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. Tieto účinky závisia od: Účinky elektrického prúdu na človeka. - veľkosti a druhu prúdu - odporu kladeného postihnutými tkanivami - cesty vstupu a dráha prúdu telom - trvanie kontaktu s elektrickým prúdom 1. 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. Fyzikálne zákony výkonových polovodičov (fyzika polovodičov) 2. Teória výkonových elektronických obvodov,(výkonové polovodičové meniče) 3. Konštrukcia výkonových polovodičových meničov 4. Regulácia a riadenie (Teória regulácie a riadenie VPS) 5. 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! Podľa princípu činnosti: - Unipolárne (jeden druh nosičov) - Bipolárne (dva druhy nosičov) Usporiadanie štruktúry: Výkonové polovodičové súčiastky - 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 Anorganické- prvky zlúčeniny organické Amorfné: - chalkogénne sklá - zliatiny As, Se, Te, Ge Polykryštalické: - prvky Se - zlúčeniny CuO Monokryštalické: - prvky Si, Ge - zlúčeniny Ga As SiC- karbid kremíka 400 o C Polovodičové materiály Organické: - polyméry s luminiscenčnými vlastnosťami 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 (n i =1,5.10 10 cm -3 )- pri zahriatí začnú viezť elektrický prúd - Nevlastné (dotované) polovodiče (n=10 11-10 18 cm -3 )dotácia prvkami inej skupiny - Degradované polovodiče (n d >2,5.10 19 cm -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 í š ý h č á ( ó ) á í š ý h č á ( ) á h č á Pohyblivosť nosičov náboja: = 1360. 300, = 495. 300, h ť ý h ť éh ľ = 1.Fickov zákon: =. ú š á 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: =... +.. ( ) ( ) ( ) = + 1. ( ) Jednorozmerný tvar: ( ) = 1. ( ) ( ) ( ) = + 1. ( ) ( ) ( ) = 1. ( ) ( ) č á ž č č á, é č ú č á ž č č á á 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: p p =p n Nosiče náboja prenikajú z prvej vrstvy do druhej á ú š = + + á 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 )
= (0). kde: =. ( ú ĺž ) PN priechod a jeho VACH. 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 = +.. = =.. 1. = =.. 1, á š ( ), ú ĺž ó Koncentrácie sú exponenciálne rozložené. =.. 1 kde: = 2...(1 č á ú á h ) = + Shockleyho rovnica VACH. PN prechodu. =... 1 č ý ú čú á ý h ä í, é á. á š š ( ) á ä h
= = 2....(1 ) =. Strmý PN priechod- mikrovlnné súčiastky 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=10 15-10 19 cm -3 - technologické spojenie kovu a polovodiča P>10 19-23 cm -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. U R(BR)2 > U R(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) U k(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.
I V =f(u V ) i Fmax(AV) - maximálna stredná hodnota priepustného prúdu 1.oblasť- Priepustná časť statickej VACH maximálny prúd, malý ubytok, statické parametre diódy R D - odpor diferenciálny = 2.oblasť- záverná pracovná oblasť U RWM - maximálne pracovné napätie U RRM - maximálne opakovateľné namáhanie U RSM - maximálne neopakovateľné namáhanie U RBR - napätie prierazné- prieraz U RRM - maximálne napätie ktoré sa môže na súčiastke objavi t počas jej pracovného intervalu činnosti U RSM - maximálne podľa počtu priebehu (od 10 do 100 periód) U RBR - 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 U FP =7-20V(v praxi) t 1 - doba čela t 2 - doba tyla Počas zapínacieho procesu v štruktúre rastú straty ako v ustálenom stave. Počas doby t 4 prúd diódou tečie v závernom smere pričom dochádza k lim. poklesu prúdu na hodnotu I RM. Vodivosti v závernom smere- nahromaždené nosiče náboja v intrinzickej vrstve interval t 4 - odsávanie (znižovanie koncentrácie intrinzickej oblasti) Po uplynutí t 4 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. t 5 - dochádza k postupnému poklesu, prúd štruktúrou exponenciálne klesá na hodnotu ustáleného záverného prúdu. Zbytkové nosiče náboja- dôvod pretrvania exponenciálneho poklesu prúdu t 5 -(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 Diódy pre vysoké frekvencie: Špeciálne typy diód - 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- I RM < 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 10 17. 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 10-14 s => 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 10 19 cm 3 (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.
U cc - vytvára veľmi silné elektrické pole Bázový prúd vyvolá tok emitorového prúdu I c >>I B 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 I B 0 Tranzistor sa chová (môže nahradiť) ako záverne polarizovaná PIN dióda V prípade ak zapojíme zdroj U BB (B-E) v opačnej polarite môžeme štruktúru uviezť do lavínového režimu pri, ktorom sa na tranzistore objaví oblasť záporného diferenciálneho odporu. - pri zápornom I B môžeme dosiahnuť maximálnu hodnotu blokovacieho napätia, ktorú označujeme BV CBO, jej hodnota môže byť 1,4 násobok BV SUR.
Aktívna oblasť statickej charakteristiky: - J 1 má v priepustnom stave => J 2 v závernom V tejto pracovnej oblasti sa uplatňuje tranzistorový jav tz. štruktúra má najväčší zosilňovací činiteľ. > + 0,7 Ak U a R υ klesá a klesne na hodnotu dif. napätia priechod J 2 => tranzistor do kvázisaturačnej oblasti. - pri kvázisaturačnej oblasti sa otvoril priechod J 2 - 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 J 1 - 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 U výst GHI prejde zo záporných hodnôt do kladných. Vplyvom polarity, záverne polarizovaného priechodu J 1 dôjde k postupu nárastu U BE so zápornej hodnoty na kladnú. Vlastné otvorenie štruktúry nastane vtedy, keď U BE dosiahne hodnotu U BE(on) (dif. napätie priechodu J 1 ) Nárast I C je priaznivý. Okamih nárastu prúdu ovplyvňujú aj parametre diódy. Po uplynutí t ri (doba nárastu) => dφ stratí hodnotu, a nastane interval poklesu I c tranzistora, ktorý rozdeľujeme na dva intervaly. Prudký pokles prúdu počas t tv1 čo je dané činnosťou tranzistora v aktívnej oblasti. Pokles napätia je veľmi rýchly. Tranzistor v kvázisaturácii- sa spomalí pokles napätia čo je dané znížením h 21e alebo β. Po uplynutí t tv2 sa štruktúra dostane na hranicu kvázisaturácie. Doba t d(on) doba nabíjania J 1 Doba nárastu prúdu- medzi T 1 a DΦ Vypnutie štruktúry: Vypínací proces má 4 intervaly: - t s - t rv1 + t rv2 (nárast I C ) - t f1 (pokles I C )
Začiatok vypínacieho procesu je v okamihu začatia I B Vyvoláme pokles prúdu- pokles nosičov náboja PN priechodu- tranzistor sa otvára t s - doba prieťahu nosičov náboja Po uplynutí t s dochádza k vyčisteniu náboja z bázovej vrstvy(kolektor čiastočné zníženie). Doba činnosti tranzistora v saturačnej oblasti trvá pod dobu t rv1 Úbytok na kolektore rastie, prúd tranzistorom ostáva na pôvodnej hodnote. Dióda ešte nemôže viezť. Po uplynutí t rv1 prejde do aktívnej oblasti- zvýšenie strmosti nárastu I C. V tejto oblasti je počas t rv2 (nabíjanie bariér, kapacita na priechode J 2 (C-B) ) Po uplynutí t rv2 - tranzistor stále v aktívnej oblasti Zánik I C nastane až v t f1. Počas tohto intervalu dôjde k likvidácii nábojov, ktoré ostali v štruktúre. Definitívne uzavretie priechodu B-E => U BE 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 t fi => 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 I E 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 U CE 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(i C )
- 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 (α 1 ) > (α 2 ) =. (1 + ) = = Vznikne mechanizmus SV ktorý spôsobí. že v priebehu krátkeho času T 1 prevezme celý prúd I a v T 2 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 R B sa vytvorí úbytok, ktorý obmedzí nárast I B a zabráni vzniku +SV emitorová SV k
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: U CH - úbytok vodivostného kanála, závisí od U GS R DS(on) =R P +R EPI R P - odpor prívodou R EPI - závislý od hrúbky epitaxnej vrstvy N + U SCL - napätie oblasti priestorového náboja,, ( ) =. ( ) čí žší ší P + - dotované vrstvy- injektovaním dier do driftovej oblasti znižujú odpor ( ) I. oblasť I D =0 II. oblasť- oblasť saturácie do ktorej sa tranzistor dostane pri prekročení prahového napätia U T
U GS =U T (3,5-4) Dynamické vlastnosti : C GD - Millerova kapacita
C GS - kapacita vrstvy oxidu, ktorý separuje hradlo od ostrovčeka N + C GD - vrstva priestorového náboja v oblasti N - ktorá sa nachádza pod hradlom. C DS - napäťovo závislá, nemá vplyv na dynamické charakteristiky Vnútorná náhradná schéma unipolárneho tranzistora. Inicializáciu zapínacieho procesu uskutočníme kladným impulzom U GG ktorého hodnota U GH pri väčšine MOS- tranzistorov sa rovná cez 15V.
1. interval- inicializačný- interval prieťahu t D(on) - dochádza k nabíjaniu paralelnej kapacity C GD a C GS na hodnotu prahového napätia U T, vo výkonovom obvode žiadne zmeny. 2. interval: t 1(on) - proces otvárania kanála- Millerov interval Počas tohto intervalu sú najväčšie straty. Keď U GS dosiahne hodnotu U T, rozbehne sa proces otvorenia vodivého kanálu, ktorý sa navonok prejaví započatím poklesu U DS pri náraste I 0. V tomto intervale nastáva uplatnenie mechanizmu -SV medzi I 0 a U GD
Táto SV je spôsobená Millerovou nelineárnou kapacitou a parazitnou indukčnosťou L S. Následkom tohto dochádza k stabilizácii U GS ktoré sa počas druhého intervalu rovná U T. 3.interval- interval ukončenia zapínacieho procesu, pokračuje zapínanie C GD a C GS a však s väčšou časovou konštantou ako interval t D(on). Je to spôsobené tým, že vplyvom poklesu U DS dosiahla Millerova kapacita maximálnu hodnotu.
Vybíjanie kapacít C GD a C GS, v obvode C-E žiadne zmeny- štruktúrou tečie prúd Millerov interval- nárast U DS vplyvom razantnej zmeny hodnoty Millerovej kapacity Ukončenie, ak napätie dosiahne hodnotu: = + 0,7 t 2 - interval charakterizovaný poklesom kolektorového prúdu a ďalším nárastom U DS spôsobeným úbytkom na parazitných indukčnostiach. V tomto intervale môže dôjsť k nedeštruktívnemu lavínovému prierazu, vnútornej diódovej štruktúry čo sa prejaví limitáciou maximálnej hodnoty U DS. Pokiaľ sa tento efekt neuskutoční napätie má klesajúcu tendenciu do ukončenia druhej fázy, podmienené poklesom I 0 na hodnotu nula. Tlmené zákmity U DS - 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 U DS, ak tranzistor budíme U GS >U T štruktúra vedie. Tento prúd sa uplatňuje do I W (pracovného prúdu). Potom z dôvodu vyššieho úbytku na unipolárnej časti štruktúry začne viezť dióda. Ak T budíme tak, že U GS =0 a U DS <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 t 1(on) - doba prieťahu zapínacieho procesu U BE =U T Vplyv bipolárneho segmentu je malý. t 2(on) - vplyv nárastu prúdu t 3(on) - Millerov interval- interval poklesu napätia Vypínací proces: hradlové napätie klesne na malú zápornú hodnotu (-5V odsatie nosičov náboja), využíva sa bipolárny segment. t 1(off) - len v unipolárnom segmente- interval prieťahu doby vypnutia t 2(off) - interval nárastu napätia t fall z t 3 +t 4 t 3(off) - definitívne uzatvorenie bipolárneho segmentu I=0A t 4(off) - fáza uzatvárania bipolárneho segmentu Čistenie bázy- uplatnenie doby života náboja. Pomalý pokles prúdu v t 4 je spôsobený existenciou nosičov náboja v bipolárnej bázovej vrstve bipolárneho segmentu, nemožnosťou ich odňatia prostredníctvom záporného I B. Nosiče náboja preto zanikajú Rekombináciou (ukončením doby ich života). t 4 >t 3 skrátenie t 4(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) I L - 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 I G. I K - 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