)
c)
d)
p
+
n
N
A
N
D
x
x)
x
x
Q(x)
qN
D
-qN
A
i
D
u
D
U
BR
U
K
-I
0
Rys. 1. a) Przekrój przez jednorodne
skokowe złącze p
+
-n; a) rozkłady domieszek
po obu stronach złącza metalurgicznego; c)
rozkłady ładunków przestrzennych; d) zmiany
potencjału w obszarze warstwy zaporowej
gdzie I
0
– prąd zerowy diody (przy u
D
<<0)
0
e
1
D
T
u
U
D
i
I
.
0
0
e
1
D
T
u
U
R
i
I
I
i
D
i
D
u
D
u
D
t
t
U
M
I
FSM
-I
0
dla f=50 Hz
dla f=kilkadziesiąt kHz
Rys.2. Praca diody prostowniczej
(U
m
i I
FSM
– maksymalne wartości
napięcia i prądu diody)
Tabela 1.1. Typowe parametry elektryczne diod
prostowniczych typu 1N4 (BYP-4)
Typ
U
RR
M
[V]
U
BR
[V]
przy I
R
=10
A
min– typ.-
max
I
F
[A
]
U
F
[mV]
przy I
F
[A]
min – typ.-max
I
R
[A]
przy U
R
[V]
min – typ.-max
t
rr
[s
]
C
j
[pF]
(U
R
=1
0V
f= 1
MHz)
1N40
01
200
200 – 350
1
99 - 1110
1
00 5 –
0,1
30
0
30
6 - 8
1N40
04
400
400 - 480
1
980 - 1100
1
0,02 -10
40
0
30
6,2 -
9,0
1N40
05
600
1
1100
1
10 -
60
0
30
1N40
06
800
1
1100
1
10 -
80
0
30
1N40
07
100
0
1
1200
1
10
10
00
30
Pierścień Anoda
ochronny SiO
2
E
max
E
Katoda x
10 m
250 m
p
+
p
+
p
+
n
-
n
+
d
RD
Diody dużej
mocy
Przekrój struktury diody krzemowej dużej mocy i
rozkład pola elektrycznego (napięcia anodowego) przy
polaryzacji zaporowej
Typowe parametry krzemowych diod
mocy
Typ diody
Max.
napię
cia
Max.
prądu
Napięcie
przewod
zenia
Szybkoś
ć
przełącz
enia
Zastosowania
Prostownicze
wysokonapięci
owe
30 kV
,5
A
1 V
1 ns
Układy WN
Ogólnego
zastosowania
5
kV
1
kA
0,7 2,5
V
25 s
Prostowniki5
0 Hz
Przełączające
3
kV
2
kA
0,7 1,5
V
< 5 s
Układy
komutacyjne
Diody
Schottky’ego
mocy
1 V
3
A
0,2 ,9
V
3 ns
Prostowniki
AF i RF
Diody Zenera
mocy
3 V
( 75
W)
Układy
stabilizacyjne
i referencyjne
i
D
I
F
0,9I
F
t
rr
0,1I
F
t
r
0,25I
rr
t
I
rr
u
D
U
rf
U
ON
U
R
t
ON
załączenie diody przełączenie diody
1,1U
ON
t
Q
rr
Przebiegi czasowe prądu oraz napięcia diody mocy podczas załączania i
przełączania
Pierścień Anoda
ochronny SiO
2
złącze prostownicze
Złącze omowe
Katoda
p
+
p
+
n
-
n
+
warstwa
zubożona
.
Struktura złączowa diody Schottky’ego
2. Bipolarne tranzystory
mocy
E C E C
a) b)
B B
a
R
i
R
a
F
i
F
a
R
i
R
a
F
i
F
E
i
E
i
C
C E i
E
i
C
C
i
F
i
R
i
F
i
R
i
B
i
B
u
BE
u
BC
u
BE
u
BC
B B
Bipolarne tranzystory mocy różnią się nieco
od tranzystorów normalnych wewnętrzną
strukturą złączową, i jej powierzchnią,
głównie w obszarze kolektora. Muszą one
bowiem wytrzymywać napięcia rewersyjne
U
CBmax
>200V. Złącze baza-kolektor jest w
zasadzie diodą p-i-n z pogrubioną warstwą
bazy – aby uniknąć jej przebicia skrośnego
przy tak dużych napięciach. W efekcie,
tranzystory mają dużo mniejszy
współczynnik β
F
=2550 oraz szerszy
obszar nasycenia; na charakterystykach
wyjściowych jest to tzw. kwazinasycenie
U
CE(sat)
= 1,2 4 V.
C C
B B
10k 150 10k 150
E E
n-p-n p-n-p
Budowa wewnętrzna tranzystorów
Darlingtona
TO-251
TO-202
TO-126
TO-218AC
TO-3
TO-220
Typy obudów tranzystorów
mocy
1.3. TRANZYSTORY
UNIPOLARNE
n
+
n
+
a) Stan odcięcia: U
GS
<V
T
b)
U
GS
Dren U
DS
Źródło SiO
2
bramka
Stan załączenia: U
GS
>V
T
zakres:
p L - liniowy c)
U
GS
-U
DS
>V
T
podłoże
-nasycenia
U
BS
U
GS
–U
DS
<V
T
d)
L’
a) Przekrój i sposób polaryzacji tranzystora
n-MOSFET normalnie odciętego: b) w stanie odcięcia i stanie
załączenia:
c) w zakresie liniowym, d) w zakresie nasycenia
TRANZYSTORY UNIPOLARNE
MOCY
TRANZYSTORY
UNIPOLARNE
D D
a) c)
C
gd
C
ds.
C
gd
G G
r
be
C
ds
C
gs
C
gs
S
G S
b) d)
i
D
p
n
+
a) Schemat zastępczy tranzystora mocy n-MOSFET z pasożytniczym
tranzystorem bipolarnym: b) o rezystancji r
be
lub c) diodą , oraz sposób
usprawnienia d) – z dwiema diodami zewnętrznymi
Przewodzący kanał
wprowadza małą
rezystancję
r
be
co w konsekwencji
daje diodę p-n do
źródla
I
D
V
DSS
r
DS
typowe (max)
U
GS
(dla I
D
)
V
T
1A
900V
7 (9)
10V (0.5A) 1.5 - 3.5V
2A
500V
3 (4)
10V (1A)
2 - 4V
9A
200V
0.25 (0.4)
10V (5A)
2 - 4V
13A
500V
0.3 (0.4)
10V (7A)
2 - 4V
45A
60V
0.024 (0.03)
10V (25A)
2 - 4V
Typowe parametry stałoprądowe
pojedynczych
tranzystorów n-MOSFET
i
D
I
D(ON)
I
D(OFF)
U
DS.(ON)
u
DS
U
GS
=10 V
=9 V
= 8 V
= 7 V
=6 V
= 5 V
=4 V
Typowe charakterystyki
wyjściowe tranzystora mocy
n-MOSFET
u
A
u
A
anoda
i
A
i
A
i
A
i
B1
T1
J 1 p
E
T1(p-n-p)
C
j1
n
B
bramka
J 2
p
B
u
G
u
G
C
j2
katoda
J 3 n
E
T2
u
AK
d)
T2(n-p-n)
i
K
i
K
i
K
u
GK
a) u
K
b)
u
K
c)
i
B2
i
G
i
G
1.4. TYRYSTOR
a) Struktura złączowa tyrystora; b) modelowe rozdzielenie na dwie struktury
tranzystorowe;
c) tranzystorowy schemat zastępczy ; d) symbol graficzny tyrystora
gdzie I
CO
– prąd nasycenia tyrystora
1
1
1
CO
A
N
N
I
i
A
E
N
E
N
C
C
C
i
i
i
I
i
i
2
2
1
1
0
2
1
A
A
N
A
N
C
C
C
i
i
i
I
i
i
2
1
0
2
1
A
E
E
i
i
i
2
1
Przy napięciu U
B0
w obszarze złącza J2 następuje powielanie lawinowe
nośników
określone współczynnikiem M oraz gwałtowny przyrost prądu anodowego
i
A
I
T(AV)
U
TA
stan przewodzenia
I
L
I
G2
>I
G1
>0
I
H
I
G
=0
U
RSM
U
RRM
I
IN
I
CO
U
H
U
B2
U
B1
U
B0
u
AK
I
RRM
stan zaworowy stan
blokowania
1
1
1
N
N
M
1
1
1
CO
A
N
N
MI
i
M
Charakterystyka napięciowo-prądowa
tyrystora
Skrajne charakterystyki
u
FG
przewodzenia
U
FGM
Maks. dopuszczalne
straty mocy
w bramce
P
GM
U
GT
3
4
U
GD
1 2
0
I
GD
I
GT
I
FGM
i
FG
Charakterystyki bramkowe tyrystora z obszarami rozrzutu technologicznego
parametrów załączenia:
1 - obszar nieprzełączania,
2 - obszar możliwych przełączeń,
3 - obszar pewnych przełączeń
4 - obszar szkodliwych przełączeń
i
FG
(t)
I
FG
a)
t
u
AK
(t)
U
S
stromość
<100V/s
: narastania: przypadkowe
b)
du
AK
/dt włączenie przy
>100V/s
t
-U
C
moment
wyłączenia tyrystora
i
A
(t)
I
A
c)
t
OFF
t
t
d
t
ON
ładunek Q
rr
I
R
t
rr
-I
R
t
rr
a). Załączanie tyrystora prądem bramki: b) - zmiany
napięcia na tyrystorze, c) – odpowiedź prądowa
MT
2
(anoda2 - obudowa)
MT
2
MT
2
Bramka
n
3
p
2
n
4
G
n
2
G G
n
1
p
1
MT
1
(anoda 1) MT
1
MT
1
a) b) c)
1.5. TRIAK
Struktura złączowa; b) symbol graficzny; c) model
tranzystorowy triaka
Triak ma strukturę dwóch tyrystorów połączonych przeciwlegle,
wykonanych w monokrystalicznym krzemie, i sterowanych jedną
bramką
I
MT
I
H0
I
H1
I
G2
> I
G1
I
G0
=0
I
H2
-U
BR(G0)
-U
BR(G2)
U
MT
-I
H2
U
BR(G2)
U
BR(G0)
-I
H1
I
G0
=0 I
G1
< I
G2
-I
H0
Charakterystyki napięciowo-prądowe triaka
Symetryczne są również charakterystyki napięciowo-prądowe triaka
1.6. Tranzystory bipolarne
z izolowaną bramką (IGBT)
D (C)
a) b) C c) C
P
+
n
-
G G
G
E E
S (E) G
n
+
p
+
n
+
Strumienie:
- dziur
- elektronów
a). Struktura złączowa; b) symbol graficzny: idealny (-) i bardziej
właściwy (...):
c) model zastępczy tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką
(IGBT)
i
C
[A]
12 V
10V
9V
8 V
7 V
6 V
0 2 4 6 8 u
CE
[V]
U
CE
=20 V 15V
120
140
100
80
60
40
20
Charakterystyki wyjściowe tranzystora IGBT
wchodzącego w nasycenie przy 6 V i 100 A
TO-264 AA
SOT-227 B
(miniBLOC)
IGBT w obudowie TO-264 AA i na bloku miedzianym
SOT-227 B
(KE – emiter cieplny (Kelvina), równoległy z E od góry
Tranzystory IGBT dzielą się na trzy grupy:
-
• - seria S; z zabezpieczeniem przed krótko-trwałym (do
1 ms) zwarciem obwodu wyjściowego,
•
• - seria G; pracujące przy niskich częstotliwościach od 5
Hz
do 8 kHz,
•
• - superszybkie; z wbudowaną diodą i małym ładunkiem
Q
rr
.