VÝKONOVÉ POLOVODIČOVÉ SÚČIASTKY. Jaroslav Dudrik

Transcription

1 VÝKONOVÉ POLOVODIČOVÉ SÚČIASTKY Jaroslav Dudrik

2 PREDSLOV Táto publikácia sa zaoberá klasickými i modernými polovodičovými súčiastkami najčastejčie používanými vo výkonovej elektronike. Výkonové polovodičové súčiastky sú základnými časťami výkonových polovodičových meničov. Vlastnosti meničov sú v podstatnej miere dané vlastnosťami polovodičových súčiastok. Moderné technológie umožňujú zlepšovanie vlastností existujúcich súčiastok a vývoj nových typov, ktorých vlastnosti sa čoraz viac približujú k predstave ideálnej polovodičovej súčiastky. Publikácia pozostáva z 11 kapitol. V úvodnej kapitole sa uvádzajú požiadavky na polovodičové súčiastky a v záverečnej kapitole sú uvedené nové smery vo vývoji polovodičových súčiastok. Každá z ďalších deviatich kapitol v tejto publikácii je venovaná jednej polovodičovej súčiastke (dióda, SCR, GTO, SITH, MCT, BJT, MOSFET, IGBT, SIT,). Každá kapitola opisujúca súčiastku je členená približne rovnako: základná štruktúra a princíp činnosti, statické vlastnosti a dynamické vlastnosti. II

3 OBSAH 1. ÚVOD VÝKONOVÁ DIÓDA Statické parametre diódy Priepustný stav Záverný stav Dynamické parametre diódy Zapínanie diódy Vypínanie diódy Špeciálne diódy TYRISTOR Základné vlastnosti Voltampérova charakteristika tyristora Dynamické parametre tyristora Zapínanie tyristora Vypínanie tyristora Špeciálne tyristory Spätne priepustný tyristor Asymetrický tyristor Triak GTO TYRISTOR Základné vlastnosti Spínacie vlastnosti GTO tyristora Spínač s GTO tyristorom Zapínanie GTO Vypínanie GTO SITH Základná štruktúra a princíp činnosti Voltampérová charakteristika Spínacie vlastnosti SITH Porovnanie s GTO MCT Princíp činnosti Dynamické vlastnosti MCT III

4 7. BIPOLÁRNY TRANZISTOR Základná štruktúra a princíp činnosti Vypnutý stav tranzistora Zapnutý stav tranzistora Spínanie tranzistora Dovolená pracovná oblasť tranzistora Dovolená pracovná oblasť pre zapnutý stav tranzistora Dovolená pracovná oblasť pre spínací režim Parametre bipolárnych tranzistorov MOSFET Základná štruktúra a princíp činnosti Statické vlastnosti MOSFET Výstupné voltampérové charakteristiky Vstupné charakteristiky Dovolená pracovná oblasť Parazitná dióda Spínacie vlastnosti Vlastné kapacity tranzistorov Spínacie časy MOSFETu IGBT Štruktúra IGBT a princíp činnosti Voltampérové charakteristiky IGBT Spínacie vlastnosti Vplyv tyristorovej štruktúry Dovolená pracovná oblasť SIT Základná štruktúra a princíp činnosti Voltampérové charakteristiky Dovolená pracovná oblasť NOVÉ SMERY VO VÝVOJI POLOVODIČOVÝCH SÚČIASTOK Súčasný stav a perspektívy vo vývoji a použití výkonových polovodičových súčiastok Nové materiály pre polovodičové súčiastky LITERATÚRA INDEX IV

5 Kapitola 1 Úvod 1. ÚVOD Základnými časťami výkonových meničov sú výkonové polovodičové súčiastky. Pri analýze meničov obyčajne považujeme výkonové súčiastky za ideálne spínače, aby základná činnosť meničov bola zrozumiteľnejšia. Avšak pri návrhu meničov už musíme detailne poznať skutočné vlastnosti a parametre polovodičových súčiastok, od ktorých bezprostredne závisia parametre, vlastnosti a spoľahlivá činnosť výkonových meničov. Práve dôkladná znalosť parametrov výkonových súčiastok nám umožní stanoviť, do akej miery je možné jednotlivé parametre súčiastky idealizovať. Hlavné požiadavky na výkonové polovodičové súčiastky je možné zhrnúť do nasledujúcich bodov: 1) Vysoká napäťová zaťažiteľnosť v blokujúcom resp. v závernom smere. 2) Malý zvyškový prúd vo vypnutom stave (ideálne nulový). 3) Veľká prúdová zaťažiteľnosť vo vodivom stave. 4) Malý úbytok napätia vo vodivom stave (ideálne nulový). 5) Krátke zapínacie a vypínacie časy (ideálne nulové). 6) Malý výkon na spínanie (ideálne nulový) - nevýkonové riadenie zapínania a vypínania. 7) Kladný teplotný koeficient odporu súčiastky vo vodivom stave. 8) Schopnosť znášať menovitý prúd a menovité napätie súčasne pri spínaní. 9) Vysoké dovolené du/dt a di/dt (ideálne nekonečné). 10) Odolnosť voči vysokej teplote a radiácii. 11) Dlhý čas medzi poruchami (ideálne nekonečný). 12) Prijateľná cena. Výkonová polovodičová súčiastka, ktorá by spĺňala všetky tieto kritéria nebola zatiaľ vyrobená, ale vývoj v oblasti polovodičových súčiastok ide postupne týmto smerom. V poslednom čase bolo objavených veľa zaujímavých súčiastok. Od polovice 80-tych rokov sa v krátkom čase objavili postupne bipolárne tranzistory - BJT (Bipolar Junction Transistor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), SITH (Static Induction Thyristor), MCT (MOS - Controlled Thyristor) a najnovšie IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor). Tým sa doplnil sortiment súčiastok, ktoré sa už určitú dobu vo výkonových polovodičových meničoch používali, ako sú tyristor, triak, vypínací tyristor GTO (Gate Turn - Off Thyristor), výkonový unipolárny tranzistor MOSFET (Metal - Oxide - Semiconductor Field Efect Transistor). Výkonové polovodičové súčiastky možno roztriediť podľa nasledujúcich kritérií: 1) Podľa spôsobu zapnutia a vypnutia: a) neriadené zapnutie aj vypnutie - dióda, b) riadené zapnutie, neriadené vypnutie - tyristor, c) riadené zapnutie a vypnutie - BJT, MOSFET, GTO, SITH, IGBT, SIT, MCT, atď. 1

6 Kapitola 1 Úvod 2) Podľa trvania riadiaceho signálu: a) trvalý riadiaci signál - BJT, MOSFET, IGBT, SIT, b) impulzový riadiaci signál - tyristor, GTO, SITH, MCT, 3) Podľa blokovacích a záverných vlastností: a) blokovacia aj záverná schopnosť - tyristor, GTO, b) len blokovacia schopnosť - BJT, MOSFET, GTO, IGBT, MCT, 4) Podľa schopností viesť prúd: a) vedenie prúdu v oboch smeroch - triak, spätne vodivý tyristor, b) vedenie prúdu v jednom smere - tyristor, GTO, BJT, MOSFET, MCT, IGBT, SITH, SIT, dióda. 2

7 Kapitola 2 Výkonová dióda 2. VÝKONOVÁ DIÓDA Výkonové polovodičové diódy majú nezastupiteľné miesto v polovodičových meničoch. Sú to najjednoduchšie súčiastky výkonovej elektroniky. Ich použitie je však rozsiahle. Hoci principiálne ich môžeme považovať za ideálne spínače, pri praktickom použití v meničoch musíme brať do úvahy ich skutočné parametre a vlastnosti. Voľba typu diódy má podstatný vplyv na vlastnosti celého meniča STATICKÉ PARAMETRE DIÓDY Dióda je vytvorená jedným priechodom PN. Má dva vývody: anódu (A) a katódu (K). Štruktúra a schematická značka diódy je na Obr Obr. 2.1 Štruktúra a značka diódy Skutočná voltampérová charakteristika diódy je na Obr. 2.2.a. V mnohých prípadoch pri analýze meničov možno uvažovať s ideálnou diódou, ktorej voltampérová charakteristika je na Obr. 2.2.b Voltampérovú charakteristiku diódy (Obr. 2.2.a) možno popísať Shockleyho rovnicou: U A nut I = I ( e 1) (2.1) A S kde I A - prúd diódy U A - napätie na dióde I S - zvyškový (saturačný) prúd diódy, ktorého hodnota je daná parametrami materiálov oboch polovodičov P a N ( typicky v rozsahu 10-6 až A) n - emisný koeficient, empirická konštanta v rozsahu od 1 do 2 závislá od materiálu a konštrukcie diódy (pre germániové diódy je stanovené n=1, pre kremíkové n=2, ale reálne pre kremíkové diódy sa hodnota pohybuje v rozsahu od 1,1 do 1,8. 3

8 Kapitola 2 Výkonová dióda U T - tzv. teplotné napätie dané vzťahom: k. T U T = (2.2) q kde k - Bolzmanova konštanta 1, J/K T - absolútna teplota v kelvinoch (T = C) q - náboj elektrónu 1, C Pre teplotu priechodu 25 C je U T = 25,8 mv. Obr. 2.2 Voltampérová charakteristika diódy: a) reálna, b) ideálna Priepustný stav Ak je anóda kladne polarizovaná voči katóde je dióda v priepustnom stave, t.j. je otvorená. Diódou vtedy prechádza priepustný prúd I A = I F > 0 a na anóde je priepustné napätie: U A = U F > 0, ktoré nadobúda hodnoty U F ~1-2 V. Hodnota prahového napätia U T0 je u kremíkových diód asi 0,6 V. Pre prúd diódy I A platí vzťah: I F UF UF n. UT n. UT = I S e 1 I S. e (2.3) Zjednodušenie vyplýva z predpokladu, že I F >> I S. Pri priepustnom prúde diódy sa bežne udávajú tieto hodnoty prúdu: stredná hodnota prúdu I FAV (je u bežných diód zvyčajne udaná pre usmernený jednoimpulzový priebeh sínusového prúdu - Obr. 2.3), 4

9 Kapitola 2 Výkonová dióda maximálny opakovateľný priepustný prúd I FM, maximálny neopakovateľný prúd I FSM. Obr. 2.3 Stredná hodnota prúdu Priepustnú charakteristiku diódy môžeme pre potreby dimenzovania nahradiť po častiach lineárnou krivkou vyjadrenou rovnicou: u = U + r i (2.4) F TO F F kde U F F = je diferenciálny odpor v priepustnom stave diódy. I F r Okamžitý stratový výkon diódy v priepustnom smere je daný rovnicou: F F TO F F 2 F p = u i = U i + r i (2.5) Straty v priepustnom smere určíme nasledovne: 1 T 2 P = pdt = UTO I FAV + rf I FRMS T (2.6) 0 kde I FRMS je efektívna hodnota prúdu diódy. Kvôli návrhu nadprúdových ochrán diód (špeciálne veľmi rýchle poistky) je definovaný tzv. medzný preťažovací integrál I 2.t (Jouleov integrál). Tento integrál je definovaný pre tvar prúdu, aký je na Obr. 2.3, ktorého maximálna hodnota je I FSM a doba trvania je obyčajne 10 ms (polperióda sínusového prúdu pri frekvencii 50 Hz). Za týchto podmienok môžeme napísať rovnicu: 5

10 Kapitola 2 Výkonová dióda 2 T 2 1 I. t = I 2 ( I.sinωt ) I. t = dωt 0 FSM 2 FSM. T 2 (2.7) Z tejto rovnice je možné určiť I FSM aj pre iné tvary prúdu. Ak má poistka ochrániť diódu pri skrate potom musí platiť: ( I 2.t ) poistky < ( I 2.t ) diódy (2.8) Záverný stav Ak je napätie U A záporné, nachádza sa dióda v závernom stave, t.j. je vypnutá (zatvorená). Na dióde je záverné napätie U A = U R < 0 určené napätím vonkajšieho zdroja a diódou prechádza nepatrný záverný (zvyškový, saturačný) prúd I A = I R < 0 (Obr. 2.2). Shockleyho rovnica pre tento stav má tvar: UR n. U T I R = I S e 1 I S (2.9) Zjednodušenie je možné za predpokladu, že U R >> U T, čo v tomto prípade platí. Z toho vyplýva, že prúd diódy v závernom stave je takmer konštantný a rovný I S. Na závernej charakteristike sú vyznačené tieto charakteristické hodnoty: U RRM - maximálne opakovateľné záverné napätie, U RSM - maximálne neopakovateľné záverné napätie, U BR - prierazné záverné napätie. Napäťová zaťažiteľnosť diódy je určená predovšetkým napätím U RRM, čo je najvyššia hodnota napätia, ktorá sa môže na dióde periodicky opakovať. Ale ani pri náhodných jednorazových prepätiach sa nesmie prekročiť hodnota U RSM. Prúdová zaťažiteľnosť vyplýva z údaju pre maximálnu strednú hodnotu prúdu I FAV danej diódy. Prúdová zaťažiteľnosť bežných diód dosahuje asi 5000 A a napäťová zaťažiteľnosť asi 5000 V DYNAMICKÉ PARAMETRE DIÓDY Dynamické parametre diódy súvisia s rýchlymi prechodmi zo zapnutého do vypnutého stavu a naopak. V tejto súvislosti je zaujímavá nielen rýchlosť prechodu medzi týmito stavmi, ale treba mať na zreteli aj to ako sa v týchto prechodných dejoch mení napätie a prúd diódy. Znalosť týchto parametrov je dôležitá nielen z hľadiska činnosti samotných diód, ale aj 6

11 Kapitola 2 Výkonová dióda s ohľadom na ostatné súčiastky, ktoré sú dynamickými parametrami diód často veľmi výrazne ovplyvňované Zapínanie diódy Ak vnútime dióde, ktorá bola predtým vo vypnutom stave, prúd narastajúci so strmosťou di F /dt vznikne na dióde prekmit napätia pri zapínaní U FP. Ustálená hodnota priepustného napätia sa dosiahne po čase t fr, ktorý sa označuje ako priepustný zotavovací čas (forward recovery time) - Obr Obr. 2.4 Zapínanie diódy Veľkosť prepätia U FP a času t fr závisí od priepustného prúdu I F, strmosti nárastu priepustného prúdu di F /dt a teploty priechodu diódy T j. Vysokonapäťové diódy vykazujú vyššie prepätie U FP ako nízkonapäťové. Závislosť jednotlivých parametrov je prehľadne zobrazená na Obr

12 Kapitola 2 Výkonová dióda Závislosť di F /dt I F T j Príčina U FP t fr Následok Následok Obr. 2.5 Vplyv niektorých parametrov na zapínanie diódy Vypínanie diódy Vypínanie diódy je rýchly dej, pri ktorom prejde dióda z priepustného stavu do záverného (komutácia diódy). Pomery pri vypínaní diódy sú zobrazené na Obr Obr. 2.6 Vypínací dej diódy V okamihu zapnutia spínača S (v konkrétnom meniči ide o zapnutie ďalšej polovodičovej súčiastky) sa pripojí na diódu napätie U R v závernom smere a spôsobí pokles prúdu diódy so strmosťou: di dt U F R = (2.10) Lp kde L p - je indukčnosť v komutačnom obvode (napr. rozptylová indukčnosť transformátora, parazitná indukčnosť vodičov, napájacieho zdroja a pod.) Pretože v priepustnom stave sú v oblasti priechodu PN minoritné nosiče náboja (diery v N oblasti a elektróny v P oblasti) záporné napätie spôsobí, že prúd začne tiecť v zápornom 8

13 Kapitola 2 Výkonová dióda smere. V čase t 2 dosiahne záverný zotavovací prúd hodnotu I rrm. Väčšia časť minoritných nosičov - náboj Q S (oneskorovací náboj) bola z priechodu PN odstránená počas doby oneskorenia záporného napätia t s. V čase poklesu t f sa odstráni aj zvyškový náboj Q f. Pre komutačný náboj (náboj spätného zotavovania) platí: resp. Q Q rr rr = Q + Q s 1 = I 2 rrm f t = rr t rr 0 i rr dt (2.11) (2.12) kde t rr je čas spätného zotavenia Zmena di rr /dt v čase poklesu t f spôsobí prepätie na indukčnosti L p - komutačné prepätie U R, ktoré je často treba obmedziť na prípustnú hodnotu (napr. RC členom). Podľa zmeny di rr /dt rozlišujeme dva typy diód: diódy s tvrdým zotavením (snap-off diode), ktoré sa vyznačujú veľmi krátkym časom t f a teda veľkou hodnotou di rr /dt, čo má za následok vysoké komutačné prepätia na indukčnosti L p, diódy s mäkkým (progresívnym) zotavením (soff recovery diode) majú pomer t f / t S väčší než diódy s tvrdým zotavením a vykazujú teda menšie prepätia a rôzne oscilácie spôsobené veľkou zmenou di rr /dt. Tabuľka na Obr. 2.7 zobrazuje závislosť niektorých parametrov diódy od teploty priechodu T j, priepustného prúdu I F a strmosti poklesu priepustného prúdu di F /dt. Závislosť zmien T j I F di F /dt Q S I rrm t S di rr /dt Obr. 2.7 Zmena dynamických parametrov diódy v závislosti od prevádzkových podmienok U usmerňovacích diód je pokles priepustného prúdu di F /dt daný indukčnosťou v obvode komutácie (Obr. 2.6). Straty na diódach sú závislé od veľkosti komutačného náboja Q rr podľa vzťahu: P off = Q U f (2.13) rr R S kde f S je frekvencia spínania. 9

14 Kapitola 2 Výkonová dióda V diódach, ktoré sa používajú ako nulové resp. spätné diódy v spolupráci so spínacími súčiastkami (tranzistory, tyristory) je pokles priepustného prúdu diódy di F /dt daný rýchlosťou zapínania príslušného polovodičového spínača. Ak zanedbáme parazitnú indukčnosť v obvode polovodičový spínač - nulová dióda (čo je väčšinou možné), potom platí pre straty v nulovej dióde vzťah: P off = Q U f (2.14) f R S Teda straty v nulových diódach sú podstatne menšie než v usmerňovacích diódach. Napriek tomu je potrebné tieto diódy voliť s čo najmenším komutačným nábojom Q rr, lebo nulové diódy významne ovplyvňujú zapínacie straty na komplementárnom polovodičovom spínači Špeciálne diódy Od diód sa vyžadujú hlavne tieto tri vlastnosti: čo najvyššie záverné napätie U R, čo najnižšie priepustné napätie U F, čo najväčšia rýchlosť pri vypínaní (Q rr ). Sú to však protichodné požiadavky z hľadiska ich výroby a preto nie je možné dosiahnuť súčasné zlepšenie všetkých vlastností. U F Q rr U R Obr. 2.8 Tri protichodné požiadavky pre parametre diód V praxi je možné podstatne zlepšiť jeden parameter, ale len na úkor ostatných. Závisí to od použitia diódy. Vysokonapäťové diódy S cieľom dosiahnuť vysoké záverné napätie U R na dióde, vrstvy P a N sú hrubé a slabo dotované. To má za následok zvýšenie ich odporu a teda aj priepustného napätia U F. Zároveň sa zhoršia dynamické parametre pri vypínaní a zapínaní (Q rr, U FP ). Záverné napätia U RRM takýchto diód sú bežne okolo 5000 V. Rýchle diódy Aby diódy mohli pracovať pri vysokých spínacích frekvenciách musia mať dobré dynamické vlastnosti, hlavne malý komutačný náboj Q rr a teda aj krátky záverný zotavovací čas t rr. Aby sa zmenšil náboj Q rr je potrebné zmenšiť čas životnosti minoritných nosičov náboja. To sa 10

15 Kapitola 2 Výkonová dióda obyčajne docieli dotovaním vrstiev zlatom, čo má za následok zvýšenie priepustného napätia U F. Náboj Q rr je možné tiež zmenšiť vytvorením tenších vrstiev P resp. N, čo redukuje veľkosť maximálneho napätia v priepustnom smere U FP a zotavovacieho času v priepustnom smere t fr.. Časy t rr rýchlych diód sú v rozsahu rádovo od stoviek až po desiatky ns. Diódy s nízkym priepustným napätím Priepustné napätie je dané odporom vrstiev P a N, ktorý je možné použitím nových technológií precíznym dotovaním jednotlivých vrstiev znížiť a tak dosiahnuť úbytok v priepustnom smere okolo 0,8 až 1 V pri menovitom prúde. Pre prípady, kde sa vyžaduje veľmi nízke priepustné napätie sú zvlášť vhodné Schottkyho diódy. Usmerňovací jav tu vzniká na priechode kov - polovodič. Voltampérová charakteristika je podobná ako u bežných diód. Avšak priepustné napätie je podstatne nižšie, len asi 0,3 až 0,5 V. Prúd v dióde je daný len majoritnými nosičmi a tak spínacie časy sú extrémne krátke, pretože nie sú tu minoritné nosiče náboja. Schottkyho diódy majú väčší záverný prúd než bežné diódy. Ich použitie je obmedzené na prúdy rádovo jednotky až stovky A a nízke napätia (bežne do 100 V). Lavínové diódy Sú to diódy, ktoré sú schopné pracovať v oblasti lavínového prierazu na závernej charakteristike bez toho, aby došlo k ich zničeniu. Sú charakterizované záverným opakovateľným prierazným napätím U BRR a záverným prúdom. Tomu odpovedá výkon, pričom sa udáva stredná hodnota výkonu, ale tiež maximálna hodnota, ktorá je mnohonásobne vyššia. Často sa používajú na prepäťové ochrany polovodičových súčiastok. 11

16 Kapitola 3 Tyristor 3. TYRISTOR 3.1. ZÁKLADNÉ VLASTNOSTI Tyristor (SCR Silicon Controlled Rectifier) je riadená polovodičová súčiastka. Má štvorvrstvovú štruktúru PNPN s troma priechodmi PN j A, j C, j K (Obr. 3.1.). A A G i G u G i A P u 1 J A G K a) b) K Obr. 3.1 Štruktúra a značka tyristora N 1 P 2 N 2 J J A C K Ak je na tyristore záporné napätie U A = U R < 0 nachádza sa tyristor v závernom stave a prechádza ním záverný prúd I R. Pri kladnom napätí U A = U D > 0 sa nachádza tyristor v blokovacom stave a vedie malý blokovací prúd I D. Ak sa nachádza tyristor v niektorom z týchto dvoch stavov považujeme ho za vypnutý. Ak v blokovacom stave privedieme na hradlo G tyristora dostatočne veľký hradlový prúd I G tyristor zapne a prejde do priepustného stavu. V priepustnom stave je na tyristore malé priepustné napätie U A = U T 1 V až 2 V a tyristorom preteká priepustný prúd I T, ktorého veľkosť je daná záťažou. Vypnutie tyristora t.j. prechod do záverného alebo blokovacieho stavu nastane vtedy ak zanikne priepustný prúd a tyristor obnoví svoje záverné alebo blokovacie schopnosti. Vypnutie tyristora nie je možné uskutočniť riadiacou elektródou. 12

17 Kapitola 3 Tyristor 3.2. VOLTAMPÉROVA CHARAKTERISTIKA TYRISTORA Statická výstupná voltampérová charakteristika tyristora je znázornená na Obr u A i D i T A i A K I T G i G I L I U H (BR) U RRM 0 u R U (T0) U T U u, u D U DRM U (BO) T i R Obr. 3.2 Statická voltampérová charakteristika tyristora Záverná charakteristika tyristora odpovedá závernej charakteristike diódy. Blokovacia charakteristika pri hradlovom prúde I G = 0 je podobná závernej charakteristike. Pri prekročení spínacieho napätia U (BO) dôjde k zapnutiu tyristora. Pri hradlovom hradlovom prúde I G > 0 sa spínacie napätie znižuje a k zapnutiu dôjde pri nižšej hodnote než je U (BO). Zapínanie tyristora prekročením napätia U (BO) nie je vhodné. Zapnutie sa uskutočňuje zásadne tak, že v blokovacom stave tyristora privedieme na hradlo dostatočne veľký hradlový prúd I G > I GT. Zapínací prúd I GT má takú hodnotu, ktorá postačuje na bezpečné zapnutie tyristora. Veľkosť prúdu I GT je rádovo desiaky až stovky ma. Na zapnutie tyristora postačuje krátky prúdový impulz I G. V zapnutom stave prúd hradla už nie je potrebný. Na veľkosť spínacieho napätia U (BO) má veľký vplyv aj teplota priechodu υ j kremíkovej doštičky tyristora. Pri teplote υ j o C prudko klesá hodnota U (BO) a tyristor stráca blokovaciu schopnosť i napriek tomu, že prúd hradla je nulový. Teplota kremíkovej doštičky nesmie dosiahnuť uvedené hodnoty. 13

18 Kapitola 3 Tyristor V blokovacom stave je tyristor charakterizovaný maximálnym opakovateľným blokovacím napätím U DRM. Priepustná charakteristika má podobný tvar ako priepustná charakteristika diódy. Pre niektoré výpočty môžeme priepustnú charakteristiku linearizovať a vyjadriť pomocou okamžitých hodnôt v tvare: u = U ( ) + r. i T TO T T (3.1) Kde U (TO) je prahové napätie a r T diferenciálny odpor v priepustnom stave. Na priepustnej charakteristike tyristora je vyznačený vratný prúd I H. Pri poklese prúdu tyristora pod hodnotu vratného prúdu I H prejde tyristor z priepustného prúdu do blokovacieho. Prídržný prúd I L je minimálna hodnota prúdu, ktorú musí tyristor dosiahnuť pri zapínaní počas doby trvania hradlového impulzu, aby tyristor zostal zapnutý aj po zániku hradlového impulzu DYNAMICKÉ PARAMETRE TYRISTORA Pri rýchlych zmenách napätia a prúdu na tyristore sa vyskytujú javy, ktoré nie je možné popísať a vysvetliť na základe statických charakteristík. Najväčší význam majú deje, ktoré sa odohrávajú pri zapínaní a vypínaní tyristora Zapínanie tyristora Zapnutie tyristora nenastane okamžite po privedení hradlového impulzu. Celý proces zapnutia trvá určitý aj keď veľmi krátky čas. Čas zapnutia t gt sa počíta od okamihu privedenia hradlového impulzu až po pokles blokovacieho napätia na 10 % pôvodnej hodnoty (Obr. 3.3). Skladá sa z času oneskorenia t gt a z času nárastu t r. Zapínací čas t gt nadobúda hodnoty rádovo jednotky, výnimočne desiatky µs. Prúd tyristora i A musí dosiahnuť počas doby trvania impulzu i G hodnotu vyššiu jako je prídržný prúd I L ak má tyristor zostať po zániku hradlového prúdu zapnutý. Pri zapínaní vzniká zapínací stratový výkon ako súčin okamžitých hodnôt napätia a prúdu na tyristore. V prechodnom deji pri zapínaní sa postupne s určitou rýchlosťou zväčšuje tá plocha kremíkovej doštičky, ktorá vedie prúd. Aby nedošlo k neprípustnému zvýšeniu prúdovej hustoty, je potrebné aby prúd narastal tiež postupne. V opačnom prípade by následkom veľkej prúdovej hustoty došlo k lokálnemu tepelnému preťaženiu s následným poškodením 14

19 Kapitola 3 Tyristor priechodu. Strmosť nárastu priepustného prúdu i T musí byť preto obmedzená pod hodnotu kritickej strmosti nárastu priepustného prúdu: S dit ) dt Ikrit = ( krit (3.2) Tyristory majú (di T /dt) krit rádovo 10 1 až 10 2 A/µs. Strmosť (di T /dt) je obmedzená indukčnosťou vetvy, v ktorej je zapojený tyristor (napr. indukčnosť prívodov, indukčnosť napájacieho zdroja). i G 0 t u i A A 90% U D = U di T dt I T I L 10% 0 t gd t r U T t t gt Obr. 3.3 Priebehy pri zapínaní tyristora Vypínanie tyristora Pri pomalých dejoch sa stačia odstraňovať voľné nosiče náboja rekombináciou a tyristor vypne pri poklese prúdu pod hodnotu vratného prúdu I H. Väčšinou však klesá prúd rýchlejšie než stačia zanikať voľné nosiče náboja. 15

20 Kapitola 3 Tyristor Čas spätného zotavenia t rr a komutačný náboj Q rr je definovaný rovnako ako pri dióde. V okamihu t 2 sa obnoví záverný odpor priechodov j A, j K a tyristor je schopný na priechode j A zachytiť záverné napätie (Obr. 3.4). i A u A 0 i A I U T T ZAČ.VYPÍNANIA di T dt t t u rr A t 0 1 t t I > = t q i R du D dt i D U D I rrm U R U R Obr. 3.4 Vypínací dej tyristora Na obnovenie blokovacích schopností tyristora v podstate na zotavenie záverného odporu priechodu j C je potrebný dlhší čas, po uplynutí ktorého je možné priložiť na tyristor blokovacie napätie. Z toho vychádzame pri definovaní vypínacieho času tyristora t q. Vypínací čas t q je najmenší časový úsek medzi prechodom priepustného prúdu cez nulu a okamihom kedy je možné priviesť na tyristor blokovacie napätie bez toho aby zapol bez hradlového impulzu. Vypínací čas t q závisí od typu tyristora a pohybuje sa rádovo od desiatok µs po stovky µs. Strmosť nárastu blokovacieho napätia pri vypínaní je obmedzená a nesmie prekročiť kritickú strmosť nárastu blokovacieho napätia : = du (3.3) dt SU krit ( D ) krit 16

21 Kapitola 3 Tyristor Je to spôsobené tým, že cez vlastnú kapacitu priechodu j C sa vytvára kapacitný prúd i C =C j2.(du D /dt) s rovnakými účinkami ako hradlový prúd a preto môže dôjsť k nežiadúcemu zapnutiu tyristora. S I krit je pri tyristoroch rádovo desiatky až stovky V/ µs ŠPECIÁLNE TYRISTORY Špeciálne tyristory majú rovnaký princíp činnosti ako bežné tyristory, len sú čiastočne modifikované, aby sa zlepšili niektoré ich vlastnosti Spätne priepustný tyristor Spätne priepustný tyristor (RCT Reverse Conducting Thyristor) sa navonok prejavuje ako antiparalelná kombinácia tyristora a diódy. Dióda sa pritom nachádza na tom istom polovodičovom kryštáli ako tyristor a je od neho oddelená len medzivrstvou PNP. Má dobré dynamické parametre Asymetrický tyristor Asymetrický tyristor (ASCR Asymmetrical Silicon Controlled Rectifier) je určený pre vysokofrekvenčné (desiatky khz) aplikácie. Úpravou tyristorovej štruktúry sa dosiahol krátky vypínací čas za cenu zníženia záverného napätia na hodnotu asi 20 V Triak Triak je súčiastka, ktorú z hľadiska jej funkcie môžeme navonok nahradiť antiparalelným zapojením dvoch tyristorov. Triak sa môže nachádzať len v blokovacom alebo priepustnom stave a to pre obe polarity napätia a obidva smery prúdu. Zapínanie triaku sa uskutočňuje pre obidva smery prúdu spoločným hradlom. Vypínanie triaku je rovnaké ako pri tyristore. Napäťová a prúdová zaťažiteľnosť triaku je podstatne nižšia ako u tyristora a tiež dynamické parametre sú výrazne horšie v porovnaní s tyristorom. 17

22 Kapitola 4 GTO tyristor 4. GTO TYRISTOR 4.1. ZÁKLADNÉ VLASTNOSTI Vypínací tyristor, známejší pod označením GTO tyristor (Gate Turn-Off Thyristor), je polovodičová súčiastka, ktorá je založená na rovnakom princípe ako klasický tyristor. Avšak niektoré zmeny v usporiadaní štruktúry tyristora umožnili, že GTO tyristor je možné vypínať prúdom hradla. Schematická značka GTO tyristora je na Obr Podobne ako tyristor aj vypínací tyristor má štvorvrstvovú štruktúru (Obr. 4.1 b). Obr. 4.1 Značka a štruktúra GTO tyristora Katódová vrstva N 2 je tenká a silne dotovaná. Hradlová (riadiaca) vrstva P 2 je tiež silne dotovaná a relatívne tenká. Vrstvy N 2 a P 2 tvoria katódový priechod. Vrstva N 1 (blokujúca vrstva) je hrubá a slabo dotovaná. Jej hrúbka priamo súvisí s kladným napätím u A, ktoré má blokovať. Spolu s priechodom P 2 vytvára riadiaci priechod J C. Priechod P 1 má podobné vlastnosti ako N 1 a spolu vytvárajú anódový priechod J A. Aby sa dosiahli dobré vlastnosti pri vypínaní, je štruktúra katódy rozdelená do úzkych pásikov (50 až 500 µm), ktorých počet môže dosiahnuť až niekoľko stoviek v závislosti od veľkosti súčiastky (prúdovej zaťažiteľnosti). Tieto elementárne katódy sú obklopené hradlami a sú paralelne pospájané (Obr. 4.2). GTO tyristor si musíme predstaviť ako veľký počet malých GTO tyristorov, pospájaných paralelne - na Obr. 4.1 b je jeden z nich. Podľa štruktúry GTO tyristora na Obr. 4.1 b sú vlastnosti tyristora v blokovacej a závernej časti charakteristiky rovnaké - ide o symetrický GTO tyristor. Pretože hlavné použitie GTO tyristorov je v meničoch kde je potrebná len ich blokovacia schopnosť, častejšie sa používajú asymetrické GTO tyristory. Ich štruktúra je na Obr

23 Kapitola 4 GTO tyristor Obr. 4.2 Základná štruktúra hradlo-katóda GTO tyristora Obr. 4.3 Štruktúra asymetrického GTO tyristora V tejto štruktúre cez anódovú vrstvu P 1 prestupujú úseky silne dotovanej vrstvy N 3, ktoré vlastne vytvárajú anódový skrat na vrstvu N 1. Tým sa stratí schopnosť priechodu J A blokovať záverné napätie. Zlepšia sa však vlastnosti GTO tyristora pri vypínaní a zmenší sa jeho priepustné napätie. Iba priechod J K je teraz schopný zachytávať záverné napätie, ale len nízke hodnoty (20 30 V), pretože vrstvy N 2, P 2 tvoriace tento priechod sú silne dotované. Voltampérová charakteristika GTO tyristora je na Obr Pre označenie blokovacieho napätia U DRM, U DSM respektíve záverného napätia U RRM, U RSM platí to isté, čo u bežných tyristorov. GTO tyristory dosahujú v súčastnosti hodnoty U DRM (U RRM ) asi 6000 V. Maximálny vypínateľný prúd je označovaný rôzne: I TGQ, I TQRM, I TQSM, atď. (zatiaľ neexistuje medzinárodná norma stanovujúca označenie nových súčiastok včítane GTO tyristora). 19

24 Kapitola 4 GTO tyristor u A i D i T A i A K G i G I L I H u R 0 u, u U (BO) D T i R Obr. 4.4 Voltampérová charakteristika GTO tyristora Niektoré firmy udávajú pre vypínateľný prúd zvlášť opakovateľnú hodnotu použiteľnú pre bežnú činnosť a hodnotu neopakovateľnú pre potreby nastavenia nadprúdových ochrán. Hodnota vypínateľného prúdu je u súčasných GTO tyristorov asi 6000 A SPÍNACIE VLASTNOSTI GTO TYRISTORA Spínač s GTO tyristorom Ak chceme popísať spínacie vlastnosti GTO tyristora musíme uvažovať so sieťou RCD, ktorú nevyhnutne musíme použiť pre správnu činnosť tyristorov pri ich vypínaní (Obr. 4.5.). Preto každý reálny popis spínacích vlastností GTO tyristora musí brať do úvahy vplyv tejto siete. Pre lepšiu predstavu je uvedený aj generátor hradlových impulzov (budiaci obvod). Schéma je doplnená parazitnými indukčnosťami, ktoré sa reálne vyskytujú v skutočnom obvode a ovplyvňujú priebehy pri spínaní Zapínanie GTO GTO tyristor je zapínaný rovnakým spôsobom ako bežný tyristor. Ak je napätie medzi katódou a anódou kladné a na hradlo sa privedie hradlový prúd s dostatočnou hodnotou, tyristor zapne - prejde do priepustného stavu. 20

25 Kapitola 4 GTO tyristor Obr. 4.5 Tyristorový spínač s RCD sieťou a generátorom hradlových impulzov Vzhľadom na štruktúru GTO tyristora musia byť všetky elementárne GTO tyristory zapnuté takmer súčasne. V opačnom prípade by došlo k prúdovému preťaženiu v niekoľkých prvých zapnutých elementárnych GTO tyristoroch, pričom pokles anódového napätia by zabránil zapnúť ostatné. Z toho dôvodu zapnutie všetkých elementárnych tyristorov musí nastať v tom istom čase. Preto hradlový prúd musí narastať s veľkou strmosťou di G /dt (5 až 20 A/µs) a dosiahnuť amplitúdu I GM prevyšujúcu 2 až 5 násobne minimálnu hodnotu zapínacieho prúdu I GT ako je naznačené na Obr Obr znázorňuje priebeh napätia a prúdov pri zapínaní. Zapínací čas t gt a jeho zložky (čas oneskorenia t gd a čas nárastu t r ) sú definované rovnako ako pri bežnom tyristore. Keď prúd i T prekročí hodnotu prídržného prúdu I L, hradlový prúd môže klesnúť z hodnoty I GM na nižšiu hodnotu. Avšak tento prúd sa musí udržiavať na dostatočne veľkej hodnote I G > I GT (kde I GT je zapínací prúd hradla). Ak by bol totiž hradlový prúd rovný nule a anódový prúd by klesol na malú hodnotu, potom časť elementárnych GTO tyristorov by mohla prestať viesť prúd (vypne). Pri nasledujúcom zvýšení prúdu by ostatné elementárne GTO tyristory boli preťažené a mohlo by dôjsť k zničeniu GTO tyristorov tepelným preťažením. 21

26 Kapitola 4 GTO tyristor Obr. 4.6 Zapínanie GTO tyristora Zároveň tento hradlový prúd v zapnutom stave tyristora umožňuje znížiť priepustné napätie U T tyristora GTO, ktoré je i napriek tomu vyššie ako u bežného tyristora (asi 3 V). Z hľadiska zdroja kladných hradlových impulzov je vhodné ak sa chová ako zdroj prúdu, pričom parazitné sériové indukčnosti musia byť minimálne (Obr. 4.5.). Použitie impulzného transformátora pre tento účel nie je vhodné. Krátkodobý nadprúd v priebehu priepustného prúdu tyristora je spôsobený jednak vybíjaním kapacity C siete RCD cez odpor R a zapnutý tyristor a jednak záverným zotavovacím prúdom nulovej diódy D F Vypínanie GTO Princíp vypínania je možné zjednodušene vysvetliť na základe Obr

27 Kapitola 4 GTO tyristor Obr. 4.7 Princíp vypínania GTO tyristora Obr. 4.8 Tranzistorová náhrada tyristora V zapnutom stave tyristora tečie veľký prúd od anódy ku katóde odpovedajúci veľkému množstvu dier smerujúcich od P 1 ku N 2 a elektrónov pohybujúcich sa od N 2 ku P 1 (Obr. 4.7.a). Tu si treba uvedomiť, že len tá časť riadiaceho priechodu je v činnosti, ktorá je nad jednotlivými úsekmi katódy. Ak pripojíme medzi hradlo a katódu záporné napätie, ktoré vyvolá záporný hradlový prúd a tým sa časť anódového prúdu odvedie od katódy. Pri dostatočne veľkom zápornom hradlovom prúde sa tým zmenší hradlová hodnota na riadiacom priechode J C pod úroveň prahovej hodnoty potrebnej na udržanie regeneratívneho procesu a tyristor GTO vypne. Zatiaľ čo pri zapínaní je len malý hradlový prúd potrebný len na spustenie regeneratívneho deja, pri vypínaní je potrebné cez hradlo odviesť značnú časť anódného prúdu - až vyše 20%. Pri veľkých GTO tyristoroch to predstavuje veľkú hodnotu. 23

28 Kapitola 4 GTO tyristor Dvojtranzistorový model tyristora (Obr. 4.8.) platný pre bežný tyristor je možné použiť aj na stanovenie podmienok vypnutia GTO tyristora. Pre tranzistorový model na Obr. 4.8 môžeme napísať tieto rovnice: I C1 = α 1 I E1 + I CBO1 (4.1) I C2 = α 2 I E2 + I CBO2 I E2 = I E1 + I G kde α 1, α 2 sú prúdové zosilňovacie činitele tranzistorov v zapojení so spoločnou bázou a prúdy I CB01, I CB02 sú zvyškové prúdy priechodov kolektor - báza tranzistorov T1 a T2. Pre anódový prúd I T = I E1 platí: I T = I E1 = I C1 + I C2 (4.2) Po dosadení rovníc (4.1) dostaneme: I E1 =α 1 I E1 + I CBO1 + α 2 (I E1 + I G ) + I CBO2 (4.3) Po úprave a za predpokladu, I CBO = I CBO1 + I CB02 dostaneme vzťah pre prúd GTO tyristora v zapnutom stave: α2i G + I CBO I T = I E 1 = (4.4) ( α + α ) V zapnutom stave je prúd hradla I G zanedbateľný a výraz (4.4) môžeme zjednodušiť: I CBO I T = (4.5) ( α + ) 1 1 α2 Tento prúd je potrebné vypnúť. Z rovnice (4.4) je možné zistiť aký veľký záporný hradlový prúd I G je potrebný na zníženie prúdu I T = I E1 na nulu. Po úprave: I G I = (4.6) CBO α 2 Z rovníc (4.5) a (4.6) získame vzťah medzi anódovým prúdom a hradlovým prúdom potrebným na jeho vypnutie: I [1 ( α 1 + α2)] I G = T (4.7) α 2 24

29 Kapitola 4 GTO tyristor Teda pre prúdové zosilnenie pri vypínaní GTO tyristora platí: β off I = I T G = α2 ( α + α ) (4.8) Zo vzťahu (4.8) vyplýva, že na dosiahnutie čo najväčšieho prúdového zosilnenia pri vypínaní má byť prúdový zosilňovací činiteľ α 2 tranzistora T2 čo najväčší (α 2 1) a α 1 má byť malý (α 1 << 1). Prúdové zosilnenie pri vypínaní dosahuje pri GTO tyristoroch hodnotu β off 3 5. Tyristor GTO vypína privedením záporného hradlového prúdu. To sa uskutoční zapnutím tranzistora T off v generátore hradlových impulzov na Obr Záporný hradlový prúd musí byť veľmi veľký - 1/5 až 1/3 anódového prúdu, vzhľadom na nízke prúdové zosilnenie pri vypínaní. Časové priebehy veličín pri vypínaní GTO tyristorov sú na Obr Priebeh vypínania je rozdelený do niekoľkých intervalov. Obr. 4.9 Priebehy napätí a prúdov pri vypínaní GTO Čas presahu t S (storage time) sa určuje od 10% záporného hradlového prúdu i GR až po pokles anódového prúdu na 90% počiatočnej hodnoty. V čase t S sa priechod hradlo - katóda chová prakticky ako skrat a záporný hradlový prúd narastá so strmosťou di GR /d t, ktorá musí byť veľká, aby bol krátky čas presahu t S (ktorý je rádovo jednotky µs) a aby sa znížili straty v hradle, ktoré sú príčinou oteplenia oblasti bázy náhradného tranzistora T2 (Obr. 4.8.). Má to vplyv hlavne na zväčšenie času t tail ( prúdový chvost ). Avšak aj príliš veľká hodnota di GR 25

30 Kapitola 4 GTO tyristor tiež spôsobuje zväčšenie času t tail ako následok voľných nosičov náboja v oblasti bázy náhradného tranzistora T1 (vrstva N1), ktoré tam zostali pri príliš rýchlom vypnutí tranzistora T2 (náhradná schéma na Obr. 4.8.). Preto je potrebné udržať nárast hradlového prúdu do záporných hodnôt v rozsahu stanovenom výrobcom (di GR /dt A/µs). Veľkosť di GR /dt je daná veľkosťou napätia U LR a indukčnosti L G (Obr. 4.5.). Záporné napätie U LR nesmie prekročiť hodnotu Zenerového napätia priechodu hradlo - katóda, ktoré je asi V. Zdroj záporného hradlového prúdu U LR musí mať charakter napäťového zdroja s nízkou vlastnou impedanciou, aby bol schopný dodať taký veľký hradlový prúd. Indukčnosť L G musí byť obyčajne menšia ako 1 µh. Čas poklesu t f Po odstránení dostatočne veľkého množstva nosičov náboja pomocou záporného hradlového prúdu v čase presahu t S zruší sa lavínový stav tyristora. Začne klesať anódový prúd a to s veľkou strmosťou. Čas poklesu býva často kratší ako 1 µs. Veľká strmosť poklesu anódového prúdu ( 1000 A/µs) by spôsobovala vysoké prepätie v čase t f od parazitných indukčností v sérii s tyristorom a strmý nárast blokovacieho napätia. GTO tyristor je veľmi citlivý na du D /d t a prekročenie stanovenej hodnoty spôsobí falošné zapnutie tyristora. Z toho dôvodu nemôže GTO tyristor pracovať bez ochranných sietí - najčastejšie to býva RCD sieť (Obr. 4.5.). Kondenzátor C siete RCD obmedzí strmosť nárastu blokovacieho napätia du D /d t na prípustnú hodnotu podľa vzťahu: du D IT (4.9) dt C kde I T je anódový prúd pred vypnutím. Kondenzátor C siete RCD musí zniesť veľké prúdové zaťaženie a musí mať veľmi malú vlastnú indukčnosť. Musí byť pripojený čo najbližšie k tyristoru, aby sa obmedzili parazitné indukčnosti prívodov L p1, L p2 (Obr. 4.5), pretože sa nesmie prekročiť maximálne stanovená hodnota napätia U DP. Rezistor R obmedzuje vybíjací prúd kondenzátora C pri zapnutí tyristora na prípustnú hodnotu. Prepätie, ktoré sa objaví na konci vypnutia je vplyvom parazitných indukčností L p v sérii s tyristorom. Hodnota U DM má byť menšia ako je maximálna hodnota opakovateľného blokovacieho napätia U DRM tyristora GTO. V čase, keď priechod hradlo - katóda obnoví svoje záverné vlastnosti (pri prúde I GRM ), napätie u G vplyvom indukčnosti L G dosiahne svoje prierazné napätie U G(BR). Priechod hradlo - katóda teraz pôsobí ako Zenerova dióda. Strmosť poklesu prúdu hradla počas intervalu t b sa dá určiť zo vzťahu: di U G = dt G ( BR ) L G U LR (4.10) Tento stav je vhodný na dosiahnutie krátkeho času t b. Nesmie však trvať dlhšie ako je maximálne stanovená hodnota, aby nedošlo k zničeniu priechodu hradlo - katóda. 26

31 Kapitola 4 GTO tyristor Vypínací čas GTO tyristora je definovaný nasledovne: t gq = t s + t f (4.11) a nadobúda hodnoty rádovo jednotky µs. Čas doznievania t tail ( prúdový chvost ) Prúdový chvost v čase t tail súvisí s voľnými nosičmi náboja vo vrstve N1, ktoré tam zostali po zániku regeneratívneho deja. V tom čase je už katódový prúd rovný nule a prúd hradla i G sa rovná anódovému prúdu i A. Blokujúca vrstva N1 je hrubá a slabo dotovaná a voľné nosiče náboja sa rekombinujú pomaly. Čím je vyššie blokovacie napätie tyristora, tým musí byť táto vrstva hrubšia a tým je dlhší čas t tail. Pretože v čase t tail sa vytvára najväčšia zložka spínacích strát je snaha tento čas skrátiť. Na skrátenie času t tail sa používajú tieto spôsoby: 1) Dotovanie zlatom alebo elektrónové ožiarenie blokujúcej vrstvy N1, čím sa zvýši počet rekombinačných miest a teda zníži sa životnosť minoritných nosičov náboja. Nevýhodou tohto spôsobu je, že sa zvýši odpor blokujúcej vrstvy a teda aj veľkosť priepustného napätia. 2) Anódové skraty vytvorené vrstvami N3 spôsobujú skrat medzi anódou a blokujúcou vrstvou N1 (Obr. 4.3.). Pri vypínaní tieto silne dotované vrstvy N3 spôsobia rýchlu rekombináciu minoritných nosičov vo vrstve N1. Tým sa dosiahne taký istý účinok ako pri dotovaní zlatom, ale bez zvýšenia napätia v priepustnom stave. Avšak štruktúra GTO už nebude symetrická a teda tyristor nebude mať záverné vlastnosti. Čas t tail dosahuje hodnoty rádovo jednotky µs. Spínacie straty obmedzujú použitie veľkých GTO tyristorov na frekvencie okolo 1 khz. Podstatné technologické zlepšenie štruktúry konvenčného GTO tyristora a zlepšené integrované budenie hradla malo za následok výrazne inovovaný GTO tyristor, ktorý sa niekedy považuje za novú súčiastku označovanú ako tyristor komutovaný integrovaným hradlom - IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor). Integrovaný budiaci stupeň je súčasťou výkonovej časti. Vzhľadom na tesné usporiadanie sú rozptylové indukčnosti v obvode hradla extrémne nízke. Tým sa dosahuje krátky čas vypnutia. Na rozdiel od klasického GTO nevyžaduje IGCT žiadnu ochrannú sieť pri vypínaní. Parametre IGCT sú v súčasnosti asi 5000 V a 3500 A. 27

32 Kapitola 5 SITH 5. SITH 5.1. ZÁKLADNÁ ŠTRUKTÚRA A PRINCÍP ČINNOSTI Hoci prvé pokusy v laboratórnych podmienkach vytvoriť tyristorové štruktúry podobné SITH (Static Induction Thyristor) boli už v 60-tych rokoch, prvé tyristory SITH s dostatočnými parametrami boli uvedené na trh až v roku 1988 (Japonsko - Toyo Electric Co.). Podobné súčiastky, známe pod označením FCT, resp. FCTh (Field-Controlled Thyristor) alebo FCD (Field-Controlled Diode) vo firme General Electric, resp. vo Švajčiarsku sa nezačali komerčne využívať. Základná štruktúra tyristora SITH, značka súčiastky a náhradná schéma sú na obr 5.1. Obr. 5.1 Static Induction Thyristor (SI Thyristor): a) polovodičová štruktúra, b) značka tyristora, c) náhradná schéma SITH je v podstate výkonový JFET a pridaním vrstvy P + pri anóde, čo spôsobí dodávku minoritných nosičov od anódy ku katóde. To má za následok zníženie odporu vo vodivom stave v porovnaní s JFET a teda nižšie priepustné napätie aj pri veľkých hodnotách prúdu. Na rozdiel od doteraz bežne používaných súčiastok, základný stav tyristora SITH je zapnutý, t.j. ak anóda je kladnejšia ako katóda, hradlové napätie je rovné nule, potom sa SITH správa ako dióda a tečie ním anódový prúd. Ak na hradlo priložíme záporné napätie vzhľadom na katódu, potom SITH vypne VOLTAMPÉROVÁ CHARAKTERISTIKA Voltampérové charakteristiky tyristora SITH sú na Obr

33 Kapitola 5 SITH SITH nevykazuje regeneratívny dej známy pri zapínaní tyristorových štruktúr, čo vidno aj na výstupných charakteristikách. Tieto sa skôr podobajú na charakteristiky vákuovej triódy. V závernom smere je SITH schopný zachytávať záverné napätie ako následok pridaného priechodu P + N - pri anóde. Toto záverné napätie je nezávislé od hradlového napätia U GK. Kvôli urýchleniu spínacích dejov vrstva P + pri anóde je skratovaná mostíkmi N + (na Obr. 5.2 nie sú naznačené). Tým sa samozrejme strácajú záverné schopnosti SITH. Obr. 5.2 Voltampérové charakteristiky SITH 5.3. SPÍNACIE VLASTNOSTI SITH Priebeh jednotlivých veličín pri zapnutí a vypnutí SITH je znázornený na Obr Ak je záverné napätie U GK na hradle, SITH je vypnutý. Pri zapínaní, keď sa záporné napätie U GK mení smerom k nulovej hodnote, objaví sa špička hradlového prúdu, spôsobená nabíjaním vstupnej kapacity. Čas zapnutia t on pozostáva z času oneskorenia t gd a času nárastu t r. Priebeh pri vypínaní SITH je podobný ako pri GTO, t.j. záporný hradlový prúd je veľký a v anódovom prúde sa objavuje dlhý čas prúdového chvosta t tail. Pri zápornom napätí sa záporným prúdom hradla odstraňujú minoritné nosiče (diery) počas času presahu t s a poklesu t f. Zvyškové minoritné nosiče v N oblasti sa hradlovým prúdom pomaly odvádzajú a sú príčinou dlhého času prúdového chvosta t tail. Aby bolo možné zvýšiť pracovné frekvencie, je potrebné skrátiť čas t tail, čo sa uskutočňuje dotovaním platinou. Ide to však na úkor zvýšeného úbytku napätia v priepustnom stave. Vypínací čas t gq je definovaný rovnako ako pri GTO tyristore. Napríklad SITH s parametrami 1200 V, 300 A, má t gt = 2 µs, t gq = 3 µs, t tail = 6 µs, a priepustné napätie U T = 4 V. 29

34 Kapitola 5 SITH 5.4. POROVNANIE S GTO Porovnanie vlastností tyristora SITH s GTO je zhrnuté v nasledujúcich bodoch: 1) Je to súčiastka zapnutá v základnom stave, na rozdiel od GTO. 2) Úbytok napätia vo vodivom stave je vyšší. 3) Prúdové zosilnenie pri vypínaní je nižšie (1 až 3) v porovnaní s GTO (typicky 3 až 5). 4) Obidve súčiastky majú dlhý čas prúdového chvosta. 5) Spínancia frekvencia je vyššia. 6) Dovolená strmosť nárastu blokovacieho napätia du D /dt je vyššia. Je to dané tým, že SITH nemá žiadny, pre tyristory typický regeneratívny spätnoväzobný proces, ktorý obmedzuje du D /dt u ostatných tyristorov. Dovolené du D /dt dosahuje 2000 V/µs. 7) Dovolená strmosť nárastu priepustného prúdu di T /dt je vyššia a dosahuje hodnoty 1000 A/µs. SITH je výkonová polovodičová súčiastka, ktorá sa ešte stále vyvíja V budúcnosti sa očakáva zvýšenie jej napäťových a prúdových parametrov, symetrické blokovacie a záverné napätie a vypnutý základný stav. Súvisí to s technologickými možnosťami, pretože súčiastka je veľmi citlivá na proces výroby a už malé odchýlky vo výrobe spôsobujú veľký rozptyl v parametroch súčiastky. Obr. 5.3 Priebehy pri spínaní SITH 30

35 Kapitola 6 MCT 6. MCT 6.1. PRINCÍP ČINNOSTI MCT (MOS - Controlled Thyristor) využíva regeneratívne vlastnosti štvorvrstvovej štruktúry tyristora a výhody unipolárnych štruktúr tranzistorov. Základná štruktúra MCT, schematická značka a náhradná schéma je na Obr. 6.1: Obr. 6.1 MCT tyristor: a) základná štruktúra, b) schematická značka, c) náhradná schéma Na rozdiel od ostatných súčiastok (s výnimkou MOSFET) je MCT tvorený paralelným zapojením tisícok základných buniek (MCT tyristorov) na jednom čipe. Napr. 50 A, 500 V súčiastka ich obsahuje 100 tisíc. Parametre MCT v súčasnosti možno stanoviť približne na 3000 V, 1000 A. MCT tyristor zapína a vypína privedením krátkych napäťových impulzov na hradlo G voči anóde A. Pri zápornom napätí U GA je zapínaný tyristor T ON (p-fet) a otvorí priechod B - E tranzistora T 2, čím sa spustí regeneratívny zapínací dej tyristorovej štruktúry tvorenej tranzistormi T1 a T2 a dôjde k zapnutiu. Pri vypínaní je potrebné priviesť kladné napätie U GA na hradlo. Tým sa zapne tyristor T OFF (n - FET) a skratuje bázový priechod tranzistora T1, čím sa preruší kladná spätná väzba v tyristorovej štruktúre a dôjde k vypnutiu MCT. MCT môže pracovať ako vypínateľná súčiastka, pokiaľ anódový prúd neprekročí maximálnu hodnotu vypínateľného prúdu. Súvisí 31

36 Kapitola 6 MCT to s napätím tranzistora T OFF (n - FET) vo vodivom stave pri vypínaní. Toto napätie je síce veľmi nízke avšak so zvyšujúcou sa teplotou rastie, zatiaľ čo napätie báza - emitor tranzistora T1 klesá. Takže pri určitom anódovom prúde prestane byť vypínanie MCT ovládateľné hradlovým signálom. Pokus vypnúť anódový prúd, väčší ako je maximálny vypínateľný prúd, môže viesť k zničeniu tyristora MCT, hoci tyristorová štruktúra znáša spoľahlivo oveľa väčšie prúdy za predpokladu, že na hradle počas nadprúdu nie je vypínacie napätie. Zapínanie a vypínanie je teda podobné ako u GTO tyristorov s tým rozdielom, že prúdové zosilnenie pri vypínaní je u MCT veľmi vysoké. Voltampérová charakteristika je podobná ako u GTO tranzistorov - Obr Blokujúce napätie je zachytávané priechodom J 2. V závernom smere sa MCT správa ako Zenerova dióda s napätím okolo 25 V. Obr. 6.2 Voltampérová charakteristika MCT V priepustnom stave je napätie veľmi nízke U T ~ 1,2 V, čo je jednou z jeho najväčších výhod. Teplotný súčiniteľ napätia v priepustnom stave MCT je mierne záporný. Paralelné radenie tyristorov MCT však dáva dobré výsledky a je len malý rozptyl v rozdelení prúdov na jednotlivé tyristory. 32

37 Kapitola 6 MCT 6.2. DYNAMICKÉ VLASTNOSTI MCT Dynamické vlastnosti MCT súvisia s prechodom tyristora zo zapnutého stavu do vypnutého a opačne. Priebeh napätí a prúdov pri zapnutí a následnom vypnutí MCT je na Obr Obr. 6.3 Spínací dej MCT Na začiatku je na hradle kladné napätie, ktoré by malo byť väčšie ako 10 V, aby bol tyristor vypnutý. Maximálne hradlové napätie by nemalo pri zapínaní resp. vypínaní prekročiť hodnotu U GA = ± 20 V, aby nedošlo k zničeniu hradlových obvodov MOSFET tranzistorov. Zapínanie MCT začína poklesom hradlového napätia U GA = -5 V. MCT zapína veľmi rýchle a celkový čas zapnutia t gt sa pohybuje okolo 1 µs. Kritická strmosť nárastu priepustného prúdu di T /dt je veľmi vysoká, približne 20 ka/µs. Vypínanie MCT sa uskutoční zmenou hradlového napätia zo zápornej hodnoty na kladnú. Čas vypnutia sa začína pri hodnote U GA = +5 V. Čas vypnutia t gq pozostáva z času presahu t s a času poklesu anódového prúdu t. f Po prerušení kladnej spätnej väzby v tyristorovej štruktúre pri zapnutí T OFF vypínanie prebieha len rekombináciou minoritných nosičov vo vrstvách N a P - (bázy tranzistorov T1 a T2) s typickým časom presahu t s 0,6 µs a časom poklesu t f 1,5 µs (u najnovších MCT len 0,5 µs). Hoci MCT je napäťovo riadená súčiastka predsa hradlom tečie prúd vo forme krátkych impulzov, ktoré sú spôsobené nabíjaním kapacít FET tranzistorov. Avšak vstupné kapacity 33

38 Kapitola 6 MCT (na rozdiel od MOSFETU) sú konštantné, pretože sa tu nevyskytuje Millerov jav. Pri MCT tyristore je ťažko definovať, či jeho základný stav je zapnutý alebo vypnutý. Pokiaľ MCT nebol predtým zapnutý, potom pri napätí U GA = 0 je vo vypnutom stave. Ale tento stav nie je dobre zabezpečený a už napr. malé du D /dt by mohlo spôsobiť jeho nežiadúce zapnutie. Aj keď je teda možné zapínať aj vypínať MCT krátkymi impulzmi, v mnohých prípadoch je vhodné použiť spojité impulzy počas doby vodivosti resp. vo vypnutom stave. Vyhneme sa tým nebezpečenstvu výskytu neurčitých stavov MCT. V tejto súvislosti treba povedať, že pri zapnutom tranzistore T OFF je odolnosť MCT voči du D /dt veľmi vysoká (du D /dt 20 kv/µs). Pracovná teplota čipu môže byť v rozsahu Tj = -196 C až 300 C: Hoci už v súčasnosti vykazuje MCT kombináciu dobrých vlastností: vysokú napäťová a prúdová zaťažitelnosť, nízke priepustné napätie, vysoké du D /dt a di T /dt, vysoká teplota čipu, značná rýchlosť spínania, očakáva sa, že v blízkej budúcnosti dôjde k ešte výraznejším zmenám parametrov MCT. 34

39 Kapitola 7 Bipolárny tranzistor 7. BIPOLÁRNY TRANZISTOR 7.1. ZÁKLADNÁ ŠTRUKTÚRA A PRINCÍP ČINNOSTI Výkonové bipolárne tranzistory (BJT - Bipolar Junction Transistor) sú tranzistory, ktoré sú špeciálne určené pre výkonové meniče, v ktorých pracujú v spínacom režime. Nachádzajú sa v dvoch nízkostratových stavoch a to v zapnutom alebo vypnutom stave. Podľa usporiadania priechodov rozoznávame tranzistory NPN a PNP, ktorých schematické značky sú na Obr. 7.1: Obr. 7.1 Schematická značka bipolárneho tranzistora: a) typ NPN, b) typ PNP Kolektor C a emitor E sú výkonové vývody bipolárneho tranzistora. Báza B je riadiaca elektróda. Vo výkonových meničoch sa takmer výhradne používajú tranzistory NPN pracujúce v spínacom režime v zapojení so spoločným emitorom. Štruktúra tranzistora NPN a základné zapojenie so spoločným emitorom je na Obr Vrstva N, ktorá tvorí kolektor, sa skladá so silne dotovanej a teda nízkoohmovej vrstvy N + a so slabo dotovanej vrstvy N -, ktorá je hrubá a určuje napäťové namáhanie tranzistora ako aj jeho saturačné napätie. Hrúbka a usporiadanie vrstvy P tvoriacej bázu tranzistora vplýva na zosilnenie tranzistora a jeho frekvenčné vlastnosti. Vrstva N + tvoriaca emitor slúži ako zdroj voľných elektrónov pri zapínaní tranzistora. 35