slide1 n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
MOS struktura PowerPoint Presentation
Download Presentation
MOS struktura

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 192

MOS struktura - PowerPoint PPT Presentation


  • 341 Views
  • Uploaded on

Poluvodičkih učinskih ventila ima oko pedeset različitih vrsta. Ne treba ih za sada posebno učiti. Samo treba prepoznati da se unutar monokristala silicija (pravilne kristalne rešetke) može naći šest različitih struktura. PN struktura. struktura metal - poluvodič. MOS struktura.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'MOS struktura' - raymond


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

Poluvodičkih učinskih ventila ima oko pedeset različitih vrsta. Ne treba ih za sada posebno učiti. Samo treba prepoznati da se unutar monokristala silicija (pravilne kristalne rešetke) može naći šest različitih struktura.

PN struktura

struktura metal - poluvodič

MOS struktura

slide4

Dakle, P-područje je anoda, N-područje je katoda, a P-područje do katode upravljačka elektroda (geit).

PUT ili tiristor s

N-upravljačkom elektrodom

(engl. programmable unijunction transistor)

slide5

iVJ@*@H v. iVh@*@H: 1) silazak, silaženje, 2) povratak

katoda grč. kathodos:KATA- + hodos: put

ž<@*@H

anoda grč. anodos:put prema gore

slide6

Pitanje: da li tiristorska struktura može doći u stanje vođenja iz stanja blokiranja zagrijavanjem?

Zagrijavanjem, unutar zone prostornog naboja oko srednjeg PN prijelaza stvaraju se parovi elektron – šupljina. Šupljine idu prema katodi, a elektroni prema anodi. Dakle, P-područje do katode postaje pozitivnije, a N-područje do anode negativnije. Zato prorade katodni i anodni emiter, pa struktura dolazi u stanje vođenja.

slide8

tiristor

Jura

vrata grč. thyra

otpornik lat. (res)istor

I naziv glavnog grada Albanije Tirana potječe od grčke riječi Jura.

slide9

Hidraulička analogija diodne i tiristorske i strukture

Analogija diodne strukture

Analogija tiristorske strukture

Kada se jednom izvuče zapor, više se ne može zaustaviti tok.

slide10

Primjer spajanja osnovnih struktura

Tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom (IGBT) sastavljen je od PNP tranzistorske strukture (P+N+ N-P), NPN tranzistorske strukture (N-PN+) i MOS strukture (metal - oksid - P-poluvodič). Ove strukture tvore klasični tiristor i MOSFET.

slide22

Procjena gubitaka isklapanja

Primjerice, ako je V = 1000 V, a Q = 50 μAs, onda je W = 0,05 Ws. Kod 50 Hz to je samo 2,5 W, a kod 1000 Hz to je već 50 W.

Gubici isklapanja ograničuju upotrebu silicijskih dioda na višim frekvencijama.

Sklopni gubici rastu linearno s frekvencijom!

slide25

Načelo rada

– Elektroni u N-poluvodiču imaju manji rad izlaza od elektrona u metalu.

– Elektroni iz N-poluvodiča prelaze u metal.

– Metal postaje negativniji od poluvodiča.

– Nastane potencijalna barijera (kao da je metal P-poluvodič).

– Tok elektrona iz poluvodiča u metal jednak je toku elektrona iz metala

u poluvodič.

– Uočite da nisu u igri minoritetni (šupljine) nosioci naboja. To je bitna

razlika između PN diode i Schottkyjeve diode.

– Metalno područje je anodno područje.

slide27

Omski kontakti

Opažate da je metal katodnog kontakta, kao i metal anodnog kontakta, aluminij. Kako to da prijelaz metal – poluvodič ima svojstvo tzv. omskog kontakta?

Prijelaz aluminij – jako dopirani poluvodič ima svojstvo omskog kontakta. Zona prostornog naboja takvog prijelaza je vrlo uska; jakost električnog polja se približuje vrijednostima dovoljnima za ionizaciju sudarom; zato elektroni prelaze prijelaz aluminij – poluvodič kod vrlo malih napona (tunel-efekt).

slide35

Dinamičke karakteristike

Uklapanje

Ovakovo nekoncentrično širenje vodljivog područja nije dobro!

slide65

uzvisina s ravnim vrhom i strmim padinama

lat. mensa -stol, stol za žrtvovanje

slov. miza - stol

Krajolik karakterističan za jugozapad SAD-a (južno od granice država Utah (´ju:ta:) i Arizone)

slide86

ODREĐIVANJE PARAMETARA IZLAZNOG STUPNJA

IMPULSNOG UREĐAJA ZA OKIDANJE TIRISTORA

slide87

U tiristore spadaju: inverzno nevodljivi tiristor (klasični tiristor: mrežni i frekvencijski), inverzno vodljivi tiristor, trijak i upravljačkom elektro-dom isklopivi tiristor (GTO).

Svi ovi tiristori imaju jednaku mikrostrukturu geita. Zato su zahtjevi na uklopni (okidni) impuls u načelu jednaki. Isklopnim impulsom GTO-a se ne ćemo baviti.

slide90

Optimalni okidni impuls

Okidni impuls karakterizira: brzina porasta, amplituda i trajanje.

Definicija brzine porasta (strmine), amplitude i trajanja okidnog impulsa

slide91

Brzina porasta

Strmina impulsa, za postizanje katalogom deklarirane kritične brzine porasta propusne struje, mora biti 0,5 – 1,0 A/μs. U što kraćem vremenu okidni impuls treba postići maksimum, da bi početno vodljivo područje bilo što veće.

slide93

Okidna radna točka upravljačke elektrode treba biti što bliže hiperboli granične disipacije (položaj hiperbole granične disipacije u vG – iG ravnini određuje trajanje okidnog impulsa). Upravljačku elektrodu ne treba štedjeti!

slide94

Trajanje

Trajanje okidnog impulsa mora biti barem barem tako dugo dok se ne uspostavi mehanizam pozitivne povratne veze unutar strukture tiristora (nosioci naboja moraju ‘proputovati’ kroz središnje područje silicijske pločice). Odavde je očito da niskonaponski tiristori uklapaju brže od visokonaponskih.Na sigurnoj smo strani ako okidni impuls traje dulje od 50 μs.

Trajanje okidnog impulsaponekad određuje i sklop u kojem se tiristor nalazi, primjerice kod usmjerivača u trofaznom mosnom spoju.

Trajanje okidnog impulsa ponekad određuje trošilo, primjerice kod tiristorskog ispravljača u jednofaznom mosnom spoju za napajanje uzbude istosmjernog motora.

slide96

UČINSKI MOSFET

(metal – oxide – semiconductor field effect transistor)

MOS tranzistor s efektom polja

slide97

Za energetsku elektroniku postao je značajan osamdesetih godina XX. stoljeća. Na tržištu se pojavio oko 1985. godine. Zamijenio je bipolarni tranzistor u primjenama u kojima se traže dobre sklopne karakteristike (što manji sklopni gubici).

Ideja je stara. Još je 1934. god. ukazano (Heil) da se pomoću vanjskog električnog polja okomitog na površinu poluvodiča može upravljati strujom kroz poluvodič.

slide98

N-kanalni MOSFET (obogaćeni tip)

uvod

može se ostvariti polisilicijem

odvod

Odlike i mane: proizlaze iz njegove unipolarne prirode: umjerena naponska opteretivost i dobre sklopne karakteristike.

Dvije posebnosti: omski kontakt uvoda spojen je na kanalno p-područje i metalna elektroda geita nalazi se iznad n-područja. No, o tome kasnije.

slide99

uvodno područje

kanalno područje

driftno područje

odvodno područje

uvod

odvod

n--područje je područje odvoda, n+-područje je područje uvoda, a strjelica predstavlja kanalno p-područje. Strjelica je spojena s uvodom, jer je kanalno područje spojeno s uvodom. Strjelica je u smjeru propusne polarizacije p-n+ prijelaza.

slide100

Još o strukturi

uvod

odvod

– Uvod i odvod su na nasuprotnim stranama silicijeve pločice. Tako su postignute najveće moguće površine metalnih kontakata uvoda i odvoda. Ova struktura se naziva VDMOS struktura (vertical diffused MOSFET). Naziv je u vezi s tehnološkim procesom proizvodnje.

slide101

Tehnološki proces proizvodnje:

– podloga je n+-silicijska pločica (područje odvoda),

– epitaksijalnim rastom na podlozi dobije se n–-područje (driftno podru-čje) željene debljine,

– prvom difuzijom kroz nemaskirana područja sa strane uvoda dobije se p-područje (kanalno područje),

– drugom difuzijom kroz nemaskirana područja sa strane uvoda dobije se n+-područje (područje uvoda),

– metalizacijom se dobiju omski kontakti uvoda, odvoda i geita.

slide102

Karakteristike na temelju strukture

– Metalni kontakti uvoda i odvoda su isprepleteni (gledajući sa strane uvoda).

uvod

uvod

(rupa)

Tako je postignut najveći mogući presjek kanala, tj. opseg geita (opseg geita jednak je opsegu jednog elementarnog geita pomnoženim s brojem elementarnih ćelija). Na bazi rasporeda a) International Rectifier je konstruirao svoj učinski MOSFET, komercijalno nazvan HEXFET.

slide103

– Struktura sadrži parazitni bipolarni tranzistor (BJT) i tzv. ugrađenu diodu.

Parazitni tranzistor je svojstven strukturi MOSFET-a (ne može se izbjeći). On ne smije uklopiti. Zato je njegov emiter kratko spojen s bazom. No, stvorena je parazitna (tzv. ugrađena) dioda. Dakle, učinski MOSFET nema zapornih svojstava, on u inverznom smjeru vodi struju. Parazitna dioda može se iskoristiti u sklopovima autonomnih izmjenjivača.

slide104

– Za svojstvo blokiranja odgovoran je p-n– prijelaz. Očito, kanal je to dulji što je veći probojni blokirni napon.

Granica zone prostornog naboja ako se metalna elektroda geita ne proteže iznad n–-područja.

n–-područje mora biti dovoljno slabo dopirano da bi se zona prostornog naboja mogla nesmetano širiti.

slide105

– Prekrivanjem n–-područja metalnom elektrodom geita smanjena je jakost električnog polja na rubu p-n– prijelaza.

Metalna elektroda geita se proteže iznad n–-područja.

slide106

– Prekrivanjem n–-područja dobiveno je još jedno dobro svojstvo strukture: povećana vodljivost n–-područja (n–-područje naziva se driftno područje). Ispod SiO2 stvoren je akumulacijski sloj, te je povećana vodljivost driftnog područja (smanjen je pad napona u stanju vođenja).

slide107

V-I karakteristike (izlazne karakteristike)

MOSFET (n-kanalni)

bipolarni tranzistor (NPN)

Uvod S je obično zajednički ulaznom i izlaznom krugu.

slide108

Područja rada MOSFET-a

Podsjetimo se. Kod bipolarnog tranzistora područja rada su: područje zasićenja, aktivno područje i blokirno područje. Dakle, otporno područje analogno je području zasićenja. Aktivno područje nekad se nazivalo i pentodno područje.

slide109

ID-VGS karakteristika (prijenosna karakteristika)

Uočite da iznad tzv. napona praga VGS(th) struja odvoda naglo raste.

slide110

Fizikalno objašnjenje napona praga

L = duljina kanala

Ponovite iz elektronike kako nastaje inverzioni sloj. Ovdje je dovoljno znati da inverzioni sloj nastaje kod određenog napona i da se taj napon naziva napon praga. Kod učinskog MOSFET-a napon praga iznosi nekoliko volti. Napon praga, iako ovisi o nizu čimbenika, može se po volji podešavati.

slide111

U stanju blokiranja napon napajanja mora biti manji od probojnog napona BVDSS. Ako dođe do proboja, radi se o lavinskom proboju (zašto?).

slide112

Ova jednadžba postaje očita ako se napiše ovako:

To je uvjet postojanja inverzionog sloja na desnom kraju kanala. Širina inverzionog sloja opada od uvoda S prema odvodu D.

VCS(x) = pad napona duž kanala (napon između neke točke u kanalu i uvoda)

slide114

Granica između otpornog i aktivnog područja

U aktivnom području struja odvoda ovisi samo o naponu VGS. Približno vrijedi (samo kod malih struja ID):

Konstanta K ovisi o geometriji strukture.Na granici otpornog i aktivnog područja je:

pa je:

To je jednadžba razgraničenja otpornog i aktivnog područja. Zgodno ju je zapamtiti.

slide115

Otpor u stanju vođenja RDS(on)

MOSFET ima manje gubitke od bipolarnog tranzistora za probojne napone manje od nekoliko stotina volti. Za veće probojne napone gubici MOSFET-a su veći od gubitaka bipolarnog tranzistora.

slide116

Kod niskonaponskog MOSFET-a (probojnog napona do nekoliko stotina volti), sve ove komponente otpora su podjednake. Kod visokonaponskog MOSFET-a dominira Rd. Otpor pojedinih dijelova strukture se minimizira što je moguće jačim dopiranjem (npr. koncentraciju dopanta u n–-području određuje probojni napon) i što je moguće manjim izmjerama. Povećanje napona VGS smanjuje otpor kanalnog i driftnog područja.

slide117

Osnovni problem gubitaka kod visokonaponskog MOSFET-a je pad napona u driftnom području. A taj pad napona je velik, jer je driftno podruje široko i jer u vođenju struje sudjeluju samo elektroni (za gibanje elektrona potrebno je električno polje. Problem je što nema plazme. Kod IGBT-a stvorena je plazma.

slide118

Paralelno spajanje MOSFET-a

Vođenje.Budući da pokretljivost elektrona μe opada s temperaturom, RDS(on) raste s temperaturom. Porast od 100o C poveća RDS(on) za 90 %.

Sklapanje. Struju svakog tranzistora određuje prijenosna karakteristika. Rasipanje prijenosnih karakteristika istog tipa tranzistora je umjereno. Zato je najbolje da su naponi VGSjednaki. No, upravljačke elektrode se ne mogu izravno spojiti, pa treba u seriju s geitom staviti mali otpornik (rasipni induktivitet s kapacitetom upravljačke elektrode može izazvati titraje).

slide119

Sklopne karakteristike

MOSFET je inherentno brži od bipolarnih komponenata, jer tijekom uklapanja/isklapanja ne treba injektirati/izvlačiti nosioce naboja u/iz silicijske pločice. Jedini naboj u igri je onaj u vezi s rasipnim kapacitetima i zonama prostornog naboja.

slide120

Za proučavanje karakteristika uklapanja i isklapanja može se upotrijebiti ovaj model učinskog MOSFET-a (model ne vrijedi u otpornom području!):

iD = 0,

ako je VGS< VGS(th)

iD= gm(VGS– VGS(th),

ako je VGS–VGS(th) < VDS

gmse naziva transkonduktancija

slide121

CDS ne treba uključiti u model. Analiza je složena, jer kapaciteti CGD i CGS ovise o naponu. Približno se može uzeti da je CGSkonstantan, a da se CGD mijenja ovako:

slide122

Model za analizu uklapanja i isklapanja MOSFET-a u silaznom pretvaraču

iD = 0,

ako je VGS< VGS(th)

iD= gm(VGS– VGS(th),

ako je VGS–VGS(th) < VDS

slide124

Interval td(on)(napon VGS raste prema naponu VGS(th) približno linearno)

slide125

Interval tri(struja tranzistora raste prema I0)

slide126

Interval tfv1(MOSFET vodi struju I0 ali je još u aktivnom području, napon VDSpada)

slide127

Interval tfv2(MOSFET vodi struju I0 ali je već u otpornom području, napon VDSpada)

slide128

Napon VDS je pao na I0rDS(on). Napon VGSviše nije pritegnut i nastavlja rasti prema VGG.

slide129

Isklapanje

Tijek isklapanja inverzan je tijeku uklapanja. Metodom kojom su nađeni valni oblici tijekom uklapanja nalaze se valni oblici i tijekom isklapanja. Pretpostavljeno je da napon geita trenutačno pada na nulu.

slide130

BIPOLARNI TRANZISTOR S IZOLIRANOM UPRAVLJAČKOM ELEKTRODOM – IGBT

(insulated gate bipolar transistor)

slide131

Ako poznajete MOSFET, poznajete i IGBT. Jedina je razlika u tome što je na n+-sloj dodan p+-sloj, sada se n+-sloj naziva razdvojni sloj.

kanalno područje

driftno područje, razdvojni sloj, injektirajući sloj

slide132

Odmah se uočava da IGBT ima beznačajna zaporna svojstva, jer je probojni napon n+-p+ prijelaza ne veći od 50 V. p+-područje injektira šupljine u n–-područje i time smanjuje pad napona u stanju vođenja.

Ovo je simbol n-kanalnog IGBT-a. Strjelica je na strani odvoda, usmjerena je prema kanalnom području. Ukazuje da je u stanju vođenja p+-područje injektirajuće područje, tj. da injektira šupljine prema kanalu. Zato je IGBT poznat i pod nazivom COMFET (conductivity-modulated field effect transistor).

slide133

Meni se više dopada ovaj simbol:

On pokazuje da se tokom struje upravlja poljem, a da u toku struje sudjeluju i elektroni i šupljine.

Ostali nazivi za IGBT su:

– IGT (insulated gate transistor),

– bipolarni MOS tranzistor,

– GEMFET (od General Electric).

IGBT ujedinjuje dobra svojstva bipolarnog tranzistora i MOSFET-a.

slide134

Još o strukturi

– Struktura ima parazitni tiristor. Ovaj tiristor ne smije uklopiti, u protivnom IGBT bi izgubio isklopna svojstva. Kratki spoj kanalnog područja i uvodnog n+-područja spriječava uklapanje parazitnog tiristora.

slide135

– Razdvojni n+-sloj nije bitan za rad IGBT-a. Neki IGBT-ovi ga nemaju (NPT-IGBT, non-punch-through (panč) IGBT; simetrični IGBT), a neki imaju (PT-IGBT, punch-through IGBT; asimetrični IGBT). No, razdvojni n+-sloj omogućuje uže n–-područje (smanjuje pad napona u stanju vođenja) time što onemogućuje širenje zone prostornog naboja prema n+-području.

slide136

V-I karakteristike (izlazne karakteristike)

Ako nema razdvojnog sloja n+-sloja, probojni napon u blokirnom smjeru u načelu je jednak probojnom naponu u zapornom smjeru.

slide137

ID-VGS karakteristika (prijenosna karakteristika)

Prijenosna karakteristika jednaka je onoj u MOSFET-a. Kod većih struja je linearna. Ako je napon VGS manji od napona praga, IGBT je u stanju blokiranja. Maksimalni dopušteni VGSobično ograničuje maksimalna dopuštena struja ID.

slide138

Stanje blokiranja (VGS< VGS(th))

Blokirni napon preuzima p-n– prijelaz. Kod PT-IGBT-a n– područje je oko dva puta uže nego kod NPT-IGBT-a.

slide139

Stanje vođenja (VGS> VGS(th))

p+-područje injektira šupljine. U driftnom n–-području šupljine se kreću i driftom i difuzijom. Kroz kanal (inverzioni sloj) teče struja elektrona.

slide140

Osnovni diskretni model IGBT-a

VJ1

Ovaj model prikazuje IGBT kao Darlingtonov spoj pn–p+ tranzistora i MOSFET-a. Bipolarni tranzistor je glavni tranzistor, a MOSFET upravljački.

p

n–

p+

slide141

U poređenju s konvencionalnim Darlingtonom, upravljački MOSFET vodi veći dio struje. On time spriječava uklapanje parazitnog tiristora.

Pad napona u stanju vođenja, na temelju nadomjesne sheme, iznosi:

Pad napona na p+n+ prijelazu J1 iznosi 0,7 – 1,0 V. Pad napona u n–-području Vdrift odgovara padu napona u središnjem području učinske diode, i približno je konstantan. Mnogo je manji nego kod MOSFET-a. Razlog je povećanje vodljivosti driftnog područja. Pad napona u kanalu usporediv je s padom napona u kanalu MOSFET-a.

slide143

Lateralni tok šupljina propusno polarizira pn+ prijelaz (J3) i izaziva uklapanje parazitnog tiristora. Lateralni tok šupljina u kanalnom p-području je izrazit, jer šupljine privlači negativni naboj u kanalu. Najveća propusna polarizacija pn+ prijelaza je na mjestu gdje inverzioni sloj dotiče n+-područje.

slide144

Parazitni tranzistor n–pn+ uklapa, poteče struja baze p+n–p, oba parazitna tranzistora uklope, stvori se pozitivna povratna veza i parazitni tiristor sastavljen od ova dva komplementarna parazitna tranzistora uklopi.

Prema tome postoji kritična struja MOSFET-a kod koje MOSFET gubi svojstvo upravljivosti.

Ls mora biti što je moguće manji. Osim toga, kanalno područje treba jako dopirati (postaje p+-područje) i proširiti (dublja difuzija). Sve ove mjere smanjuju otpor sloja ispod n+-područja. No, dio kanalnog područja u kojem nastaje kanal mora ostati slabije dopiran.

slide145

Prema tome, rješenje je:

Opisani proces uklapanja parazitnog tiristora je statički proces. Dešava se kada statička struja prekorači kritičnu vrijednost. Spomenimo samo to da je u dinamičkim uvjetima (kada IGBT isklapa) kritična vrijednost struje manja.

slide146

Sklopne karakteristike

Uklapanje IGBT-a, u većem dijelu vremena uklapanja, određuje MOSFET-ni dio IGBT-a. Zato je nadomjesni krug IGBT-a jednak nadomjesnom krugu MOSFET-a.

Prema tome, tijekom uklapanja, valni oblici IGBT-a kvalitativno se podudaraju s valnim oblicima MOSFET-a.

slide149

Opadanje napona vDS odvija se u dva intervala tfv1 i tfv2. Tijekom prvog intervala MOSFET-ni dio IGBT-a prolazi kroz aktivno područje, kapacitet Cgd = Cgd1. Tijekom drugog intervala MOSFET-ni dio IGBT-a prolazi kroz otporno područje, kapacitet Cgd = Cgd2 >Cgd1.

Tijekom drugog intervala treba uzeti u obzir i prolazak p+n–p tranzistora u područje zasićenja. On usporuje opadanje blokirnog napona. Interval tfv2 završava kada ovaj tranzistor dođe u područje zasićenja.

slide151

Vrijeme kašnjenja isklapanja td(off) i vrijeme porasta blokirnog napona trv određuje MOSFET-ni dio IGBT-a.

Pad struje tijekom tfi1 određuje MOSFET-ni dio IGBT-a. Rep struje iDtijekom tfi2 potječe od uskladištenog naboja (šupljina) u n–-području (driftno područje). Jedan dio uskladištenog naboja se rekombinira, a drugi dio otječe repom struje iD. Duže vrijeme života nosilaca naboja (povoljno zbog pada napona) povećava rep struje (nepovoljno zbog gubitaka).

slide152

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

BIPOLARNI TRANZISTOR

MOSFET

IGBT

slide153

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

BIPOLARNI TRANZISTOR - strujno upravljana komponenta

Bipolarni tranzistori zahtjevaju složenije pobudne stupnjeve, generira se strujni impuls traženog valnog oblika.

slide154

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

MOSFET i IGBT - naponski upravljane komponente

slide155

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

MOSFET i IGBT - naponski upravljane komponente

Možemo li onda u krug upravljačke elektrode samo staviti naponski izvor ???

Odgovor je naravno NE, rješenje ipak nije toliko jednostavno!

slide156

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Analizirajmo rezultate IPES simulacije

slide157

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Detalji uklapanja i isklapanja IGBT-a

slide158

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Osnovni zahtjevi na pobudne stupnjeve MOSFET-a i IGBT-a

Zahtjevi:

Upravljački napon dovoljno veći od napona praga VGSth. Dovoljno brzo vrijeme porasta i pada upravljačkog napona.

Svojstva:

Relativno jednostavni sklopovi. Zanemarivi statički gubici, dok dinamički gubici mogu biti znatni.

TIPIČNO RJEŠENJE POBUDNOG STUPNJA

slide159

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Neka jednostavna rješenja

Sklopovi zasnovani na standardnim TTL i CMOS integriranim krugovima.

Sklop s komplementarnim emiterskim sljedilom. Velika brzina uklapanja i isklapanja.

slide160

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Dodatni zahtjevi

  • galvansko odvajanje upravljačkih signala,
  • detekcija i zaštita od prekostruja i kratkih spojeva,
  • zaštita od prenapona i podnapona,
  • davanje informacije o stanju sustava.
  • ......
slide161

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Zašto je potrebno galvansko odvajanje upravljačkih signala?

slide162

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Zašto je potrebno galvansko odvajanje upravljačkih signala?

slide163

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Pregled rješenja za galvansko odvajanje upravljačkih impulsa

Korištenje impulsnog transformatora.

slide164

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Pregled rješenja za galvansko odvajanje upravljačkih impulsa

Optoizolacija

slide165

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Pregled rješenja za galvansko odvajanje upravljačkih impulsa

Korištenje tehnologije optičkog prijenosa upravljačkih impulsa. Potrebno je međusklopovlje.

slide166

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Pregled rješenja za galvansko odvajanje upravljačkih impulsa

Nabojska pumpa (charge pump) ...

i bootstrap tehnika su jednostavna, jeftina, ali ne i profesionalna rješenja.

slide167

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Suvremena rješenja...integrirani i “pametni” pobudni stupnjevi

CONCEPT “SCALE” serija pobudnih stupnjeva.

Dvosmjerna transformatorska međuveza.

Galvansko odvajanje transformatorsko ili optičko.

slide168

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Zavirimo malo dublje u LDI 001 !

slide169

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Rješavanje problema mrtvog vremena (“dead time”)

slide170

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Suvremena rješenja...integrirani i “pametni” pobudni stupnjevi

slide171

POBUDNI STUPNJEVI

UPRAVLJIVIH POLUVODIČKIH VENTILA

Suvremena rješenja...integrirani i “pametni” pobudni stupnjevi

slide172

STRUJNA OPTERETIVOST

UČINSKIH POLUVODIČKIH VENTILA

slide173

O strujnoj opteretivosti ima smisla govoriti ako se može:

–postaviti granična temperatura silicija,

–izmjeriti temperatura silicija,

–izračunati temperatura silicija.

Postavljanje granične temperature silicija

– za diode,

– za tiristore,

– za tranzistore.

Očito, na graničnoj temperaturi PN prijelaz počinje gubiti zaporna svojstva. Zato, npr. visokonaponske diode imaju manju graničnu temperaturu od niskonaponskih. Kod tiristora najosjetljivija karakteristika je napon prekretanja.

slide174

Mjerenje temperature silicija

U praksi moguće je samo neizravno mjerenje putem temperaturne ovisnosti pada napona propusno polariziranog PN prijelaza.

Umjerna (baždarna) karakteristika snimi se u termostatu.

slide175

Načelo mjerenja:

Izmjeri se VPN kod struje IPN i iz umjerne karakteristike očita temperatura silicija. Tako dobivena temperatura naziva se nadomjesna temperatura silicija (njem. Ersatzsperrschichttemperatur). Neki je zovu i virtuelna temperatura silicija (engl. virtual junction temperature). Ovo načelo mjerenja ima inherentnu logičku pogrešku. Kažite koju!

slide176

Računanje nadomjesne temperature silicija

Dakle, radi se o odzivu temperature na pobudu gubicima. Rješenje je:

gdje je:

J(t) nadomjesna nadtemperatura silicija

pV(t) gubici poluvodičkog ventila

zth(t) odziv nadomjesne nadtemperature silicija na jediničnu

skokovitu pobudu gubicima

Formula vrijedi, ako je toplinski sustav ventila linearan i vremenski neovisan. Na ovoj formuli zasnivaju se programi za simulaciju vremenskog tijeka nadomjesne temperature silicija

slide177

U regulaciji zth(t) se naziva prijelazna funkcija sustava. Ona u potpunosti karakterizira sustav. zth(t) ventila može se izračunati, npr. metodom konačnih elemenata, no točniji rezultati dobiju se mjerenjem.

Naziva se, pogrešno, prijelazna toplinska impedancija za konstantnu struju.

slide188

Proračun maksimalne nadmjesne temperature silicija ventila opterećenog periodičkim nizom pravokutnih impulsa gubitaka

slide189

Očito, ako se impulsi gubitaka sastoje od impulsa frekvencije mreže, proračun je praktički neprovediv. Zato je uvedena prijelazna toplinska impedancija za impulsnu strujuth(t).

slide190

Bez dokaza kažimo samo to da se sa th(t) računa na isti način kao sa zth(t), samo umjesto vršne vrijednosti gubitaka treba uvrstiti srednje gubitke (dokaz se nalazi na str. 209-210 udžbenika Energetska elektronika, I dio, autora Benčić-Plenković.

slide192

Pravokutni impuls gubitaka, kojim se nadomješta stvaran impuls gubitaka, ima:

- amplitudu jednaku maksimalnoj vrijednosti stvarnog impulsa,

- srednju vrijednost jednaku srednjoj vrijednosti stvarnog impulsa:

Zamjena stvarnih impulsa gubitaka pravokutnim impulsima jednake vršne i srednje vrijednosti jamči konzervativnost aproksimacije, jer takvi pravokutni impulsi gubitaka zagrijavaju silicij jače od svih zamislivih stvarnih impulsa gubitaka.