Výkonová elektrotechnika
§20 - Poučený pracovník- osoba, bez elektrotechnického vzdelania
§21 – Elektrotechnik- osoba, ktorá má odborné vzdelanie (bez praxe)
§22 – Samostatný elektrotechnik- spĺňa požiadavky odbornej spôsobilosti elektrotechnikov, odborná prax,
Má otvorenú spôsobilosť, môže riadiť činnosť poučených pracovníkov bez obmedzenia ich počtu. Prax do
1000V – 1rok, nad 1000V – 2roky.
§23 – Elektrotechnik na riadenie činnosti a prevádzky- osoba spĺňajúca požiadavky odbornej spôsobilosti
elektrotechnikov, má požadovanú odbornú prax a spôsobilosť.
§24 – Elektrotechnik špecialista- samostatne môže vykonávať a riadiť činnosť: na konštruovanie, odborné
prehliadky a skúšky, skúšobný technik výrobcu.
Elektrická inštalácia- spojenie zariadení na plnenie stavov a cieľov
Elektrické zariadenie- zariadenie ktoré k svojej činnosti využíva účinky elektrických alebo
elektromagnetických javov.
Práca podľa pokynov- najnutnejšie pokyny pre vykonanie práce
Práca pod dohľadom- práca je vykonávaná podľa podrobnejších pokynov, dohľad vykonáva zodpovedný
pracovník.
Práca pod dozorom- práca sa vykonáva za trvalej prítomnosti pracovníka povereného dozorom.
B-PPN, P-PNN - dohľad o nariadených technických opatreniach na zabezpečenie bezpečnosti pracovníky na
elektrickej inštalácii
B-PPN - práca pod napätím na elektrickej inštalácii VN, VVN, ZVN
P-PNN - práca pod napätím na elektrickej inštalácii NN
Dotykové napätie- napätie ktoré sa objaví pri poruche izolácie
Krokové napätie- napätie medzi dvomi bodmi (1m)
Dotykový prúd- prúd prechádzajúci telom človeka
Živá časť- časť ktorá je pod napätím
Cudzia vodivá časť- vodivá časť ktorá nie je súčasťou elektrického zariadenia
Kryt- časť zabezpečujúca ochranu zariadenia pred vonkajšími vplyvmi, slúži aj ako ochrana proti dotyku.
Zábrana- slúži na zabránenie dotyku živých častí
Prekážka- časť ktorá bráni proti neúmyselnému dotyku (zábradlie)
A. Laik- neznalá a nepoučená osoba
B. Poučená osoba- osoba spôsobilá vyhnúť sa nebezpečenstvu (od §20)
C. Znalá osoba- osoba so zodpovedajúcim vzdelaním a elektrotechnickou praxou (§21)
D. Znalé osoby z vyššou kvalifikáciou- osoby z elektrotechnickým vzdelaním a praxou majú odbornú
spôsobilosť (§22 §23 §24).
Znalé osoby z vyššou kvalifikáciou- akákoľvek obsluha okrem zakázaných prác.
Účinky elektrického prúdu na človeka.
Tieto účinky závisia od:
1.
veľkosti a druhu prúdu
odporu kladeného postihnutými tkanivami
cesty vstupu a dráha prúdu telom
trvanie kontaktu s elektrickým prúdom
Prúdy 10 – 30mA nevedú ku smrti pri dlhšom pôsobení
2. Prúdy nad 30mA smrteľné ak nedôjde od odpojenia od zdroja. Dlhšie ako 0,5s=SMRŤ (pri 500mA)
3. Nad 500mA smrteľné pri krátkych dobách prechodu
Úraz- ak sa človek stane súčasťou vodivého uzavretého obvodu pri ktorom sa jeho telom vedie elektrina.
Účinky na organizmus:
-
Od veľkosti a druhu prúdu: pri kontakte človeka so živou časťou, ktorá je pod napätím a striedavým
prúdom je 3krat nebezpečnejšia ako pri jednosmernom
Odporu kladeného postihnutými tkanivami tela: odpor jednotlivých tkanív tela sa riadi ich
prekrvením. Najvyšší odpor (MΩ) kladie tuková vrstva a koža, po nej kosti, šľachy, svalstvo, cievy
a nervový systém.
Krv- najmenší odpor (niekoľko 100Ω)
Vysoký odpor- suchá masťou potretá koža
Časti vstupov a dráhy prúdu telom:
Pre vznik smrteľného úrazu elektrickým prúdom je dôležitá jeho cesta, ktorou ľudským telom preteká.
Poraňuje- Mozog, dýchanie, srdce
Nebezpečná je vertikálna cesta idúca osou tela (ľavá ruka - pravá noha)
Vysoký výskyt: zastavenie dýchania, fibrilácia komôr srdca.
Vznikajú popáleniny najmä pri vyšších napätiach.
Postup pri záchrane:
1. Vyslobodenie postihnutého
2. Kontrola životných funkcii
3. Zistiť či postihnutý dýcha ak nie zaviezť umelé dýchanie, zistiť či mu bije srdce ak nie zaviezť
nepriamu masáž srdca.
4. Privolať lekára pričom pri postihnutom musí niekto stále byť
5. Laické ošetrenie poranení(napr. zlomeninu zafixovať)
6. Ohlásiť úraz vedúcemu(nadriadenému) pracovníkovi
230V- odpojenie v čase 0,4s
400V- odpojenie v čase 0,2s
Nad 400V- 0,1s
Úvod do VE
Výkonová elektronika je mladá vedná disciplína so širokým vedným záberom.
Jej predmetom je:
1.
2.
3.
4.
5.
Fyzikálne zákony výkonových polovodičov (fyzika polovodičov)
Teória výkonových elektronických obvodov,(výkonové polovodičové meniče)
Konštrukcia výkonových polovodičových meničov
Regulácia a riadenie (Teória regulácie a riadenie VPS)
Komplexný návrh VPS pre rôzne aplikačné oblasti
História vývoja (prehľad vývoja VE)
1874 – Objav usmerňovacieho účinku Kov - Polovodič (Braun)
1882 – Objav usmerňovacieho elektrického oblúka medzi Driviovou katódou a grafitovou anódou ()
1883 – Prvý selénový usmerňovač ()
1897 – Objav mostového zapojenia jednofázového usmerňovača (Greatz)
1902 – Ortuťový usmerňovač (Henitt)
1926 – Prvý tyratrón (Hull)
1930 – Patent na elektronickú súčiastku riadenú elektrickým poľom (Lilienfeld & Heit)
1938 – Teória prechodu Kov – polovodič (Shottky)
1947 – 1949 – Teória a praktické overenie činnosti bipolárneho tranzistora ()
1952 – Prvý unipolárny tranzistor riadený elektrickým poľom FET, prvá výkonová dióda
1956 – Prvý tyristor (), zrodenie VE
1958 – Prvý integrovaný obvod (Texas Instruments)
1956 – 1975 – Vývoj topológií všetkých typov hlavných obvodov výkonových polovodičových meničov
1970 – 1975 – GTO tyristor (Frobenius, Desmond, Hamilton), zapínanie a vypínanie obvodu
1978 – Prvý výkonový unipolárny tranzistor (Yamaha(VMOS) a Siemens(Planár VMOS))
1989 – 1992 – IGBT
1975 – 1979 – zdokonalenie aplikácie výkonových bipolárnych tranzistorov
Po 1995- Objavenie MCT ( Mos Controler Tyristor)
Aplikačné oblasti
1.
-
Doprava + Military aplikácie
Oblasť jednosmernej elektrickej trakcie,
Električky, trolejbusy
Lodná doprava najväčšie výkony z hľadiska meničov (400MW)
Military aplikácie- vojnové lode, na elektrický pohon palubných prostriedkov...
2.
-
Továrne, dielne – Priemysel
Hutníctvo- zariadenia pre tavenie a kalenie
Pohonné obrábacie stroje, pohony robotov...
Stroje pre priemysel
3.
-
Energetika- aktívne filtre, FAC zariadenia, HVDC- jednosmerné prenosy
Aktívne filtre
Meniče pre HVDC (High Voltage)
Supravodivé akumulátory (akumulácie elektrickej energie)
Kondicionéry sietí- zlepšenie kvality elektrickej energie
4. Spotrebná elektronika
- Napájacie zdroje pre Audio – Video techniku
- PC, výpočtová technika....
Polovodičová súčiastka- je technické zariadenie slúžiace k realizácii zmeny svojich elektrických parametrov
prostredníctvom fyzikálnych javov odohrávajúcich sa v pevnej látke.
Zmyslom premeny elektrických parametrov je buď riadenie toku elektrickej energie alebo spracovanie
elektrického signálu.
Elektrické súčiastky:
-
Signálové- spracovanie signálu
Výkonové
Signálové:
-
Analógové- spracovanie analógového signálu (signálový tranzistor), zosilňujúci účinok
Číslicové (diskrétne)- spracujú diskrétny signál
Číslicové:
-
Kombinačné NAND
Sekvenčné (klopné obvody) čítače, mikroprocesory. Vyžadujú hodinové impulzy (clock)
Výkonové súčiastky sú určené na riadenie toku výkonu!!!
Najsledovanejší parameter vo výkonových systémoch je účinnosť!
Výkonové polovodičové súčiastky
Podľa princípu činnosti:
-
Unipolárne (jeden druh nosičov)
Bipolárne (dva druhy nosičov)
Usporiadanie štruktúry:
-
Jednovrstvové (zvodiče prepätia)
Dvojvrstvové (polovodičové diódy)
Trojvrstvové (tranzistory)
Štvorvrstvové (tyristory)
Viacvrstvové (kombinované štruktúry (Triak...))
Podľa riaditeľnosti:
-
Neriadené
Poloriadené (dióda)
Riadené
Dióda: je polovodičová súčiastka s nelineárnou VACH. Má odlišné vlastnosti závislé ne smere toku
štruktúrou, malý odpor v prvom smere (priepustný smer), veľký v druhom (zaverný smer).
Poloriadené súčiastky- sme schopný uviezť do vodivostného stavu prostredníctvom hradla. Vypnutie sa deje
zmenou smeru prúdu v obvode (zánik prúdu)(Tyristor SCR)
Riadené súčiastky- plne môžeme kontrolovať ich stav prostredníctvom hradlového signálu (zapnutie,
vypnutie).
Riadené súčiastky:
-
Tranzistorové štruktúry
Vypínateľné tyristory (GTO)
ďalšie (výkonové IO)
Základy fyziky polovodičov
Základné polovodičové materiály- rozdelenie a charakteristika
Polovodičové materiály
Anorganické- prvky zlúčeniny organické
Organické:
- polyméry s luminiscenčnými vlastnosťami
Amorfné:
- chalkogénne sklá
- zliatiny As, Se, Te, Ge
Polykryštalické:
- prvky Se
- zlúčeniny CuO
Monokryštalické:
- prvky Si, Ge
- zlúčeniny Ga As
SiC- karbid kremíka 400oC
Technológia výroby polovodičov
Monokryštál – čistenie – rezanie – výroba čipov – výroba polovodičových kryštálov
1. Krok- ťahanie monokryštálu Si
2. Krok- čistenie monokryštálu Si (Czochralského metóda)
Monokryštál preťahujeme dutinou cievky, ohrev
3. Krok- rezanie (krájanie na plátky- kremíkový INGOT)
4. Krok- výroba čipov- pretiahnutie hrabličkami
Technológie:
-
zliatinová
planárna
planarne epitaxná
Technológia hrubých a tenkých vrstiev
Iónová implementácia
Difúzia
Upevnenie na medenú dosku.
Vytvorenie kontakt. spojov
5. Krok- púzdrenie- zaliatie do odolnej živice(epoxidový materiál)
Pásová teória materiálov- typu polovodič
Párové diagramy- diagram ukazuje veľkosť energie, vodorovnou osou je súradnica časti kryštálu kde sa
materiál nachádza, zvislá os je energia v eV ide o energiu elektrónov.
Poznáme tri typy látok: izolanty, polovodiče a vodiče
Atómy- interakcia s okolitými atómami.
Interakcia väzbová- e- sa zúčastňuje na vytvorení Kovalentnej väzby
Voľná interakcia- e- sa stáva voľným(neviazaným), jeho pohyb usmerňuje vonkajšie(vnútorné) elektrické
pole. e- je na pospas vonkajších vplyvov.
široký zakázaný pás >3eV
pás <3eV, Si=1,7eV, Ge=0,9eV
kovová väzba elektrónový plyn
Fermiho energia 50% pri teplote absolútnej nuly.
SiC, diamant- výskum 6,8eV a 9eV
Rozdelenie polovodičov podľa elektrických vlastností:
-
Vlastné (intrinzické) polovodiče (ni=1,5.1010cm-3)- pri zahriatí začnú viezť elektrický prúd
Nevlastné (dotované) polovodiče (n=1011 - 1018cm-3)dotácia prvkami inej skupiny
Degradované polovodiče (nd>2,5.1019cm-3), veľa prímesí, výroba ohmických priechodov kov –
polovodič
Polovodič typu P- 1e- chýba (diera vznikne) nosič s kladným nábojom
Diera- chýbajúci e- (prvky 3.skupiny)
Polovodič typu N- 1e- je najviac nemá sa kde zväzbiť. Voľný elektrón vedie elektrický prúd aj keď nie je
zväzbený.(5.skupina)
Transportné javy v polovodičoch
Celková prúdová hustota: =
+
Mechanizmy nosičov náboja v polovodičoch:
1. difúzna- vyvolaný rozdielnou koncentráciou nosičov náboja v kryštáli. (prechod nosičov náboja z miesta
z vyššou koncentráciou do miesta z nižšou koncentráciou)
2. drift
Difúzia- pohyb nosičov vplyvom koncentrácie spádu
= .
−
−
− á
−
ℎ
á
á
í
í
´
č
š ý ℎ
š ý ℎ
Pohyblivosť nosičov náboja:
á
č
č
á
á
= .
)
= 495.
=
ť
ť
éℎ
1.Fickov zákon:
− −
−
ú
á
š
.
(
(
= 1360.
− ℎ
̅− ý ℎ
−
.
.
ó
.
)
,
300
,
300
̅
ľ
=− .
Drift. pohyb nosičov náboja- vplyvom elektrického poľa tzn. Ide o silu, ktorou pôsobí dané elektrické pole
na náboj (Coulombovské sily)
Obidve zložky driftová a difúzna (zložka vo vodiči neexistuje) sa uplatňujú len v polovodičoch.
Vodič- koncentrácia je tak vysoká, že nemôže vzniknúť koncový spád.
Dierová zložka v každom polovodiči.
Driftové zložky:
= .
= .
.
.
.
.
Difúzne zložky:
=− . = .
= . =− .
Einsteinove rovnice:
Celková prúdová hustota:
=
kde:
+
= .
= .
Rovnice kontinuity:
ž −
− č
č
(
+ .
.
)
.
+
.
.
+ .
+
.
(
.
(
( )
=
( )
−
1
+ .
( )
=
−
1
− .
( )
( )
Jednorozmerný tvar:
č á
č á
ž
.
)
.
.
=
(
.
.
=
−
−
.
( )
=
( )
−
=
−
( )
č
č
á
á
)
)
1 ( )
+ .
( )
,
1 ( )
− .
( )
é
á
č
ú
−
č
á
Injekcia- z cudzej vrstvy vstrekneme nosiče náboja
Doba životnosti náboja (life time)- čím menšia doba tým lepšia súčiastka (ovplyvňuje dynamické vlastnosti
súčiastok)
Rekombinačné zložky:
=
−
−
=
Zníženie doby životnosti:
1. Vytvorenie umelých porúch v kryštalickej mriežke- realizácia beta žiarenie
2. Vytvorenie záchytných rekombinačných centier.
Druhá metóda je iónová implementácia.
-
Do polovodičovej štruktúry dáme prvky zlata a platiny, ktoré vytvoria rekombinačné centrá.
Nedochádza k poškodeniu kryštalickej mriežky => nezvyšuje sa úbytok na polovodićovom materiály
Úbytok úmerný počtu porúch
-
Ambipolárna difúzia:
pp=pn
Nosiče náboja prenikajú z prvej vrstvy do druhej
−
−
-
-
á
á
ú
š
ℎ
+
+
=
=
ť
−
+
Počet injektovaných nosičov náboja je vyšší ako počet prímesových nosičov
Nízka úroveň injekcie.
Ambipolárna difúzia- charakteristická tým, že koncentrácia dier a e- sú približne rovnaké
Nemusíme separovať zvlášť zložku dierovú a zložku elektrónovú
Ambipolárna difúzna rovnica:
=−
( )
.
( )
−
( )
č á
ž
ú
í
−
š ý ℎ
+
č
.
á
( )
( )
=
kde:
PN priechod a jeho VACH.
=
. (
(0)
.
ú
ĺž
)
PN prechod- vzniká spojením dvoch nevlastných polovodičov charakterizovanými rôznymi prímesovými
atómami. Pod technickým spojením rozumieme aplikáciu už uvedených technológií.
Pre obidva polovodiče (pred spojením)- boli obidva elektricky neutrálne.
Voľné nosiče náboja- elektróny diery
1. Veľký koncový spád dier a e- na PN priechode mal za následok vznik dif. pohybu
2. Dôsledkom pohybu došlo k porušeniu elektroneutrality, ktorá existovala medzi dierami a akcept.
atómami, a e- a donor. atómami.
Priestorový náboj vznikol dôsledkom porušenia koncentrácie.
3. Existencia nábojového dipólu vytvoreného donorovými a akceptorovými atómami má za následok
vznik vnútorného elektrického poľa v polovodiči.
Metalurgické rozhranie PN priechodu- miesto styku dvoch vrstiev.
Udif=0,5-0,8V
Vplyvom vnútorného elektrického poľa sa začne uplatňovať driftový mechanizmus pohybu nosičov náboja,
ktorý pôsobí opačným smerom ako mechanizmus difúzny.
Objekt driftového pohybu e- a diery.
4. V určitom krátkom čase po vyhotovení PN priechodu dôjde k vyrovnaniu difúznej a driftovej zložky
prúdu následkom čoho sa PN priechod dostane do režimu termo-dynamickej rovnováhy.
Termodynamická rovnováha je charakterizovaná priebehom koncentrácií nábojového dipólu.
Výsledkom toho je situácia, pri ktorej v PN priechode vzniká potencionálna bariéra- brána (v prípade
koncového vonkajšieho elektrického poľa)prechodu nosičov náboja cez PN priechod.
Na oblasť priestorového náboja má vplyv vonkajšie elektrické pole- pre nulové elektrické pole ak začne
pôsobiť vonkajšie napätie.
Shockleyho rovnica
Dif. rovnice pre PN priechod:
−
=−
Riešenie pre stacionárny stav t→∞
−
=
=
.
−
=
=
.
,
−
á
−
š
−
( )
, −
ú
ĺž
ó
Koncentrácie sú exponenciálne rozložené
=
kde:
=
−
=−
2 . .
. (1 −
)
.
−
=
Shockleyho rovnica VACH. PN prechodu
−
−
−
−
− á
−
á
ä
č ý
−
š
( )
ú
čú
=
š
á
ý
ℎ
.
.
.
−
+
.
. .
+
.
+
.
.
.
.
−1
.
−1
−1
č á
ú
áℎ
−1
ℎ
ä í,
é
á
.
=
=
Strmý PN priechod- mikrovlnné súčiastky
2 . . .
. (1 − )
=
.
a- strmý
n=1
b- pozvoľný
n=(1-2)
c- PIN PN priechod n=2
Porovnanie reálnej a teoretickej charakteristiky
V blízkosti kolena tečie prúd I
Výšší úbytok spôsobený úbytkom mimopriechodovej štruktúry
Nárazová ionizácia- pri ktorej vplyvom zrážok minoritných nosičov náboja do akejkoľvek výšky dochádza
nárast hodnoty záverného prúdu v porovnaní s teoretickou VACH.
-
Úbytok v mimopriechodových oblastiach štruktúry
V závernej časti- nárazová ionizácia
Vznik generačných a rekombinačných javov v priestore PN priechodu
povrchové javy a vznik prechodových odporov a prúdov do vrstiev s obvod. štruktúrov.
Výkonové diódové štruktúry
Realizácia vývodov polovodičovej súčiastky
Vznik Schotkyho priechodu PN
pnp=1015-1019cm-3
- technologické spojenie kovu a polovodiča
P>1019-23cm-3
Tenká doštička PN priechod
štandardný postup ošetrenia polovodiča.
Vrstvička degenerovaného polovodiča je veľmi tenká- štandardná technológia pre všetky výkonové
súčiastky.
Výkonová polovodičová dióda v PN a PIN usporiadaní:
-
Výkonové aplikácie používame PIN štruktúry
PIN- intrinzická vrstva čistý polovodič o hrúbke W
Význam použitia intrinzickej vrstvy: intrinzická vrstva ma vyššiu odolnosť pri zachovaní malých
geometrických rozmerov kryštálu.
UR(BR)2> UR(BR)1
(2)- zmena úbytku
Injektovanie e- a dier =>zaplavenie vrstvy nosičov
Intrinzický polovodič(Znáša naäťové namáhanie)- v základnom stave nemá nosiče náboja- chová sa ako
izolant.
Charakter intrinzického nosiča sa mení injekciou nosičov náboja.
Záplava nosičov náboja =>zmena odporu o 8 rádov a chová sa ako kov.
(Prierazové napätie) Uk(BR)=konšt.
PIN dióda pre pracovný režim záverné namáhanie
Pásová schéma PN priechodu pri kladne polarizovanom vonkajšom napätí
Usporiadanie štruktúry PIN diódy
Statické (ustálený stav elektrického obvodu) a dynamické vlastnosti PIN diódy.
IV=f(UV)
iFmax(AV)- maximálna stredná hodnota priepustného prúdu
1.oblasť- Priepustná časť statickej VACH
maximálny prúd, malý ubytok, statické parametre diódy
RD- odpor diferenciálny
=
2.oblasť- záverná pracovná oblasť
URWM- maximálne pracovné napätie
URRM- maximálne opakovateľné namáhanie
URSM- maximálne neopakovateľné namáhanie
URBR- napätie prierazné- prieraz
URRM- maximálne napätie ktoré sa môže na súčiastke objavi´t počas jej pracovného intervalu činnosti
URSM- maximálne podľa počtu priebehu (od 10 do 100 periód)
URBR- je to napätie pri ktorom dôjde k lavínovému javu
Tepelný prieraz je nebezpečné tavenie materiálu.
3.oblasť- lavínový prieraz
Dynamické časové priebehy napätí a prúdov v dynamických režimoch
Poznáme dva typy dynamických zmien
Zapínací proces- napätie na dióde klesá zo záporných hodnôt do kladných a prúd narastá.
0- tranzistor sa vypne
Tranzistor stratí vodivosť- nastane vrchol napätia
Napäťová špica- - jav vodivostnej modulácie, odohráva sa v intrinzickej vrstve PIN diódy.
Pomalý nárast- zvyšuje a koncentrácia nosičov náboja v intrinzickej vrstve a narastá prúd.
Nárast koncentrácie na krajoch, pomaly rastie v strede
UFP=7-20V(v praxi)
t1- doba čela
t2- doba tyla
Počas zapínacieho procesu v štruktúre rastú straty ako v ustálenom stave.
Počas doby t4 prúd diódou tečie v závernom smere pričom dochádza k lim. poklesu prúdu na hodnotu IRM.
Vodivosti v závernom smere- nahromaždené nosiče náboja v intrinzickej vrstve interval t 4- odsávanie
(znižovanie koncentrácie intrinzickej oblasti)
Po uplynutí t4 klesne v určitom mieste intrinzickej oblasti koncentrácia nosičov náboja na nulu v dôsledku
čoho v danom mieste vznikne nábojový dipól (zóna priestorového náboja).
V okamihu vzniku priestorového náboja- na súčiastke záverné napätie.
Prechodový dej parazitné indukčnosti a kapacita.
t5- dochádza k postupnému poklesu, prúd štruktúrou exponenciálne klesá na hodnotu ustáleného záverného
prúdu.
Zbytkové nosiče náboja- dôvod pretrvania exponenciálneho poklesu prúdu
t5-(udáva výrobca v katalógu) – je najdlhší- veľký stratový výkon- straty súčiastky.
Posúdenie dynamických vlastností diód => doba záverného zotavenia t rr (µs)(udávané v katalógových
listoch).čím vyššia frekvencia tým je kratšia doba zotavenia
Bežná PIN dióda radovo jednotky µs.
Dynamické účinky nám určujú pre aké frekvencie sa môžu použiť!
100vky Hz –spínanie.
Stratový výkon je pri závernom zotavení dôležitý
Špeciálne typy diód
Diódy pre vysoké frekvencie:
-
rýchla dióda FRED – PIN štruktúra
Dióda s mäkkou komutáciou- FSRD- PN štruktúra
Frekvenčná dióda
FRED- vysokonapäťové aplikácie.
-
skrátená doba životnosti nosičov náboja v intrinzickej oblasti
Dvojaká technológia:
-
beta radiácia- beta žiarenie- ožarovanie monokryštálu
dôsledok: vznik porúch v kryštalickej mriežke predstavuje záchytné rekombinačné centrá. Ich
existencia spôsobuje, že ich proces rekombinácie prebieha podstatne rýchlejšie.
Poruchy v kryštalickej mriežke majú za následok zväčšenie úbytku na súčiastke čo má za následok
negatívny jav zvýšenia úbytku v priepustnom smere.
-
metóda iónovej implementácie- ióny zlata alebo platiny
Záchytné rekombinačné centrá predstavujú atómy zlata alebo platiny, čo vyvolá podobný pokles
doby života a však pri menšom narušení kryštalickej mriežky polovodiča.
Úbytok v priepustnom smere narastá ale je menší ako pri beta žiarení.
FRED- zrútenie exponenciálnej časti závernej doby.
Komutačný náboj- sumárny náboj všetkých nosičov náboja.
FRED- ostro „komutuje“- proces zániku prúdu je rýchly. Obrovské komutačné prepätia!
=
( )
FSRD- IRM< ako pri PIN štruktúre. menší úbytok v priepustnom smere 1,2V.
Musíme odsávať náboj z intrinzickej vrstvy.
Nižšie napäťové hladiny do 800V
Diódy z lavínovým a tunelovým javom:
-
lavínová usmerňovacia dióda (ARD)
BOD
Zenerova dióda (ZD)
ARD- klasická dióda s PIN štruktúrou, vyznačuje sa tým, že jej že jej jednotlivé vrstvy sú planparalelné
(rovnobežné usporiadanie, hlavne sa používa v optike).
Lavínový záverný prúd až do 1A.
BOD- napäťové ochrany, elektrické storje.
Tyristorová štruktúra spínaná vonkajším napätím.
Zenerova dióda (ZD)- tenký PN priechod, vysoko dotované oblasti P a N, prechod je veľmi strmý.
Esakiho tunelová dióda (ETD)-
Tunelová dióda ETD je podobná ako zenerova dióda ZD.
Má inú VACH.
V priepustnej časti- tunelový jav- (oblasť záporného dif. prúdu) , pri dosiahnutí určitého prúdu úbytok rastie
prúd klesá.
Prúdový stabilizátor- obmedzenie prúdu.
Surpressove diódy- SIL diódy – Transil (100vky voltov)- zenerove diódy môžu byť ako Ultratransily a ako
Bitrensily (veľké napätia, malé prúdy).
Absorpčná schopnosť- energia v mJ, ktorú je schopný transil pohltiť.
Používajú sa ako najmenšie prepäťové ochrany.
Schottkyho dióda(SD):
-
v obvodoch z nízkym napätím
usmerňovací účinok kov (náhrada v polovod. P) – polovodič (typ N)
Podmienka vzniku je dotácia polovodič , ktorá musí byť tak vysoká aby išlo o nevlastný typ polovodiča.
Typická dotácia 1017.
V prípade, že spojíme kov s degenerovaným polovodičom (kde je rastúci obsah prímesí), nevznikne
Shottkyho priechod ale klasický priechod, ktorý nemá usmerňovací účinok.
V takto usporiadaných štruktúrach vznikne v polovodičovom materiáli- oblasť priestorového náboja.
-
dôvodom je prechod e- do kovovej vrstvy.
Dôvodom je vytvorenie potenciálovej bariéry, podobnú má PN priechod.
Dve základné veci:
1. úbytok priechodu kov - polovodič bude menší ako na PN priechode.
2. pri závernom namáhaní vydrží štruktúra kov – polovodič podstatne menej ako štruktúra PN
Uplatnenie- 2. úbytok v priepustnom smere je podstatne menší s úbytkom na dióde s PN priechodom.
VF aplikácie f=250 – 300Hz
30V záverné napätie.
Shottkyho dióda- lepšie dynamické vlastnosti ako dióda s priechodom PIN a PN.
Dióda sa chová v závernej oblasti ako kapacitor s vysokou kapacitou, VF aplikácie, komutačný náboj je
minimálny.
Horúce elektróny- e- s vysokou energiou, ktorá vo vodivom stave prechodu kov – polovodič, prenikajú
z oblasti N do kovu a a tam vo veľmi krátkom čase zanikajú.
Doba života 10-10 – 10-14s => jav záverného zotavenia nevznikne.
Normálne nosiče → 10-8.
Diódy s fotónovými interakciami:
Fotodióda:
-
fotoemisná
elektroluminiscenčná dióda (generuje svetlo)
Fotovoltaický článok- moderný zdroj elektrickej energie, vyššia účinnosť
Laserom riadená PIN dióda(LA_PIN)- je výkonová dióda PIN s intrinzickou slabo dotovanou vrstvou N-,
ktorej ožiarením laserovým lúčom dochádza k vytvoreniu vodivej polovodičovej plazmy v tuhej fáze a tým
aj k zopnutiu diódy.
Efekt sa prejavuje- pracuje v závernej oblasti, štruktúry netečie prúd, prostredníctvom impulzu do štruktúryschopný uviezť diódu do vodivostného stavu.
Výhoda optické riadenie.
Tranzistorové štruktúry
1. Výkonový bipolárny tranzistor (PBJT)
Usporiadanie štruktúry a princíp činnosti:
Prvá súčiastka, demonštrácia zosilnenia.
Základom PBJT tranzistora je signálový tranzistor.
PNP tranzistor sa vo výkonovej elektronike nepoužíva.
Dôvody:
1. technológia
2. dynamické vlastnosti
Výkonový tranzistor má 4 vrstvy- vznikne rozdelením kolektora na dve časti.
Dotácia N+ a intrinzická oblasť N-.
Zmysle je dosiahnutie vyššej prúdovej odolnosti štruktúry.
Podmienky vzniku:
1. E vysoko dotovaný cca 1019 cm3 (prímesové atómy)
2. B tenká hrúbka bázovej vrstvy musí byť menšia ako stredná voľná dráha (difúzna dĺžka) jej
minoritných nosičov.
Tri krát väčšia pohyblivosť elektrónov ako dier.
Podstata tranzistorového javu:
=
NP- priechod napätie, tenký priechod.
Tranzistor nemá rád opačnú polaritu napätia.
Ucc- vytvára veľmi silné elektrické pole
Bázový prúd vyvolá tok emitorového prúdu Ic>>IB
Malým prúdom tečúcim do bázovej vrstvy vyvoláme a riadime podstatne väčší prúd tečúci v obvode C-E.
pomer medzi týmto prúdom
β- prúdový zosilňovací činiteľ
=
Operačné oblasti a statické charakteristiky PBJT
Uzavretá štruktúra:
-
-
počas uvedeného režimu tranzistorom netečie prúd a celé napätie je sústredené na prechode C-B
IB≤0
Tranzistor sa chová (môže nahradiť) ako záverne polarizovaná PIN dióda
V prípade ak zapojíme zdroj UBB (B-E) v opačnej polarite môžeme štruktúru uviezť do lavínového
režimu pri, ktorom sa na tranzistore objaví oblasť záporného diferenciálneho odporu.
pri zápornom IB môžeme dosiahnuť maximálnu hodnotu blokovacieho napätia, ktorú označujeme
BVCBO, jej hodnota môže byť 1,4 násobok BVSUR.
Aktívna oblasť statickej charakteristiky:
-
J1 má v priepustnom stave => J2 v závernom
V tejto pracovnej oblasti sa uplatňuje tranzistorový jav tz. štruktúra má najväčší zosilňovací činiteľ.
>
+ 0,7
Ak U a Rυ klesá a klesne na hodnotu dif. napätia priechod J2 => tranzistor do kvázisaturačnej oblasti.
-
-
pri kvázisaturačnej oblasti sa otvoril priechod J2- v intrinzickej vrstve je malé množstvo nosičov
náboja.
Menovitý stupeň zaplnenia- tvrdá saturácia.
Prax – tranzistor aby bol na hranici tvrdej saturácie
Extrémne zvýšenie bázového prúdu-=> môžeme preťažiť PN priechod J1- hlboká saturácia
Nie je to ekonomické.
Dynamické vlastnosti štruktúry:
V kolektore tranzistora je indukčnosť L- nadimenzovaná- I vyhovuje malé zvlnenie.
Kolísanie menej ako 10%.
Prúd má stúpajúci charakter v okamihu zopnutého spínača.
Vypínací proces PBJT sa začne v okamihu nula keď Uvýst GHI prejde zo záporných hodnôt do kladných.
Vplyvom polarity, záverne polarizovaného priechodu J1 dôjde k postupu nárastu UBE so zápornej hodnoty na
kladnú.
Vlastné otvorenie štruktúry nastane vtedy, keď UBE dosiahne hodnotu UBE(on) (dif. napätie priechodu J1)
Nárast IC je priaznivý. Okamih nárastu prúdu ovplyvňujú aj parametre diódy.
Po uplynutí tri (doba nárastu) => dΦ stratí hodnotu, a nastane interval poklesu Ic tranzistora, ktorý
rozdeľujeme na dva intervaly.
Prudký pokles prúdu počas ttv1 – čo je dané činnosťou tranzistora v aktívnej oblasti.
Pokles napätia je veľmi rýchly.
Tranzistor v kvázisaturácii- sa spomalí pokles napätia čo je dané znížením h21e alebo β.
Po uplynutí ttv2 sa štruktúra dostane na hranicu kvázisaturácie.
Doba td(on) – doba nabíjania J1
Doba nárastu prúdu- medzi T1 a DΦ
Vypnutie štruktúry:
Vypínací proces má 4 intervaly:
-
ts
trv1+ trv2 (nárast IC)
tf1 (pokles IC)
Začiatok vypínacieho procesu je v okamihu začatia IB
Vyvoláme pokles prúdu- pokles nosičov náboja PN priechodu- tranzistor sa otvára
ts- doba prieťahu nosičov náboja
Po uplynutí ts dochádza k vyčisteniu náboja z bázovej vrstvy(kolektor čiastočné zníženie).
Doba činnosti tranzistora v saturačnej oblasti trvá pod dobu trv1
Úbytok na kolektore rastie, prúd tranzistorom ostáva na pôvodnej hodnote. Dióda ešte nemôže viezť.
Po uplynutí trv1 → prejde do aktívnej oblasti- zvýšenie strmosti nárastu IC.
V tejto oblasti je počas trv2 (nabíjanie bariér, kapacita na priechode J2(C-B) )
Po uplynutí trv2- tranzistor stále v aktívnej oblasti
Zánik IC nastane až v tf1.
Počas tohto intervalu dôjde k likvidácii nábojov, ktoré ostali v štruktúre.
Definitívne uzavretie priechodu B-E => UBE prechádza do aktívnych hodnôt.
Pokles aby sme zabezpečili rovnomernú likvidáciu náboja v štruktúre.
Predčasné uzavretie bázovej vrstvy a štruktúry tranzistora by sa čistila od nosičov náboja pomalšie =>
predĺženie tfi => vznik prúdového chvostu.
Zaťažovanie PBJT tranzistora
-
namáhanie U a I aby nedošlo k porušeniu štruktúry.
Osi sú v log. delení
Úsek “a“ ohraničený maximálnym prúdom, rovnaký pre všetky typy namáhaní.
Odlúpnutie metalizácie – Fatal error
Úsek “b“ ohraničenie maximálnym stratovým výkonom
=
.
.
=
š.
Hyperbola v logaritmických osiach prejde na priamku.
Úsek “c“ hranica obmedzenia vzniku druhého prierazu.
Ide o častý povrchový mechanizmus bipolárneho tranzistora, ktorého príčina vzniku je daná usporiadaním
štruktúry tranzistora.
Táto geometria nám po zapínaní a vypínaní tranzistora zapríčiňuje nerovnomerné rozloženie bázového
prúdu a IE na emitorovom priechode.
v určitom mieste môže vzniknúť koncentrácia prúdočiar, ktorá je fokusácia do jedného bodu (fokusácia
emitorového prúdu)
Vplyvom fokusácie emitorového prúdu vznikne v báze priečne elektrické pole- toto pole spôsobí lavínový
prieraz priechodu C-B, ktorý sa navonok prejaví znížením UCE na určitú hodnotu.
-
tento lavínový prieraz z určitosťou prerastie v tepelný prieraz, čo spôsobí zničenie štruktúry.
Na rozdiel od tepelného prierazu B môže druhý prieraz nastať aj pri nízkych teplotách púzdra, nakoľko pri
ňom dôjde len k lokálnemu poškodeniu štruktúry.
Zabránenie druhému prierazu: výroba z ohľadom na geometrickú štruktúru (vzdialenosť E od C priechodu).
Spínanie indukčnej záťaže- odpísanie tranzistora.
Úsek “d“ hranica napäťového prvého prierazu (dá sa zachytiť)
Paralelné radenie a eliminácia tepelnej nestability
mäkké budenie
Dovolené parametre:
-
prúdový zosilňovací činiteľ β=f(IC)
-
saturačné napätie
zhoda statickej charakter.
Pasívne opatrenie:
1. radenie tranzistorov
2. vytvorenie čo najtesnejšej tepelnej väzby.
Toto opatrenie realizujeme tak, že tranzistory zmontujeme čo najbližšie pričom dbáme na to aby tepelné
odpory medzi ich púzdrami boli čo najmenšie (rovnaké teploty).
Komutatívny posun pracovného bodu tranzistora:
pričom je záporný tepelný súčiniteľ B-E
α<Φ
(α1) > (α2)
=
=
=
. (1 +
)
−
−
Vznikne mechanizmus “SV“ ktorý spôsobí. že v priebehu krátkeho času T1 prevezme celý prúd I a v T2
klesne na nulovú hodnotu.
Doba trvania intervalu je veľmi krátka, uplatní sa kapacita polovodičovej štruktúry.
Musíme použiť aktívne opatrenia:
-
mäkké budenie, individuálne zapojenie rezistorov do bázy každého tranzistora.
Na RB sa vytvorí úbytok, ktorý obmedzí nárast IB a zabráni vzniku “+SV“ emitorová “SVk“
Mäkké budenie- emitor “SV“- kombinácia
Individuálne budenie tranzistora z prúdového zdroja (zdroj konštantného prúdu, ktorého veľkosť sa nemení)
Darlingtonove zapojenie:
Redukovanie vstupných impulzov.
Budičov tranzistorov
Delič zlepší tepelnú stabilizáciu.
V súčasnosti sa nevyrába.
„n“ stupňové moduly- vyššie hladiny výkonu
DO- spätná dióda nutná v striedačových štruktúrach.
D1- urýchľuje vypínací proces
Výkonový unipolárny tranzistor
30roky- patentovanie princíp riadenia vodivosti
Shockley- prvá elektrickým poľom riadená štruktúra.
Unipolárne štruktúry- transport prúdu len nosiče náboja jednej polarity.
1978 – Yamaha(VMOS) a Siemens(SIP-MOS, D-MOS)
P-MOS – výkonový unipolárny tranzistor
Všetky sú s kanálom typu N- oboha. typ
G- Gate- B
D- Drain- C
S- Source- E
Vznik NPN!
nie je dobré, náchylný na druhý prieraz, skrat E-B => vznik diódy.
Statické charakteristiky:
UCH- úbytok vodivostného kanála, závisí od UGS
RDS(on)=RP+REPI
RP- odpor prívodou
REPI- závislý od hrúbky epitaxnej vrstvy N+
USCL- napätie oblasti priestorového náboja
(
)
= .
,
,
− čí
žší
ší
P - dotované vrstvy- injektovaním dier do driftovej oblasti znižujú odpor
+
(
)
(
)
I. oblasť ID=0
II. oblasť- oblasť saturácie do ktorej sa tranzistor dostane pri prekročení prahového napätia UT
UGS=UT(3,5-4)
Dynamické vlastnosti :
CGD- Millerova kapacita
CGS- kapacita vrstvy oxidu, ktorý separuje hradlo od ostrovčeka N+
CGD- vrstva priestorového náboja v oblasti N- ktorá sa nachádza pod hradlom.
CDS- napäťovo závislá, nemá vplyv na dynamické charakteristiky
Vnútorná náhradná schéma unipolárneho tranzistora.
Inicializáciu zapínacieho procesu uskutočníme kladným impulzom UGG ktorého hodnota UGH pri väčšine
MOS- tranzistorov sa rovná cez 15V .
1. interval- inicializačný- interval prieťahu
tD(on)- dochádza k nabíjaniu paralelnej kapacity CGD a CGS na hodnotu prahového napätia UT, vo výkonovom
obvode žiadne zmeny.
2. interval:
t1(on)- proces otvárania kanála- Millerov interval
Počas tohto intervalu sú najväčšie straty.
Keď UGS dosiahne hodnotu UT, rozbehne sa proces otvorenia vodivého kanálu, ktorý sa navonok prejaví
započatím poklesu UDS pri náraste I0.
V tomto intervale nastáva uplatnenie mechanizmu “-SV“ medzi I0 a UGD
Táto “SV“ je spôsobená Millerovou nelineárnou kapacitou a parazitnou indukčnosťou LS.
Následkom tohto dochádza k stabilizácii UGS ktoré sa počas druhého intervalu rovná UT.
3.interval- interval ukončenia zapínacieho procesu, pokračuje zapínanie CGD a CGS a však s väčšou časovou
konštantou ako interval tD(on).
Je to spôsobené tým, že vplyvom poklesu UDS dosiahla Millerova kapacita maximálnu hodnotu.
Vybíjanie kapacít CGD a CGS , v obvode C-E žiadne zmeny- štruktúrou tečie prúd
Millerov interval- nárast UDS vplyvom razantnej zmeny hodnoty Millerovej kapacity
Ukončenie, ak napätie dosiahne hodnotu:
=
+ 0,7
t2- interval charakterizovaný poklesom kolektorového prúdu a ďalším nárastom UDS spôsobeným úbytkom
na parazitných indukčnostiach.
V tomto intervale môže dôjsť k nedeštruktívnemu lavínovému prierazu, vnútornej diódovej štruktúry čo sa
prejaví limitáciou maximálnej hodnoty UDS.
Pokiaľ sa tento efekt neuskutoční napätie má klesajúcu tendenciu do ukončenia druhej fázy, podmienené
poklesom I0 na hodnotu nula.
Tlmené zákmity UDS- príčinou je rezonančný obvod tvorený parazitnou indukčnosťou k zníženiu s použitím
RCO člena zapojený podľa možnosti čo najbližšie k vývodom D a S.
Vypínací proces trvá dlhšie!!!
MOSFET- so spínacími frekvenciami do 1MHz
IGBT- usporiadanie a funkcia súčiastky
Logickým pokračovaním vývoja unipolárnej štruktúry je prvok IGBT
Vznikol technologickou operáciou- pridaním P+ vrstvy ku kolektoru.
Prvok na základe fyzikálnych mechanizmov rozdeliť na dva základné navzájom prepojené segmenty.
-
MOS štruktúra- predstavuje bázu pre vytvorenie druhej časti PBJT
v štruktúre → vznik parazitnej tyristorovej štruktúry- eliminácia je u výrobcu.
Inverzný režim činnosti:
Inverzný režim unipolárnej štruktúry vzniká pri opačnej polarite UDS, ak tranzistor budíme UGS>UT štruktúra
vedie.
Tento prúd sa uplatňuje do IW (pracovného prúdu).
Potom z dôvodu vyššieho úbytku na unipolárnej časti štruktúry začne viezť dióda.
Ak T budíme tak, že UGS=0 a UDS<0 tak VACH je identická s diódou bez prahového napätia.
Takýto prvok je možné využiť do plnej pracovnej frekvencie MOSFET-u, ktorá sa pohybuje do plnej
pracovnej frekvencie (100Hz-1MHz)
Dynamické vlastnosti IGBT sú horšie ako u MOS
100kHZ – MOSFET
20kHZ – IGBT
Spínacie frekvencie.
Zapínací proces 100 - 200µs- pomerne rýchly
t1(on)- doba prieťahu zapínacieho procesu UBE=UT
Vplyv bipolárneho segmentu je malý.
t2(on)- vplyv nárastu prúdu
t3(on)- Millerov interval- interval poklesu napätia
Vypínací proces: hradlové napätie klesne na malú zápornú hodnotu (-5V odsatie nosičov náboja), využíva sa
bipolárny segment.
t1(off)- len v unipolárnom segmente- interval prieťahu doby vypnutia
t2(off)- interval nárastu napätia
tfall→z t3+t4
t3(off)- definitívne uzatvorenie bipolárneho segmentu I=0A
t4(off)- fáza uzatvárania bipolárneho segmentu
Čistenie bázy- uplatnenie doby života náboja.
Pomalý pokles prúdu v t4 je spôsobený existenciou nosičov náboja v bipolárnej bázovej vrstve bipolárneho
segmentu, nemožnosťou ich odňatia prostredníctvom záporného IB.
Nosiče náboja preto zanikajú Rekombináciou (ukončením doby ich života).
t4>t3
skrátenie t4(off): bázovú vrstvu podrobíme beta radiácii
Použiť zlato a platinu a dať na štruktúru.
BIMOS
Tyristorové štruktúry
Štvorvrstvová bistabilná bipolárna polovodičová súčiastka určená pre spínanie vysokých prúdov pri
vysokých napätiach.
Súčiastka je schopná riadiť tok najväčších výkonov.
Rozdelenie:
-
poloriadené štruktúra GATT tyristor
plne riadené štruktúry GTO- vypínateľný tyristor, MCT, IGBT
Tyristor sme schopný pomocou Gate zapnúť!
V úplných riadených impulzom zapnúť aj vypnúť.
Pracovné režimy:
1. priepustný (ako dióda chýba koleno)
2. blokovací
3. záverný (ako dióda)
IL- prídržný prúd spínací- ide o minimálnu hodnotu prúdu v hlavnom obvode potrebnú na to aby tyristor po
zapnutí ostal vo vodivom stave aj po zániku riadiaceho prúdu z IG.
IK- prídržný prúd vratný- minimálny prúd potrebný na to aby sa štruktúra udržala v priepustnom stave tz. ide
o štruktúru ktorá vedie.
Použitá literatúra
Špánik P., Prednášky výkonová elektronika, Žilina 2008
Dobrucký, Ráček, Špánik, Gubric,: Výkonové polovodičové štruktúry, VDS, Žilina 1995
Download

Výkonová elektrotechnika