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
