Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy (1)

Łukasz Starzak, Przyrządy półprzewodnikowe mocy, zima 2015/16 49

Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy (1)










Parametry przyrządów półprzewodnikowych

● Rodzaje danych fizyczne – odnoszące się do wewnętrznej struktury przyrządu

i występujących wewnątrz zjawisk techniczne – odnoszące się do przebiegów wielkości elektrycznych i innych

(np. temperatury) obserwowanych na końcówkach – jedyne przydatne dla projektanta układu

● Dane techniczne podawane są w kartach katalogowych dane znamionowe – zawierają wartości znamionowe, czyli wartości graniczne

warunków użytkowania – minimalne lub maksymalne wartości dopuszczalne (przekroczenie grozi uszkodzeniem przyrządu)

charakterystyki – wartości, które charakteryzują działanie przyrządu (pojedyncze wartości, lub zależności w postaci tabel lub wykresów)

● Warunki pracy – zależą od dane techniczne środowiskowe (otoczenia) – np. temperatura powietrza, parametry ścieżki

chłodzenia opisujące obwód elektryczny – wymuszenia napięciowe i prądowe (wartości,

parametry przebiegów czasowych)


Współczesne osiągi przyrządów mocy


Częstotliwość przełączania – moc przetwarzana


Część 3

Sterowanie i bezpieczna praca przyrządów półprzewodnikowych mocy


Sterowanie polowe z bramką izolowaną (MOS)

VDMOS – struktura asymetryczna

3‑końcówkowa; sterowanie G-S

tranzystor sygnałowy – struktura symetryczna

4‑końcówkowa; sterowanie G-B,

role D/S zamienne


Sterowanie napięciowo-ładunkowe

● Główny warunek załączenia UGS(on) > UGS(th) – napięcie

progowe bramka-źródło (1…5 V)● Pojemności pasożytnicze

(~10…1000 pF): liniowe: CGN, CGO, CCP, CGD(ox)

nieliniowe, zależne od napięcia (złączowe): CDS, CGD(sc)

● Dodatkowy warunek załączenia ∆QG > QG(on) – załączający

ładunek bramki (~1…100 nC) doprowadzenie ładunku wymaga

przepływu określonego prądu przez określony czas

C ox=Aε ox

t ox=const

C=∆Q∆U


Dodatkowe wymagania związane z przełączaniem

● Charakterystyka przejściowa ID = f(UGS)

UGS(on) > UGS(ID(on))

● Charakterystyka wyjściowa zakres, UDS(on) = f(ID, UGS)

UGS(on) ≈ UGS(opt)(ID(on))

● Wytrzymałość napięciowa układu bramka-podłoże

|UGS| ≤ UGS(max,rat)

● Wyłączanie: UGS(off)

drugorzędne, ale ma wpływ na: pewność wyłączenia szybkość wyłączania


Rezystancja w obwodzie bramki

● Wpływ na przełączanie zmiana czasu załączania i czasu

wyłączania dwie drogi do tego samego

wniosku:▶ stała czasowa obwodu

bramki

▶ prąd bramki

● Argumenty za skróceniem czasów przełączania

zmniejszenie energii wydzielanej podczas przełączania

możliwość zwiększenia częstotliwości przełączania ⇒

zmniejszenie wymiarów elementów biernych

● Kontrargument indukcja napięć na

indukcyjnościach pasożytniczych

zaburzenia zakłócające pracę▶ samego przyrządu▶ innych przyrządów▶ układu sterowania

u ind=LsdidtQ G=∫ i Gd t

i G=u g−u GS

R G

uGS=UGS(on) (1−e−t /τG)

τ G=RGC in


Rzeczywisty generator impulsów bramkowych

● Najczęstsze rozwiązania tranzystor lub para wzmacniacz operacyjny mikrokontroler / sterownik

logiczny (controller) dedykowany sterownik bramki

(gate driver)● Rola

poziom(y) napięcia▶ dopasowanie układu

logicznego do bramki tranzystora

wydajność/obciążalność prądowa▶ pozwalająca na przełączenie

tranzystora w pożądanym czasie


Sterownik bramki IR2117

● Wyjście VHO = VS

VHO = VB = VS+Ub

● Łącznik dolny VS = 0, Ub = UGG

najprostszy sterownik bramki


Droga prądu bramki

● Przepływ ładunku = prąd prąd płynie w obwodzie

zamkniętym, który należy dobrze zaplanować

w przeciwnym razie duży prąd popłynie nieprzewidywalnie

▶ może uszkodzić elementy▶ w obwodzie mogą

występować zaburzenia● Jak najmniejsza długość

i powierzchnia szybkość propagacji generacja zaburzeń przechwytywanie zaburzeń

● Brak odcinków wspólnych z obwodem mocy

inaczej przeniosą się zaburzenia

VHO = VB ; uGS → Ub

VHO = VS ; uGS → 0


Sterowanie tranzystorów BJTw układach impulsowych

● Wzmocnienie prądowe

βf – statyczne wzmocnienie prądowe przy pracy normalnej w układzie wspólnego emitera

● Praca w roli łącznika celem jest możliwość

przewodzenia prądu obciążenia przy niskim spadku potencjału (UCE) ⇒ jak największe IB

▶ nie uzyskanie konkretnego stosunku IC do IB

wartość IC jest narzucona z zewnątrz (np. przez odbiornik)

stąd częsta praca ze wzmocnieniem wymuszonym, tj. będącym konsekwencją IC i IB

I C=β f I B


Punkt pracy w stanie przewodzenia

● Zależność wzmocnienia od prądu kolektora

silna, nieliniowa, niemonotoniczna charakterystyka podawana dla UCE =

const, w zakresie aktywnym – stosunkowo duże UCE

wartość znamionowa to wartość maksymalna, a nie występująca dla prądu znamionowego

● Zakres nasycenia duża liczba nośników nadmiarowych niski spadek napięcia

▶ niska statyczna moc strat powolne wyłączanie

▶ wysoka dynamiczna moc strat▶ lepszy zakres quasi-nasycenia

BU1508DX, IC(rat) = 8 A, βf(nom) = 13


Układy sterowania

Zasilanie dwubiegunowe Zasilanie jednobiegunoweRealizacja źródła prądowego(zasilanie jednobiegunowe)


Obszar bezpiecznej pracy

● Definicja obszar na płaszczyźnie

charakterystyk statycznych obwodu głównego, w którego dowolnym miejscu może się bezpiecznie znajdować punkt pracy przyrządu, w określonych warunkach cieplnych

● Granice mogą wynikać z: bezpieczeństwa napięciowego

obwodu głównego bezpieczeństwa cieplnego

obwodu głównego● ale także:

ograniczeń obwodu sterowania ograniczeń obudowy

Tranzystor VDMOS, kierunek przewodzenia

1 – rezystancja w stanie załączenia2 – maksymalny dopuszczalny prąd impulsowy3a – maksymalny dopuszczalny prąd ciągły3 – maks. dopuszczalna moc strat dla pracy ciągłej3b – maks. dopuszczalna moc strat dla pracy impulsowej4 – przebicie cieplne5 – przebicie lawinowe


Przebicie cieplne

Prąd nośników generowanych cieplnie w obszarze ładunku przestrzennego złącza

Moc odprowadzanado otoczenia

Moc wydzielana w przyrządzie


Mikroskopowe mechanizmy i skutki przebicia cieplnego

● Przebicie cieplne zachodzi, gdy wystąpi niestabilność cieplna – dodatnie sprzężenie zwrotne powodujące samorzutne narastanie temperatury

● W obszarze ładunku przestrzennego generowane są termicznie pary h-e

● Niestabilność cieplna ma charakter lokalny – wywołuje ją nadmierna lokalna Tj ⇐ gęstość objętościowa mocy pV ⇐ gęstość prądu J

krytyczne są gorące punkty – w których T jest najwyższa σ jest wyższa, a więc ρ niższa ⇒ ściąganie prądu ⇒ J ↗ p ↗ T ↗ ni ↗ … przeciwdziałanie: zwiększenie przekroju, równomierny rozpływ prądu zwiększone niebezpieczeństwo w stanach dynamicznych

● Po pewnym czasie ni ≫ N (ND albo NA) ⇒ n ≈ p ≈ ni (a nie N i ni2/N)

półprzewodnik staje się samoistnym o dużej przewodności (mezoplazma) zlanie obszarów N/P uniemożliwia działanie przyrządów – zanikają złącza

● Ostatecznie uszkodzenie mechaniczne (pęknięcie, stopienie) wskutek T


Inicjacja przebicia cieplnego w przyrządach półprzewodnikowych mocy

● Tranzystor BJT z temperaturą rośnie prąd

nasycenia, prąd dyfuzyjny, czas życia nośników, wzmocnienie prądowe

pojedyncza struktura na całej pastylce krzemu – łatwo o nierównomierny rozpływ prądu

długie przełączanie – łatwo osiągnąć Tcrit

● Tranzystor MOSFET zalety: T ↗ ρ ↗; struktura

komórkowa; krótkie przełączanie występuje pasożytniczy BJT rozrzut UGS(th) komórek ⇒

nierównomierny rozpływ prądu T ↗ UGS(th) ↘ ⇒ J ↗ przebicie lawinowe nadmierne wydzielanie mocy


Prawo Fouriera przewodnictwa cieplnego

● W elektronice mocy konieczna jest analiza zjawisk cieplnych we wszystkich 4 stanach łącznika półprzewodnikowego wydzielana jest moc zbyt duża moc prowadzi do uszkodzenia przyrządu

● Postać ogólna i całkowa

● Materiał jednorodny

● Rezystancja cieplna – podstawowy parametr wykorzystywany w projektowaniu układów

q – gęstość strumienia cieplnego [W/m2]T – temperatura

k – przewodność cieplna [W/(m∙K)]

Q – ciepło [J]A – pole przekroju

U – konduktancja cieplna [W/K]

Rth – rezystancja cieplna [W/K]


Cieplny układ pracy i elektryczny obwód równoważny

analogpotencjału

analognatężenia prądu

analogrezystancji

analogprawa Ohma


Cieplny układ pracy z radiatorem


Zastosowanie radiatorów

● Mechanizmy chłodzenia (oddawania ciepła)

radiacja – promieniowanie podczerwone

konwekcja – makroskopowy ruch czynnika chłodzącego

▶ naturalna – grawitacyjna▶ wymuszona – wentylatory,

pompy● Rezystancja cieplna zależy od:

przewodności cieplnej materiału powierzchni i jej stosunku do

objętości emisyjności powierzchni rodzaju i prędkości przepływu

czynnika chłodzącego

● Montaż pasty termoprzewodzące

zmniejszają Rth(c-s)

podkładki elektroizolacyjne zwiększają Rth(c-s)

▶ ale konieczne, gdy radiator wspólny dla kilku przyrządów

▶ chyba że posiadają izolowane obudowy

● Chłodzenie przy montażu powierzchniowym

ścieżki drukowane dedykowane pole miedzi o dużej

powierzchni, do którego lutowane jest odpowiednie wyprowadzenie przyrządu


*

*

*

Powierzchnia chłodząca

● Metalowe powierzchnie kontaktu standardowo nie są izolowane elektrycznie można je łączyć tylko ze ściśle określonym potencjałem obwodu dotyczy również radiatorów wspólnych dla kilku przyrządów

*

*

*

*

*

TO-3, 204 TO-220, 247, 262 TO-92 DO-204(DO-35, 41)

dalej przez radiator

dalej przez miedź na płytce

* wyszczególnione wyprowadzenia

DIP

Mon

taż

prze

wle

kany

Mon

taż

pow

ierz

chni

owy TO-252, 263

(DPAK, D2PAK)

S ↗ Rth(j-a) ↘

DO-214,SOD, SOT

np.:

np.: SOIC, (T)(S)SOP, QFP, DFN, QFN

DIPExposed Pad

1206,1812


Wytrzymałość napięciowa

● W praktycznych przyrządach o wytrzymałości w zasadniczym kierunku blokowania decyduje przebicie lawinowe

skrośne może występować jednocześnie (PT PIN, PT IGBT) ⇒ zmniejsza napięcie przebicia lawinowego

● W kierunku zaporowym tranzystorów może decydować przebicie skrośne

zależnie od typu tranzystora

● Przebicie lawinowe/skrośne nie jest niszczące samo z siebie, ale:

● przyrząd przestaje blokować● płynie duży prąd (ograniczony

impedancją obwodu) ⇒ duża gęstość prądu

aktywacja sprzężenia elektro-termicznego ⇒ przebicie cieplne

uszkodzenie połączeń wewnątrz obudowy

● duży prąd przy wysokim U=Ubr ⇒ duża moc wydzielana ⇒ wysoka Tj

Tj > Tj(max) ⇒ przyrząd poza SOA Tj > Tj(crit) ⇒ przebicie cieplne


Napięcie przebicia

● Przyrządy bez wzmocnienia prądowego

● Przyrządy z mechanizmem tranzystora bipolarnego

mniejsza wytrzymałość napięciowa

większy prąd upływu● Wpływ temperatury na przebicie

lawinowe T ↗ Ubr ↗ ⇒ niekorzystna jest

praca w niskich temperaturach

● Napięcia przebicia BJT UCES(br) = UCBO(br) = UJ(br)

UCEO(br) < UJ(br)

stosowane częściowe zwarcie B-E opornikiem

▶ zwiększenie Ubr

UCEO(br) < UCER(br) < UCES(br)

▶ kosztem spadku βF

U br=U J(br)

U br=U J(br)(1−α F)1/κ ; κ≈ 5


Polaryzacja wsteczna

● BJT CEO: przebicie skrośne bazy (BE) CES: przewodzenie dla

|UCE| > UTO złącza PN− (CB)

● MOSFET przewodzenie dla |U| > UTO złącza

PN− (diody podłożowej)

● IGBT NPT: blokuje napięcie

porównywalne z kierunkiem przewodzenia

PT: niższe napięcie przebicia z powodu silnego domieszkowania warstwy buforowej

N+ N− N+E CP

B

N− N+S DP

G

N+

N− P+E CP

G

N+

N− P+E CP

G

N+

N+0 5 10 15 20 251E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3BJT CEOBJT CESMOSFET DSSIGBT-PT CESBJT+D CEOIGBT-PT+D CES

UR [V]

IR [

A]


Wykorzystanie parametrów znamionowych w doborze przyrządu

● Napięcie znamionowe stosowalne bezpośrednio zapas +50…100% na przepięcia

● Prąd znamionowy (ciągły) zależy od warunków chłodzenia jest pochodną mocy

dopuszczalnej zwykle Tc(nom) = 25 °C – warunki

nierealistyczne (idealne chłodzenie obudowy, Rth(c-a)=0)

może służyć wyłącznie do zgrubnego doboru oraz porównywania przyrządów między sobą

● Prąd znamionowy szczytowy ograniczony przez sterowanie lub

doprowadzenia

P d(rat)=T j(max)−T c(nom)

R th(j-c)

ID(rat)=P D(rat)

UDS(on)(ID(rat))

● Wzór prawdziwy zawsze

Ta typowo 25 °C, rozsądniej 40 °C uproszczenie na czas wstępnego

poszukiwania przyrządu

dla krótkich impulsów, niskich częstotliwości Rth → Zth

P d(max)=T j(max)−T a

R th(j-a)

P d(max)=T j(max)−100 °C

R th(j-c)

Przegląd przyrządów półprzewodnikowych mocy (1)

Documents