blokovací režim
Transkript
Výkonové spínací prvky Výkonová elektronika Požadavky a parametry Výkonový MOSFET Řízení přenosu a přeměny energie při transportu mezi zdrojem a zátěží IGBT Cílem je většinou dosažení: nejvyšší účinnosti nejvyšší dostupnosti nejvyšší spolehlivosti Tyristor Principy činnosti, struktury, charakteristiky, modely a typické aplikace. nejnižší ceny nejnižších rozměrů nejnižsí váhy Typické aplikace Statické DC výkonové zdroje Uninterruptible Power Supply (UPS) Výroba a přenos energie (HVDC) Sváření, Ohřev, Chlazení, apod. Řízení pohonů elektrické vlaky elektromobily, klimatizace, pumpy, kompresory.. Příklad Pokud požadujeme ovládání výstupního ss. napětí, je nutné užít jiný (řízený) prvek (tyristor) a složitější zapojení Us (V) US Usměrnění síťového napětí 220V/50 Hz (Um= 311V) + čas Jednopulzní usměrňovač využívající polovodičovou diodu (neřízený prvek) + US Uo _ _ IA + Uo _ _ Střední hodnota výstupního napětí je proměnná (závisí na úhlu α) Střední hodnota výstupního napětí je fixní Uo = ωt IG π Uo Uo = Um π Uo IG + US ωt Udc čas U 1 U m sin(ωt )dωt = m [1 + cos α ] 2π α∫ 2π α ωt Výkonové polovodičové součástky ON • funkce výkonového spínače • pracují ve dvou stavech: Usw=0 + ON-state vodivý stav/plně sepnuto Výkonové diody I Uin _ + Uo _ Fototyristor (tyristor řízený světlem) OFF-state blokovací stav/zela vypnuto OFF I=0 Nikdy (!!) nepracují v lineární oblasti. Usw=Uin + Uin _ IGBT moduly (třífázový a H-můstek) + Uo _ Rozdělení • neřízené : dioda IGCT (Insulated-Gate Commutated Thyristor) s integrovaným budičem • částečně řízené : tyristor (SCR) • plně řízené : výkonový BJT, MOSFET, IGBT, GTO, IGCT SOA Výkonové ztráty Safe Operating Area – Oblast bezpečné činnosti Pmax Statické ON-state: propustný úbytek (1-3V@10-1000A) OFF-state: závěrný proud (<10mA@1-10kV) Dynamické spojené s přechodem OFF-ON-OFF (rostou s frekvencí) Komutace i u P=u.i i Energie čas čas statické ztráty u IDmax při návrhu volíme nejlepší kompromis reálný spínač ideální spínač limituje RDSon 2. půraz u BJT dynamické ztráty UDSmax Výkonové součástky řízený výkon 1W=1VA 1GW 100MW Tyristor 10MW GTO/IGCT 1MW IGBT 100kW 10kW MOSFET 1kW 100W 10Hz 1kHz 100kHz 1MHz 10MHz frekvence VÝKONOVÝ MOSFET (diskrétní) Vysokého průrazného napětí UBRDSS (až 800V) se dosáhne umístěním drainu na opačnou stranu Si destičky. a) DMOS SiO2 Source D jáma P Source Gate N+ N+ jáma P G N S SUBSTRÁT N+ Drain 14 VÝKONOVÝ MOSFET (diskrétní) VÝKONOVÝ MOSFET (diskrétní) Vysoké mezní hodnoty IDMAX (až 25 A) při zachování malé hodnoty RDSON se dosáhne paralelním spojením 104 až 106 buněk . Vysoké mezní hodnoty IDMAX (až 25 A) při zachování malé hodnoty RDSON se dosáhne paralelním spojením 104 až 106 buněk . Důsledek: vysoká vstupní kapacita – jednotky nF !!! DMOS musíme spínat z tvrdého zdroje napětí nebo proudu. 15 16 VÝKONOVÝ MOSFET (diskrétní) VÝKONOVÝ MOSFET (diskrétní) SiO2 S P OPN N+ COPN +UCC +UDD +UDD Cox N+ N+ P N N D +UDD CGD RD OPN Důsledek: vysoká vstupní kapacita – jednotky nF !!! DMOS musíme spínat z tvrdého zdroje napětí nebo proudu. +UDD P P +10V SiO2 S Cox N+ G b) UGS ≥ UT G a) UGS = 0V +UDD D +UDD zátěž zátěž CGD se při spínání projevuje jako Millerova kapacita (SE). N P N b) a) 17 VÝKONOVÝ MOSFET Parazitní kapacita CGD se při indukci kanálu zvětší o řád !!! ⇒ velká časová prodleva při spínání daná nabíjením CGD DMOS musíme spínat z tvrdého zdroje napětí nebo zdroje proudu. 18 Vypínání induktivní zátěže vznik napěťových špiček Double Diffused MOS =DMOS Dvojitá difúze umožní vytvořit jámu P, ve které se indukuje kanál ⇒ existence body diode. SiO2 Source D jáma P N+ N+ i(t) Source Gate napěťový překmit us(t) jáma P uD iON Δi uON N Δt S + + uL(t) - UD t ts G i(t) - t=ts + us(t) - Δi ⎞ ⎛ lim us ≅ lim ⎜ U D − L ⎟ = ∞ Δt →0 Δt →0 Δt ⎠ ⎝ SUBSTRÁT N+ Drain Body dioda se musí při vypínání zotavit ⇒ nastavení dead time u budičů. 19 závisí na hodnotě indukčnosti a di/dt (může být až v řádu 1kA/μs) => nutnost ochrany VÝKONOVÝ MOSFET Aplikace VÝKONOVÝ MOSFET Vypínání induktivní zátěže – ochrana proti překmitu napětí Ochrana pomocí Free Wheeling Diode Dioda omezuje napětí indukované při přepnutí Ochrana pomocí RC článku RCD ochrana (Snubber) RC článek omezuje rychlost Kapacitor omezuje rychlost nárůstu napětí nárůstu napětí (nabíjení přes D, vybíjení přes R) MOSFET vypíná MOSFET vypíná MOSFET vypíná spíná spíná spíná 21 IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor zabudování PNP tranzistoru, který je řízen MOSFETEM MOSFET 22 IGBT Tyristor IGBT výstupní charakteristika 1956: Bell Labs – Silicon Controlled Rectifier (SCR) 1958: General Electric – Thyristor proud kolektorem IGBT MOSFET propustný úbytek Tyristor Tyristor Anoda Anoda P A P+ J1 P Anodový přechod = Závěrný přechod A P+ P+ emitor J1 A N C A C G P Gate (řídicí elektroda)G báze N N J2 Blokovací přechod J3 N+ Katodový přechod C Katoda G P Gate (řídicí elektroda)G J2 J3 báze P N+ N+ emitor C Katoda Tyristor N+ P+ Tyristorový jev (latch-up) dvoutranzistorový model J3 K G G N++ C P++ A Koncentrace příměsí P+ P N x Tyristor – režimy činnosti Tyristorový jev v integrovaných obvodech CMOS 80 IA (A) 60 Sepnutý stavstav Sepnutý 40 IG = 0 20 URRM 0 0 Parazitní tyristor může sepnout VDD s GND pokud se například napětí na výstupuu (out) dostane na hodnotu o 0.7 nižší než je GND. (μA) -20 -40 IA DOTAČNÍ PROFIL G P N J2 J1 P A C A -60 I G = 1μ A 10mA 0 Blokovací režim Blokovací režim 500 UAK 1000 (V) Závěrný směr -80 -100 -2000 -1500 -1000 UAK (V) -500 0 b) 1500 UBO Tyristor – závěrný směr Tyristor – závěrný směr URRM URRM 0 -40 -60 -80 -100 -2000 -1500 -1000 (μ ) UAK (V) 6 -500 0 R + - 0 - -2 WC + WV -4 0 20 40 60 x 260 (μm) 280 Tyristor – spínání Tyristor je čistě spínací součástka! Buď je sepnuto, nebo rozepnuto. Pracovní bod v sepnutém stavu nelze ovládat. Způsoby sepnutí: 300 U K b) závěrný směr R1 -500 2 - 0 + -2 Překročením blokovacího napětí UBO Překročením hodnoty dUac/dt nebo dIa/dt WC WV -4 -6 0 20 40 60 x 260 (μm) 280 300 Tyristor – spínání Výjimečnost tyristoru: Po sepnutí zůstává v sepnutém stavu i po odeznění spínacího impulsu ( pokud anodový obvod dovolí protékání proudu). To tranzistory neumí neumí! Proudovým impulsem (IG) Impulsem optického záření (světla) 0 + 4 + W (eV) W 2 -1500 -1000 (μ ) UAK (V) 6 A 4 + -6 -100 -2000 (eV) A K (μA) (μA) -60 -20 -80 R b) závěrný směr R1 -40 IA ⇒ protéká závěrný proud → 0 @ 20oC až do průrazného napětí URRM U V závěrném směru se k tyristoru chováme jako k diodě: Mezní parametr: URRM max. špičkové závěrné opakovatelné napětí -20 IA Anodový (závěrný) přechod J1 polarizován v závěrném směru ⇒ bariéra pro el. a díry 0 V sepnutém stavu vykazuje nejnižší odpor ze všech existujících spínacích polovodičových součástek! Tyristor má má nejvě největší proudovou zatí zatížitelnost. Tyristor – blokovací režim UA = UBO: Nárazová ionizace na přechodu J2 generuje elektrony a díry. 60 Elektrony přitahovány na anodu, díry na katodu. 40 Elektrony u anody poruší svým záporným nábojem neutralitu prostorového náboje 20 ⇒ injekce děr z anody (kompenzace kladným nábojem) Blokovací režim - (eV) R2 WC + -2 WV 20 40 60 x 260 (μm) UUa <=UU BO a 0 K 280 300 BO Díry poruší neutralitu prostorového náboje u katody ⇒ injekce elektronů z katody (kompenzace záporným nábojem) 0 A + UUa <=UU BO a BO c) blokovací režim R1 (eV) R2 - 40 60 x 260 (μm) 280 300 + + 0 20 - 40 60 x 260 (μm) WC 0 + -2 + 0 20 40 0 + WV K UUa <=UU BO a + 280 300 BO c) blokovací režim R1 40 60 x 260 (μm) + WV + 280 300 60 x 260 (μm) 280 300 - OPN 4 R2 - 20 + 6 A + WC - - 2 -6 R1 - 0 -4 300 OPN -4 - -2 280 zaplavení tyristoru elektrony a děrami ⇒ sepnutí tyristoru 2 -6 - 260 (μm) Injekce elektronů z katody a děr z anody se vzájemně stimuluje ⇒ uzavření kladné (regenerativní) zpětné vazby ⇒ zaplavení blokovacího přechodu volnými nositeli náboje OPN 4 W K 20 R2 60 x Tyristor – blokovací režim Elektrony u anody poruší neutralitu prostorového náboje⇒ injekce děr z anody + 6 40 4 c) blokovací režim R1 Tyristor – blokovací režim 20 + 6 A + 0 -6 R1 0 2 -4 c) blokovací režim R1 R1 UBO J2 4 W Ua < UBO 60500 U2601000(V) 280 1500300 x (μm)AK - + 6 A + K 0 20 0 40 (eV) 0 W R1 (eV) IA (A) Blokovací přechod J2 v závěrném směru ⇒ J2 BLOKUJE průchod nositelů náboje ⇒ neteče proud. 80 W Na anodě plus, na katodě minus, IG=0: Tyristor – blokovací režim - 2 WC 0 + -2 - - -4 -6 + 0 20 40 60 x 260 (μm) + WV + 280 300 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 Tyristor – blokovací napětí BLOKOVACÍ NAPĚTÍ UBO je anodové napětí UAK při kterém tyristor přejde z blokovacího do sepnutého stavu při IG = 0. UBO = Break-Over voltage Typické hodnoty UBO jsou stovky až tisíce V. 80 80 Sepnutý stav 60 IA (A) IA (A) 60 40 IG = 0 20 40 IG = 0 20 Blokovací režim 0 0 500 UAK 1000 (V) 1500 Blokovací režim 0 UBO Tyristor – blokovací napětí BLOKOVACÍ NAPĚTÍ UBO je anodové napětí UAK, při kterém tyristor přejde z blokovacího do sepnutého stavu při IG = 0. 500 UAK 1000 (V) 1500 UBO Pro IG > 0 sepne tyristor i při nižším napětí než UBO. 80 60 (A) 80 Sepnutý stav 40 IA 60 IA (A) 0 Tyristor – blokovací napětí Tento způsob sepnutí je nežádoucí (nelze rozumně ovládat). 40 IG = 0 20 IG = 0 IG = 1μA Blokovací režim 20 Blokovací režim 0 Někdy též nazýváno UDRM 0 500 UAK 1000 (V) 1500 0 UBO 0 500 UAK 1000 (V) 1500 U BO Sepnutí tyristoru proudem Ig Sepnutí tyristoru proudem Ig Hlavní obvod zajišťuje plus na anodě, minus na katodě. Přechod J3 polarizujeme do propustného směru proudem Ig tekoucím z Gate do Katody ⇒ injekce elektronů do báze P. Přechod J3 polarizujeme do propustného směru proudem Ig tekoucím z Gate do Katody ⇒ injekce elektronů do báze P. Řídicí obvod Ig d) sepnutý stav (eV) R2 W Ua - + 2 - 0 WV + -2 WC Ua Ia -6 0 20 40 60 x 260 (μm) 280 300 Díry z anody projdou ke katodě a vyvolají zde injekci elektronů ⇒ uzavření kladné zpětné vazby ⇒ zaplavení tyristoru volnými nositeli náboje ⇒ sepnutí sepnutí R2 Ig (eV) K G d) sepnutý stav -2 Ug -6 0 20 - + - 2 0 - + + -6 0 + 20 40 60 x 260 (μm) 60 x 260 (μm) WV 280 300 WC WV 280 300 0.2V 0.8V Ua Ia d) sepnutý stav N++ n=p P+ R2 -4 Ug 40 0.7V P++ - + -2 WC Rozložení koncentrace n=p je shodné jako u diody PIN (báze N, báze P a J2 zaplaveny) ⇒ obrovská vodivost 4 W Ua + + -4 UF je typicky 1.7 V 6 - 0 uzavření kladné zpětné vazby + zaplavení tyristoru volnými nositeli náboje = sepnutí tyristoru (latch-up) Řídicí obvod A Ia Ig 2 Sepnutí tyristoru proudem Ig Elektrony u anody poruší svým záporným nábojem neutralitu prostorového náboje ⇒ injekce děr z anody (kompenzace kladným nábojem) Hlavní obvod R2 d) sepnutý stav Sepnutí tyristoru proudem Ig - + 4 K G -4 Ug 6 A 4 K G Řídicí obvod (eV) 6 A Ia Hlavní obvod W Hlavní obvod Elektrony u anody poruší neutralitu prostorového náboje ⇒ injekce děr z anody (kompenzace kladným nábojem) P Ig N Ug x Sepnutí tyristoru proudem Ig Tento způsob sepnutí je žádoucí (nejdůležitější z možných) Sepnutí tyristoru proudem Ig Tyristor zůstává sepnut i po skončení spínacího impulsu do Gate. Kladná zpětná vazba je trvale udržována anodovým proudem IA. ⇒ vypnutí tyristoru je možné jen odstraněním IA. 80 Tyristor lze spolehlivě sepnout - malým proudem IG - ze zdroje napětí nízké hodnoty. Sepnutý stav 40 IA (A) 60 IG = 0 20 IG = 1μA Blokovací režim 0 0 500 P++ R2 Ia Ua Ig d) sepnutý stav Ia Ug 1500 U BO N++ P+ P Ig d) sepnutý stav 1000 (V) n=p R2 Ua UAK N Ug x Pozor! Tyristor zůstane trvale sepnut jen pro IA > IL, Chceme-li tyristor vypnout, musí IA klesnout pod IH, který udrží kladnou zpětnou vazbu. kdy dojde k odstranění kladné zpětné vazby. IL = přídržný proud = Latching current IL je minimální hodnota proudu IA potřebná k udržení tyristoru v sepnutém stavu. 80 80 60 60 (A) Sepnutý stav IG = 0 20 IL IG = 1μA Blokovací režim 0 0 500 UAK 1000 (V) Sepnutý stav 40 IA 40 IA (A) je minimální hodnota proudu IA, při níž zůstává tyristor v sepnutém stavu i po zániku řídicího proudu Ig bezprostředně po přechodu z blokovacího stavu. IH = vratný proud = Holding current 1500 U BO IG = 0 20 IH 0 IG = 1μA Blokovací režim 0 500 UAK 1000 (V) 1500 U BO Vypnutí tyristoru Vypnutí tyristoru Vnějšími prostředky: 1. přirozenou komutací v obvodech střídavého napětí Vnějšími prostředky: 1. přirozenou komutací v obvodech střídavého napětí Cyklové řízení výkonu Ua Cyklové řízení výkonu Ua U π π π UAC OFF π π OFF U ON UAC 2π OFF ON π 2π Ia π Ia π 2π Ia Uz π 2π Uz A Ua π ON 2π ON OFF π 2π α π π 2π ON OFF π 2π π 2π OFF α 2π Phase-angle C Vnějšími prostředky 2. nucenou komutací v obvodech stejnosměrného napětí R1 a) Rg D2 Ia UAC G D1 C R1: pro Rg=0 chrání přechod G-K (IFAV) OFF D1: ochrana přechodu G-K (UBR) D2: aby Rg nemělo vliv na nabíjení C zápornou půlvlnou C: tyristor sepne po nabití na Uc= UD1 + UGK= 0.7 + 0.8 =1.5 V Rg: nastavuje časovou konstantu Rg·C 2π 2π Vypnutí tyristoru zátěž Ua Ia ON Burst Fázové řízení výkonu F UAC OFF UAC 2π Ia Burst π Uz 2π ON 2π Uz U ON Ua 2π Uz Fázové řízení výkonu C + UC komutace = obrácení polarity anodového napětí (obdoba závěrného zotavení diody) Vypnutí tyristoru Vypnutí tyristoru Vnějšími prostředky 2. nucenou komutací v obvodech stejnosměrného napětí Vnějšími prostředky 2. nucenou komutací v obvodech stejnosměrného napětí a) Ty1 b) + Ia UAC - C Ty2 USS + UC a) + - C - c) Ty2 USS + UC Ty5 Ty3 - UAC zátěž C + Ia Ty4 Ty1 b) + - Ty4 Ty5 Ty3 - zátěž C c) ITM IT (A) IRM trr UT (V) ITM IT (A) IRM t (μs) tq trr UT (V) du/dt UT t (μs) tq UT du/dt t (μs) t (μs) Vypnutí tyristoru Volba tyristoru – mezní a char. parametry Samotným tyristorem vypínací tyristor GTO (Gate Turn-Off) Sepnutí kladným proudem IG Typ tyristoru volíme s pomocí parametrů URRM, UBO, IFAV danými zatížením tyr. Uz Vypnutí záporným proudem IG URRM není podstatné (jen propustný směr) b) UBO > 400 V c) zátěž P N TE TO D K A N+ IGR sepnutí GTO GTO G A G A TE A a) Uss IGR ION ANODA UFG V sepnutém stavu bude: Uz = Ua – UT = 400 – 1.7 ≈ 400 V IFAV = Pz / Ua = 1000 / 400 = 2.5 A RCD ochrana GATE P P+ SON RON KATODOVÉ SEGMENTY vypnutí GTO SOFF LOFF URG IFAV Příklad: zvolte tyristor pro Ua = 400V, Pz = 1000W IFAV = 2.5 A, UBO = 400V, URRM nehraje roli 1 kW UT Ua =400V Volba tyristoru – mezní a char. parametry Typ tyristoru volíme s pomocí parametrů URRM, UBO, IFAV danými zatížením tyr. Sepnutí tyristoru impulsem optického záření Proud IG nahradíme zářením dopadajícím na přechod J3 (G-K) Uz IFAV Příklad: zvolte tyristor pro Uaef = 230V~, Pz = 1000W URRM > 230·√2 = 325 V 1 kW UT Ua =230Vef UBO > 325 V Tyristorem teče proud jen jednu půlvlnu sinusového průběhu (:2) IFAV ≈ IFef = Izef ≈ (Pz / Uaef) / 2 = (1000 / 230) / 2 ≈ 2.2 A IFAV = 2.2 A, UBO = 325 V, URRM = 325 V Přechod J3 (gate-katoda) má průrazné napětí do 5V ! ⇒ je nutné jej chránit proti průrazu ochrannou diodou! Light Triggered Thyristor – LTT 250 kV dc LTT - HVDC link Wg Absorpce záření na J3 způsobí vznik fotoproudu, který působí jako IG záření přivádíme do tyristoru světlovodem ⇒ galvanické oddělení Light Triggered Thyristor – LTT pro napětí URRM = 7 – 10 kV OPTOTRIAC (Dvojitý optotyristor) Sepnutí tyristoru překročením hodnoty dUac/dt (dIa/dt) Sepnutí tyristoru překročením hodnoty dUac/dt (dIa/dt) je nežádoucí způsob sepnutí Strmý nárůst blokovacího napětí ⇒ rychlé rozšíření OPN ⇒ vznik kapacitního proudu vyklízením volných nosičů z OPN ⇒ uzavření kladné (regenerativní) zpětné vazby ⇒ zaplavení tyristoru volnými nositeli náboje ⇒ SEPNUTÍ TYRISTORU při UAK « UBO 40 260 (μm) 300 - R1 (eV) W 0 WC 0 + -2 -6 WV Ua < UBO 0 20 40 60 x 260 (μm) - 40 60 x 260 (μm) 300 Tyristor - shrnutí Tyristor spínáme • proudovým impulsem (IG) nebo • impulsem optického záření (infračervené záření nebo světlo). Tyristor zůstává sepnutý i po odeznění spínacího impulsu, protéká-li anodový proud větší než přídržný proud IL. Tyristor je sepnutý, dokud jím protéká anodový proud větší než vratný proud IH. Tyristor vypínáme • poklesem anodového proudu pod IH (≈ obvody), • komutací anodového napětí (= obvody), • záporným impulsem do gate (jen GTO tyristor) c) blokovací režim R1 300 - 2 WC 0 + -2 -6 WV - -4 280 280 4 R2 2 20 + 6 + -4 c) blokovací režim R1 280 4 R2 - 60 x OPN + 6 + Ua < UBO 20 (eV) 0 U 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) W R1 Nekontrolovatelné! 0 20 40 60 x 260 (μm) 280 300
Podobné dokumenty
Tyristor
V závěrném směru se k tyristoru chováme jako k diodě: Mezní parametr: URRM max. špičkové závěrné opakovatelné napětí
VíceA2B34ELP Elektronické prvky 2011/2012
zapojení SE, SK, SB, typické hodnoty periferních součástek. Výpočet hodnoty RB (RB1, RB2) pro nastavení ss prac. bodu zesilovače ve třídě A pro dané napájecí napětí. Náhradní lineární obvod (NLO) B...
VíceZdroj světla pro biologické aplikace
vrstva (nazývaná též depletiční vrstva nebo oblast prostorového náboje, viz obr. 6) silná asi 1 µm s elektrickým polem, které brání pronikání dalších děr a elektronů do oblasti přechodu – nastává t...
Víceelektronika A Radio
Mìniè napìtí 230 V AC/120 V AC .......................................... 8/2 Ochranný obvod pro nabíjeè baterií Li-Ion ............................ 19/2 Nabíjeèka olovìných baterií s kompenzací úb...
VíceDioda - ideální Polovodičové diody
propustného do závěrného směru. Závisí na tom, jak je dioda resp. vnějšího obvod schopna odčerpat z přechoduin minoritní nositele injekované při propustné polarizaci.
Více+ R
napětí stejnosměrného napájecího zdroje harmonický signál z RC generátoru, volit Δu1≈10mV, f = 1kHz vazební kapacita pro navázání vstupního signálu napěťový dělič pro nastavení napětí UGS (P0), vot...
Vícešablona pro dp/bp práce
Tetroda má oproti triodě jednu elektrodu navíc, což je další mřížka, která je uložena mezi první (řídící) mřížku a anodu. Řídící mřížka je poblíž katody a druhá (kladně nabitá) je mezi první mřížko...
Více