ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ 2.1 Η ΙΟ ΟΣ ΙΣΧΥΟΣ Η επαφή p n επιτρέπει τη διέλευση του ρεύµατος µόνο κατά τη µια φορά και ονοµάζεται δίοδος. Η δίοδος είναι ο απλούστερος ηµιαγωγός διακόπτης ισχύος. Ακόµη, η επαφή p n αποτελεί το κύριο δοµικό τµήµα όλων των άλλων ηµιαγωγών ισχύος. Η δίοδος, αλλά και γενικότερα όλα τα ηµιαγωγά στοιχεία ισχύος έχουν πολυπλοκότερη κατασκευαστική δοµή και διαφορετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας, από τα αντίστοιχα στοιχεία µικρής ισχύος. Οι τροποποιήσεις που υφίστανται τα ηµιαγωγά στοιχεία προκειµένου να είναι δυνατή η λειτουργία τους σε υψηλά επίπεδα ισχύος είναι κοινές για όλα τα στοιχεία. Εποµένως, οι ιδιαιτερότητες αυτές θα µελετηθούν για τη δίοδο ισχύος, που είναι ο απλούστερος διακόπτης και στη συνέχεια θα επεκταθούν και στα υπόλοιπα είδη διακοπτών ισχύος. 2.1.1 Χαρακτηριστική της ιόδου Ισχύος και η Κατασκευαστική οµή Όταν µια επαφή p n (δίοδος) πολώνεται ανάστροφα, διαρρέετε από το πολύ µικρό ανάστροφο ρεύµα κόρου. Το ανάστροφο ρεύµα κόρου εξαρτάται έντονα από τη θερµοκρασία και είναι ανεξάρτητο της τάσης πόλωσης. Όταν η ανάστροφη τάση της διόδου υπερβεί µια κρίσιµη τιµή, η οποία ονοµάζεται ανάστροφη τάση διάσπασης V RB (Reverse Breakown), το ρεύµα αυξάνεται υπερβολικά. Η αύξηση της ρεύµατος οφείλεται στη διάσπαση χιονοστιβάδας. Το ρεύµα περιορίζεται τώρα, µόνο από την αντίσταση του εξωτερικού κυκλώµατος. Η χαρακτηριστική της διόδου κατά την ανάστροφη και την ορθή πόλωση, παρουσιάζεται στο Σχ. 2.1. Η χαρακτηριστική της διόδου ισχύος κατά την ορθή πόλωση δεν συµφωνεί µ εκείνη της διόδου σήµατος, στην οποία παρατηρείται εκθετική µεταβολή του ρεύµατος µε την τάση ορθής πόλωσης (διακεκοµµένη γραµµή). Αντίθετα, το Σχ. 2.1 εικονίζει µια γραµµική µεταβολή του ρεύµατος µε την τάση ορθής πόλωσης (συνεχής γραµµή).

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΕΦ. 2 I Εκθετική Γραµµική I F V RB I s 0 V th VF V Σχ. 2.1 Χαρακτηριστική ρεύµατος τάσης των διόδων ισχύος κατά την ορθή και την ανάστροφη πόλωση. Στην ορθή πόλωση η σχέση ρεύµατος τάσης είναι γραµµική στις διόδους ισχύος και εκθετική στις διόδους σήµατος Η διαφορετική συµπεριφορά των διόδων ισχύος, σε σχέση µε τις διόδους σήµατος, οφείλεται στο διαφορετικό τρόπο κατασκευής τους. Στο Σχ. 2.2 εικονίζεται το κυκλωµατικό σύµβολο της διόδου ισχύος (είναι το ίδιο µ εκείνο των κοινών διόδων σήµατος), και η τυπική κατασκευαστική δοµή της. Η δίοδος ισχύος αποτελείται από ένα υπόστρωµα τύπου n +, µε υψηλό ποσοστό προσµίξεων. Πάνω στο υπόστρωµα δηµιουργείται επιταξιακά ένα στρώµα n, µε µικρό ποσοστό προσµίξεων και µε πλάτος W d. Το στρώµα n ονοµάζεται περιοχή ολίσθησης. Άνοδος Κάθοδος (α) Μονωτικό Άνοδος p + N a Περιοχή Κένωσης Μονωτικό 10µm n W B Περιοχή Ολίσθησης N d W d Υπόστρωµα N d + 250µm n + Επιµετάλλωση Κάθοδος (β) Σχ. 2.2 Κυκλωµατικό σύµβολο (α) και κατασκευαστική δοµή της διόδου ισχύος (β) 2 2

ΚΕΦ. 2 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ Κατόπιν, µε διάχυση ληπτών σχηµατίζεται µια περιοχή p + µε υψηλές προσµίξεις. Η περιοχή p + επιµεταλλώνεται και µ αυτή συνδέεται ο ακροδέκτης της ανόδου. Αντίστοιχα, ο ακροδέκτης της καθόδου συνδέεται στο επιµεταλλωµένο υπόστρωµα. Η διατοµή της διόδου εξαρτάται από το µέγεθος του ρεύµατος που άγει. Η διατοµή των διόδων ισχύος, που χειρίζονται ρεύµατα της τάξης των χιλιάδων ampere, είναι αρκετά τετραγωνικά εκατοστά. Η περιοχή ολίσθησης είναι το δοµικό τµήµα που διαφοροποιεί τις διόδους ισχύος από τις διόδους σήµατος, στις οποίες η περιοχή ολίσθησης δεν υπάρχει. 2.1.2 Ανάστροφη Πόλωση της ιόδου Ισχύος Για την κατασκευή διόδων µε υψηλή τάση διάσπασης, απαιτείται η επαφή p n να έχει µικρό ποσοστό προσµίξεων, τουλάχιστον στη µία πλευρά. Αυτός είναι ο λόγος ύπαρξης της περιοχής ολίσθησης. Το πλάτος της περιοχής κένωσης της διόδου εξαρτάται από το µέγεθος της ανάστροφης τάσης πόλωσης. Όσο µεγαλύτερη είναι η ανάστροφη τάση, τόσο µεγαλύτερο είναι το πλάτος της περιοχής κένωσης. Σκοπός της περιοχής ολίσθησης είναι η απορρόφηση της περιοχής κένωσης. Οι δίοδοι ισχύος διακρίνονται σε δύο κατηγορίες, ανάλογα µε το πλάτος της περιοχής ολίσθησης W d. Αν το πλάτος της περιοχής ολίσθησης είναι µεγαλύτερο του πλάτους της περιοχής κένωσης στην τάση διάσπασης, η δίοδος χαρακτηρίζεται ως δίοδος χωρίς διάτρηση (non punch through, NPT). Στις διόδους NPT, η περιοχή κένωσης δεν έρχεται σε επαφή µε το υπόστρωµα. Αν το πλάτος της περιοχής κένωσης στην τάση διάσπασης υπερβαίνει το πλάτος της περιοχής ολίσθησης, η δίοδος ονοµάζεται δίοδος µε διάτρηση (punch through, PΤ). Στις διόδους PT, η περιοχή κένωσης έρχεται σε επαφή µε το υπόστρωµα. Όταν συµβεί αυτό, η περαιτέρω αύξηση της ανάστροφης τάσης δεν προκαλεί την αύξηση του πλάτους της περιοχής κένωσης, εξαιτίας του υψηλού ποσοστού προσµίξεων του υποστρώµατος. Όµως, αλλάζει η κατανοµή του ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή ολίσθησης. Η περιοχή ολίσθησης των διόδων µε διάτρηση έχει µικρότερο ποσοστό προσµίξεων και µικρότερο πλάτος W d, συγκριτικά µε τις διόδους χωρίς διάτρηση, για την ίδια τιµή της ανάστροφης τάσης διάσπασης. Το πλάτος της περιοχής ολίσθησης στις διόδους µε διάτρηση είναι συνήθως το µισό εκείνου των διόδων χωρίς διάτρηση. 2.1.3 Ορθή Πόλωση της ιόδου Ισχύος Όταν η τάση ορθής πόλωσης που εφαρµόζεται στη δίοδο είναι µικρότερη µιας ορισµένης τι- µής, η οποία ονοµάζεται τάση κατωφλίου (threshold voltage) V th, το ρεύµα που διαρρέει τη δίοδο είναι πολύ µικρό. Η τάση κατωφλίου είναι περίπου ίση µε το δυναµικό φραγµού και εξαρτάται από τη θερµοκρασία. Ειδικότερα, η τάση κατωφλίου ελαττώνεται κατά 2mV περίπου σε κάθε αύξηση της θερµοκρασίας κατά 1 o C. Αυξάνοντας την τάση πόλωσης πάνω από την τιµή κατωφλίου, το ρεύµα ορθής πόλωσης στις διόδους σήµατος µεταβάλλεται εκθετικά µε την τάση. Έτσι, η τάση στα άκρα της διόδου, η οποία είναι ίση µε την τάση της επαφής p n, θεωρείται σχεδόν σταθερή. Η τάση αυτή είναι περίπου ίση µε 0.7V στις διόδους πυριτίου. Η παραπάνω διαπίστωση δεν ισχύει στις διόδους ισχύος. Η διαφορά της συµπεριφοράς της διόδου ισχύος στην ορθή πόλωση, οφείλεται στην παρουσία της περιοχής ολίσθησης. Η ολική τάση στα άκρα της διόδου ισχύος, η οποία ονοµάζεται τάση αγωγιµότητας, ορίζεται από τη σχέση VF = Vj + Vd (0.1) όπου, V j είναι η τάση στα άκρα της επαφής p n, η οποία είναι περίπου σταθερή, και V d η πτώση τάσης κατά µήκος της περιοχής ολίσθησης (στις διόδους σήµατος ισχύει VF Vj). Η τάση V d µεταβάλλεται περίπου γραµµικά µε το ρεύµα ορθής πόλωσης I F, σε υψηλές τιµές του ρεύµατος. 2 3

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΕΦ. 2 2.1.4 υναµική Συµπεριφορά της ιόδου Επαφής Η δυναµική συµπεριφορά της διόδου επαφής αναφέρεται στη µετάβαση της διόδου από την κατάσταση αποκοπής στην κατάσταση αγωγιµότητας και το αντίστροφο. Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει τόσο η χρονική διάρκεια των µεταβάσεων, όσο και τρόπος που µεταβάλλονται η τάση και το ρεύµα της διόδου. Συνήθως η δυναµική συµπεριφορά των διόδων παρουσιάζεται από τους κατασκευαστές µε τη µορφή του Σχ. 2.3 όπου, στη δίοδο επιβάλλεται ένας συγκεκριµένος ρυθµός µεταβολής του ρεύµατος di/dt. Αυτός ο τρόπος παρουσίασης της µεταβατικής συµπεριφοράς των διόδων αντιπροσωπεύει τη συνήθη λειτουργία τους στα κυκλώµατα ισχύος, που το εξωτερικό κύκλωµα επιβάλει το ρυθµό µεταβολής του ρεύµατος. ύο είναι τα σηµεία που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον στις κυµατοµορφές του Σχ. 2.3. Η υπέρταση στα άκρα της διόδου κατά τη µετάβαση στην κατάσταση αγωγιµότητας και το ανάστροφο ρεύµα κατά τη µετάβαση στην κατάσταση αποκοπής. Η υπέρταση δεν εκδηλώνεται στις διόδους σήµατος. Η υπέρταση στα άκρα της διόδου κατά τη µετάβαση στην κατάσταση αγωγής οφείλεται σε δύο παράγοντες. Στην πτώση τάσης κατά µήκος της περιοχής ολίσθησης και στις παράσιτες αυτεπαγωγές µεταξύ των ακροδεκτών και του κυρίως ηµιαγωγού σώµατος της διόδου. i di F / dt I F di R / dt di rr / dt 0 Q rr t I RR 0.25I RR u t rr1 t rr2 0.9I RR t rr t off V FR 1.1 V F V F 0 t V R V R t on L st dirr dt Σχ. 2.3 Κυµατοµορφές του ρεύµατος και της τάσης των διόδων ισχύος κατά την έναυση και τη σβέση 2 4

ΚΕΦ. 2 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ Η αντίσταση της περιοχής ολίσθησης κατά την έναρξη του µεταβατικού φαινοµένου, είναι σηµαντικά µεγαλύτερη από την τιµή της σε κατάσταση αγωγιµότητας. Εποµένως, η πτώση τάσης στην περιοχή ολίσθησης αυξάνεται αρχικά µε την αύξηση του ορθού ρεύµατος, έως ότου εγχυθούν φορείς στην περιοχή ολίσθησης οπότε η αντίστασή της ελαττώνεται. Η παράσιτη αυτεπαγωγή προσθέτει µια ακόµη πτώση τάσης, η οποία εξαρτάται από την ταχύτητα µεταβολής του ρεύµατος di F /dt. Συνολικά, η µέγιστη τιµή της ορθής τάσης V FR (Forward Recovery) µπορεί να φθάσει τις αρκετές δεκάδες volt. Η χρονική διάρκεια της µετάβασης στην κατάσταση αγωγής t on, εξαρτάται από την ταχύτητα µεταβολής του ρεύµατος di F /dt, την τιµή του ορθού ρεύµατος I F και τους χρόνους ζωής των φορέων. Η αύξηση του di F /dt προκαλεί τη µείωση του χρόνου έναυσης t on. Η σβέση της διόδου, δηλαδή η µετάβαση από την αγώγιµη κατάσταση στην κατάσταση αποκοπής, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Παρατηρούµε ότι το ρεύµα της διόδου αποκτά µια µεγάλη αρνητική τιµή I RR, πριν λάβει την τιµή ισορροπίας του I S, που είναι το ανάστροφο ρεύµα κόρου. Το µεγάλο ανάστροφο ρεύµα προκαλείται από το φορτίο Q F, το οποίο είναι αποθηκευµένο κυρίως στην περιοχή ολίσθησης της διόδου όσο αυτή άγει. Το φορτίο Q F δεν µπορεί να εξουδετερωθεί ακαριαία τη στιγµή της ανάστροφης πόλωσης της διόδου και είναι αυτό που προκαλεί το µεγάλο ανάστροφο ρεύµα. Τη χρονική στιγµή που το ρεύµα λαµβάνει τη µέγιστη αρνητική τιµή του I RR, η πυκνότητα των επιπλέον φορέων στην περιοχή ολίσθησης έχει σχεδόν µηδενιστεί και η δίοδος αρχίζει να πολώνεται ανάστροφα. Στη συνέχεια, η τάση στα άκρα της διόδου αποκτά ταχέως υψηλές αρνητικές τιµές. Ιδιαίτερα κρίσιµο είναι το τµήµα της χαρακτηριστικής στο οποίο το ανάστροφο ρεύµα ελαττώνεται από τη µέγιστη τιµή του, στην τιµή ισορροπίας. Η µεγάλη κλίση του ρεύµατος di rr /dt στην περιοχή αυτή, σε συνδυασµό µε τις παράσιτες αυτεπαγωγές του κυκλώµατος L st, προκαλούν υπερτάσεις. Οι υπερτάσεις επιβαρύνουν τη λειτουργία της διόδου και παράλληλα είναι πηγή θορύβου (παρεµβολών). Οι δίοδοι µε απότοµο di rr /dt, χαρακτηρίζονται ως hard recovery και οι δίοδοι µε οµαλότερο di rr /dt, που είναι και το επιθυµητό ως soft recovery. Στο Σχ. 2.3 µε t rr συµβολίζεται ο χρόνος ανάστροφης αποκατάστασης (reverse recovery) και µε Q rr το φορτίο ανάστροφης αποκατάστασης. 2.2 ΤΟ ΙΠΟΛΙΚΟ TRANSISTOR ΕΠΑΦΗΣ Η θεωρία του διπολικού transistor επαφής BJT (Bipolar Junction Transistor) διατυπώθηκε από τον W. Shockley. Η επίδραση του transistor στην ηλεκτρονική υπήρξε τεράστια. Εκτός από την τεράστια βιοµηχανία των ηµιαγωγών, το transistor οδήγησε σε πολλές σχετικές ανακαλύψεις, όπως τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα και οι µικροϋπολογιστές. Το transistor ανήκει στην κατηγορία των πλήρως ελεγχόµενων διακοπτών. Η κατηγορία αυτή περιλαµβάνει ηµιαγωγούς διακόπτες, η έναυση και η σβέση των οποίων καθορίζεται από ένα σήµα ελέγχου. Εκτός από το BJT όλα τα υπόλοιπα είδη transistor, όπως τo MOSFET και το IBT που εξετάζονται στη συνέχεια, αποτελούν πλήρως ελεγχόµενους διακόπτες. Αντίθετα η δίοδος ισχύος είναι µη ελεγχόµενος διακόπτης, καθώς η έναυση και η σβέση της επιβάλλονται από το κύκλωµα ισχύος. 2.2.1 Κατασκευαστική οµή των BJT Ισχύος Το transistor είναι ένα στοιχείο το οποίο αποτελείται από τρεις εµπλουτισµένες περιοχές. Οι περιοχές αυτές ονοµάζονται εκποµπός (E), βάση (B) και συλλέκτης (C). Αν οι περιοχές του εκποµπού και του συλλέκτη είναι τύπου n και η βάση τύπου p, τότε το διπολικό transistor ονοµάζεται τύπου npn. Όταν οι περιοχές του εκποµπού και του συλλέκτη είναι τύπου p και η βάση τύπου n, τότε το transistor χαρακτηρίζεται ως τύπου pnp. Τα κυκλωµατικά σύµβολα των διπολικών transistors δίνονται στο Σχ. 2.4. 2 5

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΕΦ. 2 Βάση B Συλλέκτης C E npn Βάση Συλλέκτης pnp Εκποµπός Εκποµπός Σχ. 2.4 Κυκλωµατικά σύµβολα των διπολικών transistor επαφής (BJT) Οι απαιτήσεις από ένα transistor ισχύος είναι η ικανότητα του να αποκόπτει υψηλές τάσεις σε κατάσταση αποκοπής και παράλληλα η δυνατότητα διέλευσης µεγάλων ρευµάτων στην κατάσταση αγωγιµότητας. Για να εκπληρωθούν οι απαιτήσεις αυτές η κατασκευαστική δοµή των BJT ισχύος είναι διαφορετική από εκείνη των transistors σήµατος. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα σηµαντικές διαφορές στη λειτουργική συµπεριφορά των BJT ισχύος, σε σχέση µε τα transistor σήµατος. Στο Σχ. 2.5 εικονίζεται η κατασκευαστική δοµή µιας κυψέλης (cell) ενός BJT ισχύος τύπου npn, µαζί µε τις τυπικές τιµές των πυκνοτήτων πρόσµιξης και του πλάτους της κάθε περιοχής. Τα σύγχρονα BJT ισχύος κατασκευάζονται µε µεγάλο αριθµό από κυψέλες ή πολλαπλούς εκποµπούς, µε τη δοµή που εικονίζεται λεπτοµερώς στο Σχ. 2.6. Τα πλεονεκτήµατα αυτής της κατασκευαστικής δοµής ερµηνεύονται στη συνέχεια. Οι περιοχές τύπου p + µε την υψηλή συγκέντρωση των προσµίξεων εισάγονται στην περιοχή της βάσης τύπου p, για την επίτευξη ωµικής επαφής µε µικρή αντίσταση στον ακροδέκτη της βάσης. B C E E B 10µm p + + n N + d = 10 cm 19 3 p + 5-20µm p N a = 10 cm 16 3 Βάση 50-200µm n N d = 10 cm 14 3 Περιοχή Ολίσθησης Συλλέκτη 300µm + n N + d = 10 cm 19 3 Υπόστρωµα C Σχ. 2.5 Κατασκευαστική δοµή µιας κυψέλης του BJT ισχύος τύπου npn 2 6

ΚΕΦ. 2 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ Εκποµπός Βάση n + n + n + n + p Κυψέλη n n + Συλλέκτης Σχ. 2.6 Κατασκευαστική δοµή σε τρεις διαστάσεις ενός σύγχρονου BJT ισχύος τύπου npn µε πολλαπλούς εκποµπούς Στις διατάξεις ισχύος χρησιµοποιούνται κυρίως transistor τύπου npn. Η κυριότερη διαφορά των BJT ισχύος από τα αντίστοιχα transistors σήµατος, είναι η παρουσία της περιοχής ολίσθησης του συλλέκτη. Η περιοχή ολίσθησης δεν υπάρχει στα transistor σήµατος. Σκοπός της περιοχής ολίσθησης, όπως και στη δίοδο ισχύος, είναι η επίτευξη µεγάλων τάσεων διάσπασης. Το πλάτος της περιοχής ολίσθησης είναι τόσο µεγαλύτερο, όσο µεγαλύτερη είναι η επιθυµητή τάση διάσπασης. 2.2.2 Χαρακτηριστικές Εξόδου των BJT Ισχύος Οι χαρακτηριστικές εξόδου του transistor παρουσιάζουν τη µεταβολή του ρεύµατος συλλέκτη i C, ως προς την τάση µεταξύ συλλέκτη εκποµπού u CE, σε διάφορες τιµές του ρεύµατος βάσης I B. Η τυπική µορφή των χαρακτηριστικών εξόδου των BJT ισχύος τύπου npn, δίνεται στο Σχ. 2.7. Οι χαρακτηριστικές είναι παρόµοιες µ εκείνες των transistor σήµατος. ιακρίνουµε την περιοχή αποκοπής, όπου το ρεύµα της βάσης είναι µηδενικό και η τάση u CE υψηλή. Την ενεργό περιοχή, όπου το transistor λειτουργεί ως γραµµικός ενισχυτής και χαρακτηρίζεται από υψηλά ρεύµατα και τάσεις. Η ενεργός περιοχή είναι ανεπιθύµητη κατά τη λειτουργία των transistors ως διακόπτες, καθώς συνοδεύεται από µεγάλες απώλειες ισχύος. Η περιοχή κόρου αντιστοιχεί σε λειτουργία κλειστού διακόπτη και χαρακτηρίζεται από ισχυρά ρεύµατα συλλέκτη και µικρή τάση µεταξύ συλλέκτη εκποµπού. Η τάση µεταξύ συλλέκτη και εκποµπού, όταν το BJT λειτουργεί στην περιοχή κορεσµού, συµβολίζεται µε V CE(sat). Η τάση V CEO είναι η τάση διάσπασης συλλέκτη εκποµπού, όταν τα ρεύµατα της βάσης και του συλλέκτη είναι µηδέν. Η τάση αυτή αποτελεί το µέτρο της ικανότητας του transistor να χειρίζεται υψηλές τάσεις. Σε µεγαλύτερα ρεύµατα βάσης, άρα και του συλλέκτη, η τάση διάσπασης είναι µικρότερη της V CEO και συµβολίζεται µε V SUS. Όταν η τάση συλλέκτη εκποµπού υπερβεί την τάση διάσπασης, το ρεύµα του συλλέκτη αποκτά πολύ µεγάλες τιµές, µε αποτέλεσµα τη µεγάλη κατανάλωση ισχύος και την πιθανή καταστροφή του στοιχείου. 2 7

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΕΦ. 2 i C Ηµικορεσµός Ισχυρός Κορεσµός I B6 εύτερη ιάσπαση I B5 Πρώτη ιάσπαση I B4 I B3 Ενεργός Περιοχή I B2 I B1 I B <0 I > I > I > I > I > I B6 B5 B4 B3 B2 B1 Περιοχή αποκοπής I B = 0 V SUS V CEO Σχ. 2.7 Χαρακτηριστικές εξόδου των BJT ισχύος τύπου npn V CBO u CE Η απότοµη αύξηση του ρεύµατος συλλέκτη, λόγω των υψηλών τάσεων συλλέκτη εκποµπού ονοµάζεται πρώτη διάσπαση (first breakdown). Η πρώτη διάσπαση οφείλεται σε δύο µηχανισµούς, στη διάσπαση χιονοστιβάδας (avalanche breakdown) ή στη διάτρηση (punch through). Στο Σχ. 2.7 εικονίζονται τόσο η πρώτη, όσο και η δεύτερη διάσπαση (second breakdown) του transistor. Η δεύτερη διάσπαση πρέπει επίσης να αποφεύγεται, καθώς είναι δυνατό να προκαλέσει καταστροφή του στοιχείου από τοπική υπερθέρµανση. Η κύρια διαφορά των χαρακτηριστικών εξόδου του transistor ισχύος, από τις αντίστοιχες χαρακτηριστικές ενός transistor σήµατος, είναι η περιοχή ηµικορεσµού. Η περιοχή ηµικορεσµού οφείλεται στην περιοχή ολίσθησης, η οποία δεν υπάρχει στα transistor σήµατος. Έτσι, τα transistor σήµατος δεν εµφανίζουν την περιοχή ηµικορεσµού. Τα transistor ισχύος συνήθως οδηγούνται στην κατάσταση αγωγιµότητας µε υψηλά ρεύµατα βάσης, έτσι ώστε να αποφευχθεί η λειτουργία στην περιοχή ηµικορεσµού και να λειτουργούν σε βαθύ κόρο µε µικρή τάση V CE(sat). Οι απώλειες του transistor στην κατάσταση αγωγιµότητας προσδιορίζονται από τη σχέση P = I V (2.2) l( on) C CE( sat) 2.2.3 Συντελεστής Ενίσχυσης Ρεύµατος Αν θεωρήσουµε το ρεύµα της βάσης ως ρεύµα εισόδου στο BJT και το ρεύµα του συλλέκτη ως ρεύµα εξόδου, τότε η ικανότητα ενίσχυσης από το στοιχείο ορίζεται µέσω του συντελεστή ενίσχυσης ρεύµατος, ο οποίος συµβολίζεται µε h FE ή β, σύµφωνα µε τη σχέση h = I C FE =β (2.3) I B 2 8

ΚΕΦ. 2 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ h FE h FE (max) Σχ. 2.8 Μεταβολή του συντελεστή ενίσχυσης ρεύµατος h FE, µε το ρεύµα του συλλέκτη Ο συντελεστής ενίσχυσης ρεύµατος είναι τόσο µεγαλύτερος, όσο µικρότερος είναι ο ρυθµός επανασύνδεσης των ηλεκτρονίων στην περιοχή της βάσης. Εποµένως, οι προϋποθέσεις για µεγάλο h FE είναι ο µεγάλος χρόνος ζωής των ηλεκτρονίων στη βάση, το µικρό πλάτος της βάσης και οι υψηλές προσµίξεις στον εκποµπό. Το πλάτος της βάσης στα transistor ισχύος δεν µπορεί να γίνει πολύ µικρό, γιατί προκαλεί τη µείωση της τάσης διάσπασης λόγω διάτρησης (παρ. 2.2.4). Έτσι, ο συντελεστής h FE στα transistor ισχύος λαµβάνει τιµές πολύ µικρότερες από εκείνες στα transistor σήµατος. Μια ιδιαιτερότητα όλων των BJT είναι ότι ο συντελεστής h FE εξαρτάται έντονα από το ρεύ- µα του συλλέκτη. Η µεταβολή του h FE µε το ρεύµα του συλλέκτη παρουσιάζεται στο Σχ. 2.8. Παρατηρούµε ότι, η ενίσχυση του ρεύµατος είναι µικρή σε µικρά ρεύµατα του συλλέκτη. Στη συνέχεια αυξάνεται µε την αύξηση του ρεύµατος συλλέκτη, λαµβάνει µια µέγιστη τιµή και κατόπιν µειώνεται σε υψηλές τιµές του ρεύµατος Ι C. Πρακτικά τα BJT χρησιµοποιούνται σε ρεύµατα συλλέκτη µέχρι και 10 φορές µεγαλύτερα του I C, στο οποίο ο συντελεστής h FE λαµβάνει τη µέγιστη τιµή του. 2.2.4 Πρώτη και εύτερη ιάσπαση Όταν η τάση µεταξύ συλλέκτη και εκποµπού στο BJT φθάσει µια κρίσιµη τιµή, η οποία ο- νοµάζεται τάση διάσπασης συλλέκτη εκποµπού V CEO, το ρεύµα του συλλέκτη αποκτά πολύ µεγάλες τιµές. Το αποτέλεσµα είναι η µεγάλη κατανάλωση ισχύος και η πιθανή καταστροφή του στοιχείου. Η απότοµη αύξηση του ρεύµατος συλλέκτη, εξαιτίας της υψηλής τάσης συλλέκτη εκποµπού, ονοµάζεται πρώτη διάσπαση. Η πρώτη διάσπαση οφείλεται σε δύο µηχανισµούς, στη διάσπαση χιονοστιβάδας και στη διάτρηση. Ο µηχανισµός της διάσπασης χιονοστιβάδας, που υφίσταται η επαφή βάσης συλλέκτη, είναι γνωστός από τη δίοδο. Η διάσπαση λόγω διάτρησης εκδηλώνεται όταν η περιοχή κένωσης της επαφής βάσης συλλέκτη εκτείνεται πλήρως στην περιοχή της βάσης και φθάνει µέχρι τον εκπο- µπό. Τότε, ένας µεγάλος αριθµός ηλεκτρονίων από τον εκποµπό εισέρχεται στην περιοχή κένωσης, όπου τα υψηλά ηλεκτρικά πεδία οδηγούν τα ηλεκτρόνια στο συλλέκτη. Το αποτέλεσµα είναι η εµφάνιση ενός πολύ µεγάλου ρεύµατος συλλέκτη και µια συµπεριφορά που µοιάζει µε τη διάσπαση. Το πλάτος της βάσης και η πυκνότητα των προσµίξεών της, καθορίζει ποιος µηχανισµός διάσπασης θα εκδηλωθεί πρώτος στην τάση V CEO. Η δεύτερη διάσπαση είναι ένα φαινόµενο που εκδηλώνεται σε διπολικά στοιχεία, δηλαδή σε στοιχεία µε φορείς µειονότητας. Τα στοιχεία αυτά παρουσιάζουν αντίσταση µε αρνητικό θερµοκρασιακό συντελεστή. Η αντίσταση των στοιχείων αυτών µειώνεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας. Η δεύτερη διάσπαση προκαλείται από ανοµοιογένειες στην πυκνότητα του ρεύµατος µεταξύ συλλέκτη και εκποµπού. Οι ανοµοιογένειες στην πυκνότητα του ρεύµατος εκδηλώνονται συνήθως κατά την έναυση και ιδιαίτερα τη σβέση του transistor. I C 2 9

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΕΦ. 2 Στα τµήµατα του transistor όπου η πυκνότητα του ρεύµατος είναι υψηλή, έχουµε τοπική αύξηση της θερµοκρασίας. Η αύξηση της θερµοκρασίας, σε συνδυασµό µε τον αρνητικό θερµοκρασιακό συντελεστή, οδηγούν σε νέα τοπική αύξηση της πυκνότητας του ρεύµατος και νέα αύξηση της θερµοκρασίας. Εµφανίζεται δηλαδή µια κατάσταση θετικής ανάδρασης, η οποία αν δεν τερµατιστεί γρήγορα οδηγεί στην καταστροφή του transistor από τοπική υπερθέρµανση (thermal runaway). Οι µεγάλες τοπικές πυκνότητες του ρεύµατος που δηµιουργούνται στο transistor κατά τη δεύτερη διάσπαση, προκαλούν και την πτώση της τάσης µεταξύ συλλέκτη εκποµπού. Η κατασκευή των BJT ισχύος µε πολλαπλούς εκποµπούς έχει ως κύριο σκοπό την κατά το δυνατό οµοιόµορφη κατανοµή του ρεύµατος εκποµπού, έτσι ώστε να περιοριστεί η πιθανότητα της δεύτερης διάσπασης. 2.2.5 Περιοχές Ασφαλούς Λειτουργίας (SOA) Οι µέγιστες τιµές των τάσεων και των ρευµάτων που επιτρέπεται να εφαρµοστούν σε ένα BJT ισχύος, προσδιορίζονται εύκολα από τις περιοχές ασφαλούς λειτουργίας (Safe Operating Areas, SOA ). Οι περιοχές ασφαλούς λειτουργίας ορίζονται από τους κατασκευαστές των transistor ισχύος. Tα BJT ισχύος έχουν δύο SOA. Την SOA ορθής πόλωσης FBSOA (Forward Bias SOA), η οποία εικονίζεται στο Σχ. 2.9α και την SOA ανάστροφης πόλωσης RBSOA (Reverse Bias SOA), Σχ. 2.9β. Η FBSOA αναφέρεται στην έναυση του BJT και η RBSOA στη σβέση του. Η FBSOA περιορίζεται από τέσσερις παραµέτρους. Το µέγιστο ρεύµα συλλέκτη I CM(pulse), την τάση διάσπασης V CEO, τη µέγιστη θερµοκρασία της εσωτερικής επαφής T j(max) και τη δεύτερη διάσπαση. Το ρεύµα I CM(pulse) είναι το µέγιστο παλµικό ρεύµα το οποίο µπορεί να εφαρµοστεί στο transistor. Το ρεύµα αυτό είναι λίγο µεγαλύτερο από το µέγιστο ρεύµα συνεχούς λειτουργίας I CM(dc). Η καµπύλη T j(max) αποτελεί το θερµικό όριο του transistor. Έτσι, σε µια τάση V CE1, η µέγιστη τιµή του ρεύµατος συλλέκτη που επιτρέπεται να ρέει συνεχώς είναι η I C1(dc). Αν το ρεύµα του συλλέκτη υπερβεί την τιµή I C1(dc), η κατανάλωση ισχύος στο στοιχείο (P = I C1(dc) V CE1 ), θα οδηγήσει τη θερµοκρασία της επαφής (junction temperature) σε µια τιµή µεγαλύτερη της µέγιστης επιτρεπόµενης T j(max). Η συνήθης τιµή της T j(max), την οποία δεν πρέπει να υπερβαίνουµε ποτέ, είναι οι 150 ο C. Για την ίδια τάση V CE1, η µέγιστη τιµή του ρεύµατος συλλέκτη αυξάνεται σε I C1(p), όταν το ρεύµα δεν ρέει συνεχώς, αλλά για ένα µικρό χρονικό διάστηµα 10 3 sec. Οι διακεκοµµένες γραµµές στο Σχ. 2.9α αναφέρονται στη λειτουργία του transistor µε ένα απλό παλµό (single pulse operation). Αντίστοιχους περιορισµούς τάσεων και ρευµάτων επιβάλει η δεύτερη διάσπαση. Έτσι, σε µια τάση συλλέκτη εκποµπού V CE2 το µέγιστο συνεχές ρεύµα του συλλέκτη είναι το I C2(dc). Το µέγιστο παλµικό ρεύµα διάρκειας 10 3 sec είναι το I C2(p). Αν το ρεύµα του συλλέκτη υπερβεί τις παραπάνω τιµές, θα συµβεί δεύτερη διάσπαση στο transistor. Η FBSOA είναι πρακτικά τετράγωνη και περιορίζεται µόνο από τα I CM και V CEO, όταν ο χρόνος έναυσης είναι πολύ µικρός. Κατά τη σβέση του transistor µε ανάστροφη πόλωση της βάσης, η τάση διάσπασης αυξάνεται από την τιµή V CEO στην V CBO, µε τη µείωση του ρεύµατος συλλέκτη (Σχ. 2.9β). Υπενθυµίζεται ότι, η τάση V CEO είναι η τάση διάσπασης της επαφής βάσης συλλέκτη µε µηδενικό ρεύµα βάσης. Η τάση V CBO είναι η τάση διάσπασης της επαφής βάσης συλλέκτη µε το ρεύµα του εκποµπού ίσο µε το µηδέν. Το ρεύµα του συλλέκτη και στις δύο περιπτώσεις είναι µηδενικό. 2 10

ΚΕΦ. 2 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ I C I CM ( pulse) I CM (dc) I C1 ( p ) I C1 ( dc ) I C 2 ( p ) T j(max) εύτερη ιάσπαση 10 5 10 4 sec sec I C 2 ( dc ) 10 3 sec T case = Const. dc VCE1 V CE 2 (α) V CEO V CE I C I CM V BE ( off ) = 0 V BE ( off ) < 0 T case = Const. V CEO V CBO (β) Σχ. 2.9 Περιοχή ασφαλούς λειτουργίας ορθής πόλωσης FBSOA (α) και ανάστροφης πόλωσης RBSOA (β) των BJT ισχύος V CE 2.3 ΤΑ MOSFET ΙΣΧΥΟΣ Το transistor επίδρασης πεδίου (Field Effect Transistor) προτάθηκε από τον Shockley το 1952. Η λειτουργία των FET στηρίζεται σε µια εντελώς διαφορετική αρχή, από εκείνη του διπολικού transistor. Ενώ η λειτουργία των BJT στηρίζεται και στα δύο είδη φορέων (ηλεκτρόνια και οπές), η λειτουργία των FET βασίζεται σ ένα µόνο τύπο φορέων, ο οποίος µπορεί να είναι είτε ηλεκτρόνια ή οπές. Για το λόγο αυτό τα FET ονοµάζονται και µονοπολικά transistor. Τα FET όπως και τα διπολικά transistor έχουν τρεις ακροδέκτες, οι οποίοι ονοµάζονται πύλη (ate), πηγή (Source) και εκροή (rain). Η πύλη είναι αντίστοιχη µε τη βάση, η πηγή µε τον εκποµπό και η εκροή µε το συλλέκτη του BJT. 2 11

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΕΦ. 2 2.3.1 Κατηγορίες των FET Τα transistor επίδρασης πεδίου διακρίνονται σε δύο µεγάλες κατηγορίες, ανάλογα µε τον τρόπο κατασκευής τους. Αυτές είναι, τα FET ένωσης ή JFET (Junction FET) και τα FET µονω- µένης πύλης ή IFET (Insulated ate FET). Υπάρχουν διάφορα είδη IFET, από τα οποία το πλέον γνωστό και χρησιµοποιούµενο είναι τα MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET). Τα MOSFET διακρίνονται σε MOSFET κένωσης (epletion) και εµπλουτισµού (Enhancement). Τα MOSFET κένωσης χαρακτηρίζονται ως normally ON, ενώ τα MOSFET εµπλουτισµού ως normally OFF. Όλα τα είδη FET µπορούν να κατασκευαστούν ως καναλιού n ή καναλιού p. Τα κυκλωµατικά σύµβολα όλων των τύπων FET δίνονται στο Σχ. 2.102.10. Από τα διάφορα είδη FET, τα MOSFET εµπλουτισµού είναι τα πλέον κατάλληλα στην κατασκευή των διακοπτών ισχύος. Στη συνέχεια αναφερόµαστε αποκλειστικά στα MOSFET ε- µπλουτισµού ισχύος και ειδικότερα στα καναλιού n, που είναι τα περισσότερο χρησιµοποιούµενα. Tα MOSFET καναλιού n µπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλότερες συχνότητες από τα MOSFET καναλιού p, γιατί η ευκινησία των ηλεκτρονίων είναι µεγαλύτερη από την ευκινησία των οπών. JFET S MOSFET Kένωσης S S S MOSFET Εµπλουτισµού S S MOSFET Ισχύος S Καναλιού n S Καναλιού p Σχ. 2.10 Κυκλωµατικά σύµβολα των FET. Στα ΜΟSFET ισχύος διακρίνεται η ενσωµατωµένη παρασιτική δίοδος, η οποία χρησιµοποιείται ως δίοδος ελεύθερης ροής 2 12

ΚΕΦ. 2 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ 2.3.2 Κατασκευαστική οµή των MOSFET Ισχύος Η κατασκευαστική δοµή του MOSFET εµπλουτισµού ισχύος καναλιού n εικονίζεται στο Σχ. 2.112.11. Το MOSFET αποτελείται από το υπόστρωµα τύπου n +, µε το οποίο συνδέεται ο ακροδέκτης της εκροής. Η πυκνότητα των προσµίξεων στο υπόστρωµα είναι περίπου 10 19 cm 3. Πάνω στο υπόστρωµα αναπτύσσεται επιταξιακά η περιοχή ολίσθησης της εκροής, τύπου n, µε πυκνότητα προσµίξεων στην περιοχή 10 14 10 15 cm 3. Σκοπός της περιοχής ολίσθησης, όπως και στα BJT, είναι η επίτευξη µεγάλης τάσης διάσπασης. Πάνω στην περιοχή ολίσθησης δηµιουργούνται µε διάχυση περιοχές τύπου p. Κάθε περιοχή τύπου p ονοµάζεται σώµα. Η πυκνότητα των προσµίξεων στο σώµα είναι περίπου 10 16 cm 3. Στις περιοχές p δηµιουργείται το κανάλι τύπου n. Στο εσωτερικό κάθε περιοχής p σχηµατίζεται µε διάχυση η περιοχή n + της πηγής, µε πυκνότητα προσµίξεων περίπου ίση µ εκείνη της εκροής. Ένα MOSFET ισχύος έχει αρκετές χιλιάδες περιοχές p σώµατος και n + της πηγής. Όλες οι περιοχές n + συνδέονται παράλληλα µεταξύ τους και αποτελούν τον ακροδέκτη πηγής του MOS- FET. Η µορφή της περιοχής του σώµατος έχει µεγάλη επίδραση στα χαρακτηριστικά του MOS- FET. Οι περιοχές n + της πηγής συνδέονται µε τις περιοχές p του σώµατος. Από το Σχ. 2.112.11 φαίνεται ότι µεταξύ της πηγής και της εκροής υπάρχει ένα παρασιτικό διπολικό transistor τύπου npn. Η περιοχή p του σώµατος αποτελεί τη βάση του transistor αυτού. Για να αποφύγουµε την πιθανότητα αγωγής του παρασιτικού transistor, βραχυκυκλώνουµε τις περιοχές p του σώµατος µε την πηγή. Με τη βραχυκύκλωση σώµατος πηγής εµφανίζεται µια εσωτερική δίοδος (intrinsic diode) µεταξύ της πηγής και της εκροής. Η δίοδος αυτή είναι αναγκαία στους µετατροπείς γέφυρας. Αν δεν υπήρχε η εσωτερική ή παρασιτική δίοδος µεταξύ εκροής πηγής, θα έπρεπε να προστεθεί παράλληλα σε κάθε MOSFET µια εξωτερική δίοδος. Η ιδιαιτερότητα των MOSFET από τα άλλα είδη FET, αλλά και τα διπολικά transistor, είναι ότι η πύλη είναι µια µεταλλική επιφάνεια, η οποία είναι αποµονωµένη από τον ηµιαγωγό µ ένα λεπτό στρώµα µονωτικού υλικού. Συνήθως ως µονωτικό υλικό χρησιµοποιείται το διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ). Όπως και µε τον ακροδέκτη της πηγής, στον ακροδέκτη της πύλης συνδέονται παράλληλα όλες οι επιµέρους χιλιάδες µεταλλικές επιφάνειες. Η δοµή του MOSFET που εικονίζεται στο Σχ. 2.112.11 ονοµάζεται VMOS (Vertical iffusion MOS). Ένα MOSFET καναλιού p έχει ακριβώς την ίδια δοµή, µε µόνη διαφορά ότι οι επιµέρους περιοχές είναι αντίθετου τύπου προσµίξεων. Τώρα, το κανάλι δηµιουργείται στο σώµα τύπου n και είναι τύπου p, αποτελείται δηλαδή από οπές. n + n + n + n + n + n + p p Σώµα p Σώµα p n I Περιοχή Ολίσθησης Εκροής n + Μονωτικό Εκροή Πηγή I Πύλη L Κανάλι Βασική επαναλαµβανόµενη δοµή κυψέλη (cell) I Εκροή Σχ. 2.11 Κατασκευαστική δοµή του MOSFET ισχύς καναλιού n, όπου διακρίνονται το παρασιτικό BJT και η εσωτερική δίοδος 2 13

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΕΦ. 2 2.3.3 Χαρακτηριστικές Καµπύλες του MOSFET Οι χαρακτηριστικές εξόδου του MOSFET παρουσιάζουν τη µεταβολή του ρεύµατος εκροής I, συναρτήσει της τάσης πηγής εκροής V S, σε διάφορες τιµές της τάσης πύλης πηγής V S. Η τυπική µορφή των χαρακτηριστικών εξόδου του MOSFET καναλιού n, εικονίζεται στο Σχ. 2.12.12. Οι χαρακτηριστικές εξόδου του MOSFET καναλιού p είναι ακριβώς αντίστοιχες, µε τη διαφορά ότι οι τάσεις και τα ρεύµατα έχουν αρνητικές τιµές. Οι χαρακτηριστικές του MOSFET είναι παρόµοιες µ εκείνες του διπολικού transistor (Σχ. 2.7). ιακρίνουµε την περιοχή αποκοπής, την ενεργό περιοχή και την ωµική περιοχή. Η ωµική περιοχή αντιστοιχεί στην περιοχή κόρου των BJT. Το MOSFET είναι σε κατάσταση αποκοπής όταν η τάση πύλης πηγής είναι µικρότερη της τάσης κατωφλίου V S(th). Στην περίπτωση αυτή η τάση µεταξύ πηγής εκροής V S πρέπει να είναι µικρότερη της τάσης διάσπασης. Η τάση διάσπασης στα MOSFET συµβολίζεται µε V SS (rain Source Breakdown Voltage). Η διάσπαση οφείλεται σε διάσπαση χιονοστιβάδας της επαφής σώµατος εκροής. Η ενεργός περιοχή περιλαµβάνει το τµήµα των χαρακτηριστικών όπου το ρεύµα της εκροής είναι σταθερό και ανεξάρτητο της τάσης V S. Το MOSFET λειτουργεί στην ενεργό περιοχή όταν ισχύει η σχέση V S > V V (2.4) S S (th) Το ρεύµα της εκροής στην ενεργό περιοχή ορίζεται από τη σχέση I 2 ( VS VS ( th) ) = C (2.5) Αντίθετα, για τη λειτουργία στην ωµική περιοχή πρέπει να ισχύει V S < V V (2.6) S S (th) Ι Ωµική Περιοχή V S = V S V S (th) 2 I = CV S V S5 Ενεργός Περιοχή V S4 V S3 V S2 V S1 < V S2 V S1 V S1 > V S(th) 0 Σχ. 2.12 Χαρακτηριστικές εξόδου των MOSFET ισχύος V SS V S 2 14

ΚΕΦ. 2 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ Ι g fs 0 V S(th) V S = Const. V S Σχ. 2.13 Χαρακτηριστική µεταφοράς του MOSFET ισχύος Το ρεύµα της εκροής στην ωµική περιοχή είναι ίσο µε 2 V S I = 2C ( VS VS ( th) ) VS (2.7) 2 Η διαχωριστική γραµµή µεταξύ των δύο περιοχών, εικονίζεται µε τη διακεκοµµένη γραµµή στο Σχ. 2.12.12 και περιγράφεται από την εξίσωση I 2 C V S = (2.8) Στην ενεργό περιοχή το ρεύµα I είναι σταθερό και ανεξάρτητο της τάσης V S. Για το λόγο αυτό συχνά η ενεργός περιοχή στα MOSFET αναφέρεται ως περιοχή κορεσµού. Αντίθετα, στην ωµική περιοχή το ρεύµα I αυξάνεται µε την αύξηση της τάσης V S. To ρεύµα της εξόδου (εκροής) στα MOSFET ελέγχεται από την τάση της πύλης V S. Στα διπολικά transistor, το ρεύµα εξόδου (συλλέκτη) ελέγχεται από το ρεύµα της βάσης. Εποµένως, τα MOSFET είναι στοιχεία ελεγχόµενα από την τάση, ενώ τα διπολικά transistor ελέγχονται από το ρεύµα. Στα διπολικά transistor, ο λόγος του ρεύµατος συλλέκτη προς το ρεύµα της βάσης καθορίζει την ενίσχυση (απολαβή) ρεύµατος h FE του στοιχείου. Αντίστοιχα, στα MOSFET ορίζουµε τη χαρακτηριστική µεταφοράς (transfer characteristic). Η χαρακτηριστική µεταφοράς δείχνει τη µεταβολή του ρεύµατος εκροής µε την τάση V S, µε σταθερή την V S, στην ενεργό περιοχή (Σχ. 2.132.13). Στα MOSFET ισχύος, όπως φαίνεται και από το Σχ. 2.132.13, η µεταβολή του I µε την τάση V S είναι περίπου γραµµική σε υψηλές τιµές του ρεύµατος. Η κλίση της χαρακτηριστικής µεταφοράς, ονοµάζεται διαγωγιµότητα (transconductance) g fs. Η διαγωγιµότητα ορίζεται από τη σχέση g fs i = u S V S = C (2.9) 2.3.4 Παράµετροι Λειτουργίας των MOSFET Ισχύος Τα MOSFET έχουν δύο µέγιστες τιµές τάσης, τις οποίες δεν πρέπει να υπερβαίνουµε ποτέ για την ασφαλή λειτουργία τους. Οι τάσεις αυτές είναι η τάση διάσπαση πηγής εκροής V SS και η µέγιστη τάση πύλης πηγής V S(max). 2 15

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΕΦ. 2 Τάση ιάσπασης Πηγής Εκροής Η τάση διάσπαση V SS είναι η µέγιστη τάση που µπορεί να αντέξει το MOSFET στην κατάσταση αποκοπής, χωρίς να εκδηλωθεί διάσπαση χιονοστιβάδας στην επαφή σώµατος εκροής. Για την επίτευξη µεγάλων τάσεων διάσπασης, η περιοχή ολίσθησης της εκροής πρέπει να έχει µεγάλο πλάτος και µικρή πυκνότητα προσµίξεων. Η περιοχή κένωσης αναπτύσσεται κυρίως µέσα στην περιοχή ολίσθησης, καθώς το σώµα έχει σηµαντικά µεγαλύτερη πυκνότητα προσµίξεων. Έτσι, η περιοχή κένωσης δεν φθάνει έως την πηγή, ώστε να έχουµε διάσπαση της επαφής λόγω διάτρησης Μέγιστη Τάση Πύλης Πηγής Στα MOSFET παρεµβάλλεται ένα λεπτό στρώµα µονωτικού υλικού, συνήθως διοξείδιο του πυριτίου, ανάµεσα στην πύλη και τον ηµιαγωγό. Αν η τάση πύλης πηγής αυξηθεί υπερβολικά, αυτό το στρώµα µπορεί να καταστραφεί από το υψηλό ηλεκτρικό πεδίο που αναπτύσσεται. Το στρώµα του οξειδίου στα σύγχρονα MOSFET µπορεί να ανθίσταται σε τάσεις από ±50V ως ±100V. Εντούτοις, οι τιµές που δίνουν οι κατασκευαστές για την τάση V S(max) κυµαίνονται από ±20V ως ±30V, καθώς θέτουν ένα περιθώριο ασφαλείας. Αυτό γίνεται γιατί η διάσπαση του οξειδίου επιφέρει µόνιµη καταστροφή του στοιχείου. Εκτός από την απευθείας επιβολή µεγάλης τάσης V S, το µονωτικό στρώµα µπορεί να καταστραφεί και από άλλους, λιγότερο προφανείς λόγους. Ένας από τους λόγους αυτούς είναι η εµφάνιση µεταβατικών τάσεων, µε τιµή µεγαλύτερη της V S(max). Όταν η παρουσία µεταβατικών τάσεων είναι πιθανή, η πύλη πρέπει να προστατεύεται µε τη σύνδεση δύο διόδων zener, αντίθετα συνδεδεµένων (back to back), µεταξύ της πύλης και της πηγής. Η τάση διάσπασης των διόδων zener πρέπει να είναι µικρότερη της τάσης V S(max). Ακόµη, το οξείδιο της πύλης µπορεί να καταστραφεί από την απρόσεκτη εναπόθεση στατικών φορτίων. Για το λόγο αυτό οι χρήστες πρέπει να γειώνονται πριν χειριστούν τα MOSFET, ώστε να αποφεύγονται προβλήµατα σχετικά µε τα στατικά φορτία. Αντίσταση Αγωγιµότητας Μια πολύ σηµαντική παράµετρος των MOSFET ισχύος, είναι η αντίσταση που παρουσιάζουν στην κατάσταση αγωγιµότητας, όταν δηλαδή λειτουργούν στην ωµική περιοχή. Η αντίσταση σε κατάσταση αγωγιµότητας ή αντίσταση on R S(on) καθορίζει τις απώλειες ισχύος στο στοιχείο σε κατάσταση αγωγής, σύµφωνα µε τη σχέση P = I R (2.10) 2 l( on) S ( on) Εκτός από τη λειτουργία στις υψηλές συχνότητες, σχεδόν όλες οι απώλειες ισχύος στα MOSFET συµβαίνουν όταν το στοιχείο είναι σε κατάσταση αγωγής. Εποµένως, η αντίσταση R S(on) πρέπει να είναι όσο γίνεται µικρότερη. Καθώς η αντίσταση R S(on µειώνονται µε την αύξηση της τάσης πόλωσης της πύλης, στις εφαρµογές ισχύος η τάση V S επιλέγεται η µέγιστη δυνατή. Σε τάσεις διάσπασης έως 300V τα σύγχρονα MOSFET έχουν τόσο µικρή αντίσταση R S(on), ώστε οι απώλειες αγωγιµότητάς τους είναι µικρότερες από εκείνες των BJT. Σε τάσεις µεγαλύτερες από τα 300V, η R S(on) και οι απώλειες ισχύος αυξάνουν σηµαντικά, εξαιτίας της υψηλής.5 2.7 αντίστασης που εισάγει η περιοχή ολίσθησης, η οποία είναι ανάλογη µε V 2. SS 2 16

ΚΕΦ. 2 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ R R g Μ R g 1 Μ 2 S Σχ. 2.14 Παράλληλη σύνδεση δύο MOSFET ισχύος Η αντίσταση R S(on) παρουσιάζει θετικό θερµοκρασιακό συντελεστή. Έτσι, οι απώλειες ι- σχύος αυξάνουν καθώς η θερµοκρασία του στοιχείου µεγαλώνει. Επιπλέον, τα MOSFET µπορούν πολύ εύκολα να συνδεθούν παράλληλα, εξαιτίας του θετικού θερµοκρασιακού συντελεστή (Σχ. 2.14). Έτσι, αν το ρεύµα στο MOSFET Μ 1 γίνει µεγαλύτερο του ρεύµατος στο Μ 2, η θερµοκρασία άρα και η αντίσταση του Μ 1 θα αυξηθεί περισσότερο από εκείνη του Μ 2. Το αποτέλεσµα είναι η µείωση του ρεύµατος στο Μ 1 και η τελική διατήρηση της ισότητας των ρευµάτων στα δύο στοιχεία. Οι πύλες των MOSFET στο Σχ. 2.14 συνδέονται µεταξύ τους µέσω δύο αντιστάσεων µικρής τιµής R g (µερικά ohm). Οι αντιστάσεις αυτές είναι αναγκαίες για να αποφευχθούν ταλαντώσεις υψηλής συχνότητας, εξαιτίας της χωρητικής συµπεριφοράς των πυλών και πιθανών παρασιτικών αυτεπαγωγών. Ρεύµα της Πύλης Τα MOSFET εξαιτίας του µονωτικού στρώµατος µεταξύ της πύλης και του ηµιαγωγού, παρουσιάζουν εξαιρετικά µεγάλη αντίσταση εισόδου. Η τυπική τιµή της αντίστασης εισόδου είναι περίπου 10 9 Ω. Έτσι το ρεύµα της πύλης I είναι αµελητέο. Αντίθετα, τα διπολικά transistor απαιτούν σηµαντικά ρεύµατα στη βάση, καθώς ισχύει I B = h FE I C και ο συντελεστής ενίσχυσης ρεύµατος h FE είναι µικρός. Άµεση συνέπεια αυτού είναι ότι τα κυκλώµατα οδήγησης των MOSFET είναι απλούστερα εκείνων των BJT. Πρέπει να τονιστεί ότι το ρεύµα της πύλης είναι αµελητέο, µόνο όταν το MOSFET είναι στη µόνιµη κατάσταση λειτουργίας. Κατά το χρονικό διάστηµα της έναυσης και της σβέσης, το ρεύµα της πύλης αποκτά σηµαντικές τιµές. Το υψηλό ρεύµα της πύλης είναι αναγκαίο για τη γρήγορη φόρτιση και εκφόρτιση των χωρητικοτήτων εισόδου του MOSFET. Όσο µεγαλύτερο είναι το µεταβατικό ρεύµα της πύλης, τόσο µικρότεροι είναι οι χρόνοι έναυσης και σβέσης. Μέσω της αντίστασης R που συνδέεται σε σειρά µε την πύλη (Σχ. 2.14), ελέγχουµε τη µέγιστη τιµή του ρεύµατος της πύλης και ταυτόχρονα τη διάρκεια των χρόνων έναυσης και σβέσης. 2.3.5 Το Παρασιτικό ιπολικό Transistor Όπως έχει αναφερθεί στην παρ. 2.3.2 και φαίνεται στο Σχ. 2.112.11, µεταξύ της πηγής και της εκροής του MOSFET υπάρχει ένα παρασιτικό διπολικό transistor. Η περιοχή του σώµατος αποτελεί τη βάση του transistor αυτού. Για να αποφύγουµε την πιθανότητα αγωγής του παρασιτικού BJT, βραχυκυκλώνουµε τις περιοχές του σώµατος µε την πηγή. Αν η βάση του παρασιτικού transistor δεν συνδέονταν µε την πηγή, η τάση διάσπασης του MOSFET θα µειώνονταν από την τιµή V SS = V CBO στην τιµή V CEO. Το µεγαλύτερο πρόβληµα όµως είναι ότι µια αρκετά µεγάλη τάση βάσης εκποµπού µπορεί να οδηγήσει το BJT σε κατάσταση κορεσµού. Στην περίπτωση αυτή δεν είναι δυνατή η σβέση του BJT, καθώς η βάση του δεν είναι διαθέσιµη. 2 17

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΕΦ. 2 C gd R b Παρασιτικό BJT S Σχ. 2.15 Ισοδύναµο κύκλωµα του MOSFET µε το παρασιτικό BJT Ο µόνος τρόπος σβέσης του BJT είναι η διακοπή του ρεύµατος της εκροής από το κύκλωµα ισχύος. Αυτή η κατάσταση λειτουργίας ονοµάζεται µανδάλωση (latch up). Αν και η βραχυκύκλωση του σώµατος µε την πηγή είναι αποτελεσµατική από στατικής πλευράς, δεν µηδενίζει την πιθανότητα έναυσης του παρασιτικού BJT κατά το µεταβατικό χρονικό διάστηµα της σβέσης. Η βάση του BJT συνδέεται µε την εκροή του MOSFET µέσω ενός τµήµατος της χωρητικότητας C gd, όπως εικονίζεται στο ισοδύναµο κύκλωµα του Σχ. 2.15.15. Αν ο ρυθµός ανόδου της τάσης V S κατά τη σβέση του MOSFET είναι πολύ µεγάλος, θα έχουµε τη ροή ενός ρεύµατος µέσω του πυκνωτή στη βάση του BJT, το οποίο µπορεί να το οδηγήσει στον κορεσµό. Αυτός ο µηχανισµός έναυσης του BJT επιβάλει µια µέγιστη ταχύτητα µεταβολής της τάσης V S κατά τη σβέση του MOSFET. Η πιθανότητα έναυσης του BJT κατά το µεταβατικό διάστηµα της σβέσης είναι πολύ µικρή στα σύγχρονα MOSFET, καθώς αυτά υποστηρίζουν ταχύτητες µεταβολής της τάσης V S µεγαλύτερες από 10.000V/µs. 2.3.6 Περιοχή Ασφαλούς Λειτουργίας (SOA) Τα MOSFET, σε αντίθεση µε τα BJT, έχουν θετικό θερµοκρασιακό συντελεστή. Συνέπεια αυτού είναι ότι δεν εµφανίζουν δεύτερη διάσπαση, η οποία οφείλεται σε ανοµοιογένειες στην πυκνότητα του ρεύµατος. Έτσι, η περιοχή ασφαλούς λειτουργίας των MOSFET (Σχ. 2.), περιορίζεται από τρεις παραµέτρους: το µέγιστο ρεύµα εκροής I M, την τάση διάσπασης V SS και τη µέγιστη θερµοκρασία επαφής T j(max). I I M (pulse) 10µs I M (dc) 100µs T j(max) 1ms C Σχ. 2.16 Περιοχή ασφαλούς λειτουργίας των MOSFET V SS V S 2 18

ΚΕΦ. 2 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ Η διαφορά της SOA των MOSFET από εκείνη των BJT είναι ότι δεν εµφανίζουν το τµήµα της δεύτερης διάσπασης. Επίσης, τα MOSFET έχουν µόνο µια SOA. εν υπάρχει διαφορά µεταξύ της SOA για την έναυση και τη σβέση, όπως στα BJT. 2.4 ΤΟ IBT Το διπολικό transistor επαφής µονωµένης πύλης IBT (Insulated ate Bipolar Transistor) είναι ένας σχετικά νέος ηµιαγωγός διακόπτης ισχύος. Το IBT είναι ένα στοιχείο το οποίο συνδυάζει τα πλεονεκτήµατα των διπολικών transistor µ εκείνα των MOSFET. Το πλεονέκτηµα των BJT είναι οι µικρές απώλειες σε κατάσταση αγωγιµότητας, ιδιαίτερα στις υψηλές τάσεις διάσπασης. Αντίθετα, τα MOSFET είναι τα στοιχεία µε τους µικρότερους χρόνους µετάβασης και τον απλούστερο τρόπο οδήγησης, εξαιτίας της πολύ µεγάλης αντίστασης εισόδου. Τα πλεονεκτήµατα αυτά συνδυάζονται µε τον καλύτερο δυνατό τρόπο στα IBT. Αυτός είναι ο λόγος της ευρείας χρήσης των IBT στις σύγχρονες εφαρµογές διατάξεων χαµηλής και µέσης ισχύος. Πρέπει να σηµειωθεί ότι τα IBT σχεδιάζονται αποκλειστικά για διακοπτικές εφαρµογές. Έτσι, δεν συνιστάται η λειτουργία τους ως γραµµικών ενισχυτών. Αυτό οφείλεται στη µεταβολή της διαγωγιµότητάς τους µε τη θερµοκρασία επαφής. Τα IBT διακρίνονται σε καναλιού n, τα οποία είναι τα πλέον χρησιµοποιούµενα και σε καναλιού p. 2.4.1 Κατασκευαστική οµή του IBT Η κατασκευαστική δοµή του IBT καναλιού n παρουσιάζεται στο Σχ. 2.17. Η δοµή αυτή είναι παρόµοια µ εκείνη του MOSFET καναλιού n (Σχ. 2.11). Το στοιχείο που διαφοροποιεί το IBT από το MOSFET είναι η περιοχή τύπου p + µε την οποία συνδέεται ο ακροδέκτης του συλλέκτη. Η περιοχή αυτή δεν υπάρχει στα MOSFET. Ο συλλέκτης αντιστοιχεί στην εκροή του MOSFET και ο εκποµπός στην πηγή. Το IBT, όπως και το MOSFET, έχει πολύπλοκη δοµή εκποµπού πύλης. Ένα IBT καναλιού p έχει την ίδια δοµή αλλά µε αντίθετο τύπο προσµίξεων σε κάθε περιοχή. Στο Σχ. 2.17 παρατηρούµε δύο παρασιτικά BJT. Το BJT που συµβολίζεται µε Τ 2 αντιστοιχεί στο παρασιτικό BJT του MOSFET. Η πρόσθετη περιοχή p + στο IBT έχει ως αποτέλεσµα τη δηµιουργία ενός ακόµη BJT του Τ 1. Αυτά τα δύο BJT αποτελούν ένα SCR. Εποµένως, το IBT περιλαµβάνει ένα παρασιτικό SCR. Η κάθοδος του SCR συνδέεται µε τον εκποµπό και η άνοδος µε το συλλέκτη του IBT. Η περιοχή του σώµατος αποτελεί την πύλη του παρασιτικού SCR. p n + J 3 n + Σώµα T 2 J 1 J 2 Μονωτικό Εκποµπός n + Πύλη Βασική επαναλαµβανόµενη δοµή (κυψέλη) n + n + n + n + p p p T 1 n p + Περιοχή Ολίσθησης Συλλέκτης Σχ. 2.17 Κατασκευαστική δοµή του IBT καναλιού n. ιακρίνονται τα δύο παρασιτικά BJT, τα οποία σχηµατίζουν το παρασιτικό SCR του στοιχείου 2 19

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΕΦ. 2 Η βραχυκύκλωση του σώµατος µε τον εκποµπό αποσκοπεί στην ελαχιστοποίηση της πιθανότητας έναυσης του παρασιτικού SCR. Για τον ίδιο λόγο η περιοχή του σώµατος έχει την ιδιαίτερη µορφή που εικονίζεται στο Σχ. 2.17 και είναι διαφορετική από εκείνη στο MOSFET. Οµοίως, στο MOSFET για να αποφύγουµε την έναυση του παρασιτικού BJT, συνδέαµε το σώµα µε την πηγή. Η περιοχή n + µεταξύ της περιοχής ολίσθησης και του συλλέκτη υπάρχει µόνο σε ορισµένα IBT, τα οποία ονοµάζονται IBT µε διάτρηση PT IBT (Punch Through IBT). Όταν η περιοχή n + δεν υπάρχει, τα IBT χαρακτηρίζονται χωρίς διάτρηση NPT IBT (Non Punch Through IBT). 2.4.2 Χαρακτηριστικές του IBT Οι χαρακτηριστικές εξόδου του IBT παρουσιάζουν τη µεταβολή του ρεύµατος συλλέκτη I C, µε την τάση συλλέκτη εκποµπού V CE και παράµετρο την τάση πύλης εκποµπού V E (Σχ. α). Οι χαρακτηριστικές εξόδου κατά την ορθή πόλωση του IBT είναι όµοιες µ εκείνες των BJT σήµατος. Η διαφορά είναι ότι το ρεύµα του συλλέκτη δεν εξαρτάται από το ρεύµα της βάσης αλλά από την τάση της πύλης. Το IBT είναι ένα διπολικό transistor ελεγχόµενο από τάση, όπως τα MOSFET. Κατά την ορθή πόλωση, όταν η τάση πύλης εκποµπού V E είναι µικρότερη της τάσης κατωφλίου V E(th), η οποία είναι αντίστοιχη της τάσης V S(th) των MOSFET, το στοιχείο βρίσκεται σε κατάσταση ορθής αποκοπής. Στην ορθή αποκοπή το IBT διαρρέετε από ένα ελάχιστο ρεύµα διαρροής, καθώς δεν υπάρχει το στρώµα αναστροφής (κανάλι n) µεταξύ του εκποµπού και της περιοχής ολίσθησης. Η τάση ανάστροφης διάσπασης V BR είναι της τάξης των µερικών volt στα IBT µε διάτρηση. Σε ορισµένους τύπους IBT χωρίς διάτρηση, η τάση V BR είναι περίπου ίση µε την V CES. Αυτά τα IBT ονοµάζονται IBT µε ανάστροφη αποκοπή (reverse blocking IBT). Η χαρακτηριστική µεταφοράς του IBT παρουσιάζει τη µεταβολή του ρεύµατος συλλέκτη µε την τάση V E και σταθερή την V CE (Σχ. β). Η χαρακτηριστική µεταφοράς του IBT ορίζεται ακριβώς αντίστοιχα µε το MOSFET και η κλίση της ονοµάζεται διαγωγιµότητα (transconductance) g fs g fs i = u C E V CE = C (2.11) Το ρεύµα του συλλέκτη µεταβάλλεται γραµµικά µε την τάση V E. Η γραµµική µεταβολή δεν ισχύει µόνο σε µικρές τιµές του ρεύµατος συλλέκτη, κοντά στην τάση κατωφλίου. Η χαρακτηριστική µεταφοράς των MOSFET είναι ταυτόσηµη (Σχ. 2.13). Το κυκλωµατικό σύµβολο του IBT καναλιού n, εικονίζεται στο Σχ. γ. Η φορά του βέλους είναι αντίθετη στα IBT καναλιού p. 2.4.3 Περιοχές Ασφαλούς Λειτουργίας Οι µέγιστες τιµές των τάσεων και των ρευµάτων που επιτρέπεται να εφαρµοστούν σ ένα IBT προσδιορίζονται, όπως στα BJT και τα MOSFET ισχύος, από τις περιοχές ασφαλούς λειτουργίας (Safe Operating Areas). Στα IBT οι κατασκευαστές ορίζουν τρεις SOA. Την SOA έναυσης (turn on) ή ορθής πόλωσης FBSOA (Forward Bias SOA), που εικονίζεται στο Σχ. 2.19α, την SOA σβέσης (turn off) ή ανάστροφης πόλωσης RBSOA (Reverse Bias SOA) Σχ. 2.19β και την SOA βραχυκύκλωσης SCSOA (Short Circuit SOA). Η FBSOA των IBT είναι όµοια µ εκείνη των MOSFET ισχύος και τετράγωνη σε µικρούς χρόνους έναυσης. Η FBSOA περιορίζεται από το µέγιστο ρεύµα του συλλέκτη I CM(pulse), την τάση διάσπασης V CES, και τη µέγιστη θερµοκρασία της επαφής T j(max). Το ρεύµα I CM(pulse) είναι το µέγιστο παλµικό ρεύµα το οποίο µπορεί να εφαρµοστεί στο στοιχείο ώστε να αποφεύγεται η µανδάλωση. 2 20

ΚΕΦ. 2 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ Ι C V E4 V E3 V E2 V E1 > V E(th) V BR V E2 > V E1 0 V CES V CE (α) Ι C Συλλέκτης C g fs Πύλη 0 V E(th) V CE = Const. V E E Εκποµπός (β) Σχ. 2.18 Χαρακτηριστικές εξόδου (α). Χαρακτηριστική µεταφοράς (β) και το κυκλωµατικό σύµβολο του ΙBT καναλιού n (γ) Το ρεύµα I CM(pulse) είναι µεγαλύτερο του µέγιστου ρεύµατος συνεχούς λειτουργίας I CM(dc). Οι συνδυασµοί των τάσεων και των ρευµάτων στα άκρα του IBT δεν πρέπει να οδηγούν την εσωτερική θερµοκρασία του στοιχείου σε τιµές µεγαλύτερες της T j(max). Η συνήθης τιµή της T j(max), την οποία δεν πρέπει να υπερβαίνουµε ποτέ, είναι οι 150 ο C όπως και στα BJT. Η V CES είναι η ορθή τάση συλλέκτη εκποµπού, στην οποία προκαλείται διάσπαση χιονοστιβάδας της επαφής J 2. Η πτώση τάσης στα άκρα του IBT στην αγωγιµότητα V CE(sat), είναι µικρότερη από εκείνη του MOSFET ισχύος και περίπου ίση µ αυτή του BJT. Ακόµη, η τάση V CE(sat) µεταβάλλεται πολύ λίγο µε τη θερµοκρασία της επαφής Τ j. Αιτία είναι ο συνδυασµός του θετικού θερµοκρασιακού συντελεστή του MOSFET µε τον αρνητικό του BJT Τ 1. Η µικρή µεταβολή της τάσης V CE(sat) µε τη θερµοκρασία διευκολύνει την παράλληλη σύνδεση των στοιχείων. Η RBSOA στα σύγχρονα IBT είναι τετράγωνη, καθώς το φαινόµενο της µανδάλωσης έχει λυθεί σε µεγάλο βαθµό (latch up free IBT). Μόνο σε πολύ µεγάλες ταχύτητες µεταβολής της τάσης εκποµπού συλλέκτη du CE /dt κατά τη σβέση, αποκόπτεται ένα µικρό τµήµα της RBSOA, (γ) 2 21

ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΕΦ. 2 διακρίνεται µε διακεκοµµένη γραµµή στο Σχ. 2.19β. Οι χρόνοι µετάβασης, εποµένως και η ταχύτητα µεταβολής της u CE ελέγχονται µε την κατάλληλη επιλογή της αντίστασης πύλης R, όπως στα MOSFET ισχύος. Οι χρόνοι µετάβασης των IBT είναι µεγαλύτεροι από εκείνους των MOSFET, αλλά µικρότεροι των BJT, αντίστοιχων προδιαγραφών τάσης ρεύµατος. Η τετράγωνη SOA βραχυκύκλωσης (SCSOA), Σχ. 2.19γ, απεικονίζει τη µεγάλη εξέλιξη που έχει σηµειωθεί στην κατασκευή των IBT. Το στοιχείο µπορεί να άγει ρεύµατα συλλέκτη, σε συνθήκες βραχυκύκλωσης µικρής διάρκειας 5 10µs, έως και 10 φορές µεγαλύτερα του ονοµαστικού. Τότε, το IBT λειτουργεί στην ενεργό περιοχή µε τάση εκποµπού συλλέκτη έως και την τάση αποκοπής V CES, ενώ µια µεγάλη τάση πύλης V E µπορεί να το οδηγήσει στην αποκοπή. Η τάση της πύλης V E στα IBT πρέπει να είναι µικρότερη µιας µέγιστης τιµής V E(max), συνήθως ±20V έως ±30V. Ο περιορισµός αυτός επιβάλλεται για την αποφυγή της διάσπασης του SiO 2 της πύλης από υψηλά ηλεκτρικά πεδία, όπως και στα MOSFET ισχύος. I C I CM (pulse) I CM (dc) 10µs 100µs T j(max) 1ms C (α) V CES V CE I C I CM I CSC /I CN dυ CE /dt 5-10 (β) V CES V CE (γ) V CES V CE Σχ. 2.19 Περιοχές ασφαλούς λειτουργίας του IBT. FBSOA (α), RBSOA (β), SCSOA (γ) 2 22

ΚΕΦ. 2 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΑΚΟΠΤΕΣ ΙΣΧΥΟΣ 2.5 ΤΑ THYRISTORS Ο όρος thyristor αναφέρεται σε µια πολυµελή οικογένεια ηµιαγωγών διακοπτών, οι οποίοι αποτελούνται από τέσσερα ή περισσότερα στρώµατα ηµιαγωγών τύπου n και p. Όλα τα µέλη της οικογένειας των thyristors έχουν δύο ευσταθείς καταστάσεις λειτουργίας. Την κατάσταση αγωγι- µότητας και την κατάσταση αποκοπής. Στην οικογένεια των thyristors ανήκουν η δίοδος Shockley ή δίοδος τεσσάρων στρωµάτων pnpn, ο ελεγχόµενος ανορθωτής πυριτίου SCR (Silicon Controlled Rectifier), το TO (ate Turn Οff), ο ελεγχόµενος διακόπτης πυριτίου SCS (Silicon Controlled Switch), το IAC (Iode Alternating Current) και το TRIAC (TRIode Alternating Current). Νέα µέλη της οικογένειας είναι αµφίδροµος SCR (Bi irectional Control Thyristor, BCT), ο MOS ελεγχόµενος SCR, ο οποίος είναι γνωστός ως MCT (MOS Controlled Thyristor) και το Integrated ate Commutated Thyristor, ICT. Ο ελεγχόµενος ανορθωτής πυριτίου SCR είναι το κυριότερο µέλος της οικογένειας των thyristors και συχνά, καταχρηστικά, αναφέρεται µε το όνοµα ολόκληρης της οικογένειας. Ο πρώτος SCR κατασκευάστηκε το 1958 στις Ηνωµένες Πολιτείες από την eneral Electric και προκάλεσε επανάσταση στον τοµέα των ηλεκτρονικών διατάξεων ισχύος. Ο SCR είναι στοιχείο φορέων µειονότητας, όπως το BJT και έχει τη µεγαλύτερη ικανότητα ελέγχου ρεύµατος και αποκοπής τάσης, από όλους τους ηµιαγωγούς διακόπτες ισχύος. Έτσι, στις εφαρµογές πολύ µεγάλης ισχύος, όπως είναι η µεταφορά ενέργειας µε συνεχή τάση (HVC High Voltage irect Current), είναι ο µοναδικός διακόπτης που µπορεί να χρησιµοποιηθεί. Ειδικά για τις HVC εφαρµογές έχουν κατασκευαστεί SCR οι οποίοι διεγείρονται µε φως (Light Triggered Thyristors LTT). 2.5.1 Κατασκευαστική οµή του SCR Ο SCR έχει µια δοµή τεσσάρων στρωµάτων p n p n, µε τρεις ακροδέκτες, η οποία εικονίζεται στο Σχ. 2.20α. Οι τρεις ακροδέκτες ονοµάζονται άνοδος, κάθοδος και πύλη. Στο Σχ. 2.20α έχουν καταγραφεί οι τυπικές τιµές της πυκνότητας των προσµίξεων σε κάθε περιοχή, όπως και το πάχος του κάθε στρώµατος. Ειδικότερα, η κατανοµή των προσµίξεων σ ένα SCR 6.5kV παρουσιάζεται στο Σχ. 2.20β. Η κατασκευαστική δοµή του SCR µοιάζει µε εκείνη του διπολικού transistor npn (Σχ. 2.5). Η κάθοδος του SCR αντιστοιχεί στον εκποµπό του BJT και η πύλη στη βάση. Η περιοχή n είναι αντίστοιχη της περιοχής ολίσθησης του συλλέκτη. Η περιοχή n µε τη µικρή πυκνότητα προσµίξεων έχει και στον SCR ως σκοπό την απορρόφηση της περιοχής κένωσης της ανάστροφα πολωµένης επαφής J 1 ή της J 2. Εποµένως, η περιοχή n 1 έχει τόσο µεγαλύτερο πλάτος όσο µεγαλύτερη είναι η τάση διάσπασης του στοιχείου. Η διαφορά του SCR από το BJT είναι η περιοχή p 1, η οποία δεν υπάρχει στο transistor npn. Η περιοχή p 1, µε την οποία συνδέεται ο ακροδέκτης της ανόδου είναι αυτή που προσδίδει στον SCR την ιδιαίτερη συµπεριφορά που θα εξετάσουµε στη συνέχεια. Η περιοχή p 1 της ανόδου καθιστά τον SCR στοιχείο τριών επαφών p n (στο Σχ. 2.20α συµβολίζονται ως J 1, J 2, J 3 ), ενώ το transistor είναι στοιχείο δύο επαφών. Η κάτοψη του SCR (Σχ. 2.20γ) παρουσιάζει την πύλη του στοιχείου συγκεντρωµένη στο κέντρο του πλακιδίου. Το πλακίδιο έχει διάµετρο αρκετά εκατοστά, έως 10cm, στους SCR πολύ µεγάλης ισχύος. Επίσης, η επιφάνεια της καθόδου είναι πολύ µεγαλύτερη από την επιφάνεια της πύλης. Αυτή η απλή δοµή συγκεντρωµένης πύλης χρησιµοποιείται συνήθως στα στοιχεία µικρής ισχύος. Οι SCR µεγάλης ισχύος, όπου η διάµετρος του πλακιδίου είναι µεγάλη, κατασκευάζονται µε κατανεµηµένη πύλη. Ακόµη, η περιοχή n + της καθόδου δεν είναι ενιαία, αλλά αποτελείται από πολλές µικρές περιοχές. Η κατανεµηµένη πύλη και η πολύπλοκη δοµή πύλης καθόδου, η οποία είναι αντίστοιχη της δοµής πολλαπλών εκποµπών στα BJT (Σχ. 2.6), βελτιώνουν σηµαντικά τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των SCR. Οι SCR ταξινοµούνται σε δύο κατηγορίες, ανάλογα µε τη χρήση τους. Σε phase control type SCR (PCT) και σε inverter ή fast switching type. Οι SCR του πρώτου τύπου είναι κατάλληλοι σε εφαρµογές χαµηλών συχνοτήτων, όπως είναι οι ανορθωτές της τάσης του δικτύου στα 50Hz ή τα 60Hz. 2 23