PRIEMYSELN ELEKTROTECHNIKA Katedra teoretickej a priemyselnej elektrotechniky FEI

PRIEMYSELNÁ ELEKTROTECHNIKA Katedra teoretickej a priemyselnej elektrotechniky FEI TU Košice

Stavba hmoty a nosiče náboja Protón Jadro Neutrón Elektrón Bohrov model atómu Všetky deje, ktoré súvisia s vedením prúdu v látkach, sa týkajú elektrónov valenčnej sféry.

Pásmový model látky 1. Vodivostné pásmo, 2. Zakázané pásmo, 3. Valenčné pásmo, 4. W[e. V] – Celková energia elektrónov atómu látky. Schopnosť látky viesť elektrický prúd závisí od šírky jej zakázaného pásma. Vodiče nemajú zakázané pásmo. Takže vo vodivostnej sfére kovov je pri všetkých podmienkach dostatočný počet voľných elektrónov, ktoré vedú elektrický prúd.

Neusporiadaný pohyb častíc Ak na látku nepôsobí elektrické pole, ale má zabezpečený dostatočný prívod energie (napr. tepla) na to, aby sa elektróny mohli uvoľňovať z väzieb, pohybujú sa voľné elektróny v kryštálovej mriežke neusporiadanými pohybmi, ktoré pripomínajú hemženie. Pritom však žiadny zo smerov pohybu neprevláda a preto napriek veľkej rýchlosti pohybu elektrónov nenastáva prenos náboja v žiadnom smere. Látka je v dynamickej rovnováhe. A - prierez, l - dĺžka, Vd – rýchlosť elektrónu, I – prúd. Ak medzi dve miesta v látke pripojíme zdroj napätia, vznikne vnútri kryštálovej mriežky elektrické pole, ktoré dáva voľným elektrónom zložku rýchlosti v smere ku kladnému pólu zdroja. Neusporiadaný pohyb elektrónov v látke.

Vlastná vodivosť polovodiča Druh vodivosti, podmienený vznikom voľne pohyblivých párov nosičov náboja elektrón – diera v dôsledku rozbíjania väzieb medzi atómmi čistého polovodiča, sa nazýva vlastná (intrinzická) vodivosť polovodiča. Rekombinácia – zaplnenie voľného miesta (elektrónom) vo väzbe.

Nevlastná vodivosť polovodiča

Nevlastná vodivosť polovodiča V materiáloch, ktoré obsahujú prímesi pôsobí vždy súčasne vlastná aj nevlastná Vodivosť (vlastná vodivosť uvoľňovanie nosičov náboja pri rozbití väzby základného čistého polovodiča). Preto je v mat. s nevlastnou vodivosťou typu N okrem veľkého množstva voľných elektrónov aj určitý počet pohyblivých kladných nábojov (dier) a opačne. Voľne nosiče náboja, ktorých počet prevláda v materiály, sa nazývajú väčšinové (majoritné) a nosiče opačného znamienka sú menšinové (minoritné).

Prechod PN bez pôsobenia vonkajšieho napätia Difúzia – snaha voľných nosičov náboja rovnomerne sa rozptýliť v celom objeme monokryštálu. Difúzne napätie – rozdiel potenciálov medzi časťou P a N. Pre majoritné nosiče náboja vytvára difúzne napätie prekážku, ktorá sa nazýva potenciálová priehrada (bariéra), pre ktorú nemôžu nosiče náboja prenikať z jednej strany na druhú. Difúzne napätie UD na priechode PN Priechod PN bez vonkajšieho napätia

Prechod PN s pripojeným vonkajšieho napätia a) Priechod PN polarizovaný v spätnom smere, b) IR = f(UR) b) Priechod PN polarizovaný v priamom smere, b) IF = f(UF)

Polovodičové obvodové súčiastky Diódy a ich všeobecné vlastnosti a/ schematická značka a principiálne usporiadanie diódy b/ dióda polarizovaná v priamom smere c/ spätne polarizovaná dióda IF[A] Volt-ampérova (VA) charakteristika diódy UT 0 – prahové napätie diódy IR[m. A]

Diódy a ich všeobecné vlastnosti Náhradný obvod diódy Rs – predstavuje odpor zvyšného polovodičového materiálu (okrem priechodu) a odpor prívodov. Cv – kapacita Cv zhoršuje usmerňovací účinok diódy pri vysokých frekvenciách, pretože umožňuje prechod vf prúdu aj cez uzavretý prechod PN. Ls – predstavuje indukčnosť prívodov a uplatňuje sa pri veľmi vysokých frekvenciách. Rp – odpor PN priechodu. Kapacita diódy Veľkosť tejto kapacity je niekoľko p. F až niekoľko desiatok p. F. V závislosti od napätia sa mení aj šírka vyprázdnenej oblasti a teda aj kapacita diódy a súčasne sa mení aj odpor vyprázdnenej oblasti.

Diódy a ich všeobecné vlastnosti Dynamické parametre diódy – čas zotavenia Čas zotavenia diódy trr - čas, za ktorý dióda po zmene polarity anódového napätia obnoví svoju izolačnú schopnosť.

Diódy a ich všeobecné vlastnosti Vplyv teploty na vlastnosti diód a stratový výkon diódy Vplyv teploty na prúd prechádzajúci diódou Tepelný náhradný obvod diódy Stratový výkon diódy je výkon, ktorý sa pri prechode prúdu diódou mení na teplo. Ø prúd prechádzajúci diódou, Dovolená anódová strata Ø napätie na dióde, Ø maximálna prípustná teplota priechodu, Ø teplota okolia, Ø tepelný odpor diódy.

Druhy polovodičových diód Schottkyho dióda: – využíva na svoju činnosť usmerňujúci, kontakt polovodič – kov. Zenerova dióda (stabilizačná dióda): -dióda na stabilizáciu jednosmerného napätia, Kontakt vzniká napr. pritlačením ortuťovej - Zenerov jav, kvapky, alebo vákuovým naparením hliníka. -napätie pri ktorom vzniká Zenerov jav sa nazýva Zenerovo napätie.

Druhy polovodičových diód Kapacitná dióda Dióda PIN Závislosť kapacity diódy od anódového napätia v spätnom smere UR. 1 – strmý priechod (zliatinový) 2 – pomalý priechod (široký priechod) 3 – pre diódu s lin. závislosťou 1 2 a) Principiálne usporiadanie PIN diódy, b) VA charakteristika PIN diódy c) Závislosť hrúbky I vrstvy (intrinzická) od frekvencie Vrstva I sa neuplatňuje pri prechode jednosmerného prúdu alebo prúdov s nízkymi frekvenciami. Používa sa pri frekvenciách rádovo 100 -ky až 1000 -ky MHz. k – konštanta závislá od materiálu a vyhotovenia diódy

Tranzistory Základné rozdelenie tranzistorov Tranzistory Bipolárne PNP NPN IGBT Unipolárne s priechodom PN MOSFET so zabudovaným kanálom s indukovaným kanálom

Bipolárne tranzistory a) b) Principiálne usporiadanie a schematická značka tranzistorov

Činnosť bipolárneho tranzistora PNP Spätný prúd diódy kolektor-báza (zbytkový prúd tranzistora) Činnosť a schematická značka PNP - Veľkosť emitorového prúdu možno ovládať napätím UBE - Z celkového počtu dier, ktoré prechádzajú z emitora do bázy v oblasti bázy, rekombinuje len veľmi málo, obyčajne menej ako 1%. Úbytok elektrónov v báze, ktorý vznikol rekombináciou s dierami sa vyrovná bázovým prúdom IB. Tento prúd tvoria elektróny privádzajúce zo záporného pólu zdroja UBE. IE = IC + IB

Činnosť bipolárneho tranzistora PNP Činnosť a schematická značka NPN Skutočnosť, že kolektorový prúd vytvárajú majoritné a minoritné nosiče náboja v kolektore (t. j. diery prichádzajúce z bázy, ktoré sú v kolektore majoritnými nosičmi, a elektróny, ktoré sú minoritnými nosičmi), je dôvodom, prečo sa tranzistor nazýva bipolárny, t. j. tranzistor, ktorý využíva nosiče náboja obidvoch polarít.

Základné zapojenia, charakteristiky a parametre bipolárnych tranzistorov Základné zapojenia tranzistorov - SB (so spoločnou bázou) - SE (so spoločným emitorom) - SK (so spoločným kolektorom) Spôsob zapojenia nemá vplyv na vnútornú činnosť tranzistora (t. j. na podstatu pôsobiacich fyzikálnych javov). Poznámky: Všetky závery platné pre tranzistor NPN platia aj pre tranzistor PNP (V zapojeniach aj v grafoch sa však musí pri tranzistore PNP zmeniť polarita všetkých napätí a zmysel prúdov. ) Pre zapojenie tranzistora so spoločným kolektorom sa statické charakteristiky neuvádzajú, pretože všetky údaje, ktoré by sme z nich mohli určiť, môžeme určiť aj z charakteristík platných pre zapojenie so SE.

Základné zapojenia, charakteristiky a parametre bipolárnych tranzistorov Meranie statických charakteristík tranzistora so spoločnou bázou Charakteristiky tranzistora NPN so spoločnou bázou Meranie statických charakteristík tranzistora so spoločným emitorom Charakteristiky tranzistora NPN so spoločným emitorom

Základné zapojenia, charakteristiky a parametre bipolárnych tranzistorov Rozdielne správanie sa tranzistora v rôznych základných zapojeniach pri zmenách predchádzajúcich prúdov môžeme posúdiť podľa nasledujúcej úvahy: Ak sú zmeny prúdov DIc a DIe také malé, že tranzistor môžeme považovať za lineárnu súčiastku, nazývame pomer DIc/DIe pri konštantnom napäťí UCB prúdový zosilňovací činiteľ tranzistora v zapojení so spoločnou bázou, h 21 B, resp. prúdový zosilňovací činiteľ tranzistora v zapojení so spoločným emitorom, h 21 E.

Základné zapojenia, charakteristiky a parametre bipolárnych tranzistorov Prúdový zosilňovací činiteľ v zapojení so spoločným emitorom Závislosť statického prúdového zosilňovacieho činiteľa h 21 E od kolektorového prúdu Ic Kvalita tranzistora je práve funkciou prúdového zosilňovacieho činiteľa.

Základné zapojenia, charakteristiky a parametre bipolárnych tranzistorov Dynamické vlastnosti bipolárneho tranzistora Zapínací čas td – čas oneskorenia (delay time) tr – čas nábehu (rise time) Vypínací čas ts – čas presahu (storage time) tf – čas poklesu (fall time)

Dovolená pracovná oblasť tranzistora - je najdôležitejšou charakteristikou pre výber tranzistora, - predstavuje závislosť maximálne prípustného prúdu kolektora od napätia kolektor – emitor. Znázornenie bezpečnej pracovnej oblasti bipolárneho tranzistora

Tranzistory ovládané elektrickým poľom • Pracujú na princípe využitia elektrostatického poľa na ovládanie prúdu prechádzajúceho polovodičovou platničkou, • Tranzistor ovládaný elektrickým poľom – Filed. Effect-Tranzistor, FET, • V tomto prípade sa vedenia prúdu zúčastňujú nosiče náboja len jednej polarity (väčšinové náboje), • Používa sa aj názov unipolárny tranzistor.

Tranzistor ovládaný elektrickým poľom s priechodovým hradlom (JFET) Schematická značka JFET Zmena šírky vodivej časti kanálu pôsobením napätia UGE Toto rozšírenie je najväčšie v blízkosti kolektora, pretože napätie medzi kanálom a hradlom sa vplyvom ubytku napätia spôsobeného prúdom Ic od kolektora k emitoru zmenšuje.

Tranzistor ovládaný elektrickým poľom s izolovaným hradlom (MOSFET alebo MISFET) M – Metal, I – Insulation, S- Semiconductor, MO – Metal-Oxide.

Tranzistor ovládaný elektrickým poľom s indukovaným kanálom - Konštrukčné usporiadanie aj činnosť tranzistora sa veľmi podobá tranzistoru MIS s vodivým kanálom. - Kanál vznikne vytlačením dier z priestoru medzi emitorom a kolektorom. - Tvorba kanála a prechod prúdu je zabezpečený len pri kladnom predpätí hradla. Princíp činnosti MOSFET tranzistora s indukovaným hradlom

Bipolárne tranzistory s izolovaným hradlom (IGBT) Náhradná schéma, schematická značka a polovodičová štruktúra IGBT Bipolárny tranzistor s izolovaným hradlom ( angl. : Insulated-Gate-Bipolar-Transistor ) IGBT je kombináciou BJT a MOSFET.

Porovnanie vlastnosti tranzistorov Typické nevýhody bipolárnych tranzistorov: • • Tepelná nestabilita, nebezpečenstvo tepelného prierazu, nebezpečenstvo druhého prierazu, potrebný trvalý pomerne veľký bázový prúd a hlavne veľký bázový prúd pri zapínaní, oneskorené vyprázdňovanie bázy pri vypínaní a tým existencia času presahu ts, obmedzená pracovná frekvencia, nebezpečenstvo poškodenia inverzným prúdom, ťažkosti pri paralelnom radení.

Porovnanie vlastnosti tranzistorov MOSFET Výhody: • • • Vysoká vstupná impedancia (rádu GΩ), veľmi krátke spínacie časy (ton aj toff pod 1μs), možnosť práce pri frekvenciáh až do 500 k. Hz, neexistuje doba presahu ts pri vypínaní, paralelné zapojenie je možné prakticky bez obmedzenia, nehrozí nebezpečenstvo druhého prierazu ani inverzného prúdu. Nevýhody: • • • Vyššia cena a objem štruktúry v porovnaní s BJT a IGBT, pri tranzistoroch vyššieho napätia zvýšený odpor v zapnutom stave, možnosť poškodenia vstupu (hradla) elektrostatickým nábojom.

Porovnanie vlastnosti tranzistorov Vlastnosti IGBT : • riaditeľný v podstate napäťovými impulzmi, výstupná strana je značne prúdovo aj napäťovo zaťažiteľná, • pracuje v podstate ako „kaskádne“ zapojenie vstupného FET ktorým je riadený výstupný PNP tranzistor, • umožňuje dosiahnuť pomerne vysoké spínacie frekvencie vzhľadom na krátke zapínacie aj vypínacie časy. Obmedzenie pracovných frekvencií nad 20 k. Hz spôsobuje čas doznievania ttail („prúdový chvost“), • umožňuje vytvárať integrované výkonové moduly.

Výpočet hodnôt súčiastok Spínaný zaradením je L-AUTOEOI Yellow 60, čo je žltá Auto LED. Hradlový impulz je dodávaný z TTL logiky. Výstupná úroveň (H) je 5 V. Katalógové údaje: ILEDMAX = 70 m. A, UF = 2, 3 V. Stanovme si, že LED potečie prúd Ic 50 m. A Zvoľme typ tranzistora BC 548 B Katalógové údaje: ICmax = 100 m. A, UCE = 30 V, UCEsat = 0, 4 V, UBEsat = 0, 65 V (Si), h 21 e = 200.

Výpočet hodnôt súčiastok Určíme hodnotu bázového odporu RB: Prúd bázou: Úbytok napätia na RB: Hodnota odporu RB: Výkonová strata na tranzistore: Pokiaľ sa tranzistor používa ako spínač, volí sa hodnota prúdu tečúceho bázou aspoň 3 krát väčšia, než je potrebné pre plné otvorenie tranzistora.

Dimenzovanie výkonových častí jednofázového zvyšovacieho impulzného meniča Pri dimenzovaní jednotlivých častí meniča, sa vychádza z nasledujúcich požiadaviek: Pracovná frekvencia Optimálny operačný prúd Optimálne operačné napätie Výstupné napätie f = 50 k. Hz, Imp = 8 A, Ump = 12 V, Ubat = 14 V.

Dimenzovanie výkonových častí jednofázového zvyšovacieho impulzného meniča Výkonový vysokofrekvenčný spínač Vybrané parametre IGBT tranzistora IRGPC 40 F. Parameter Max. Jednotka Podmienky UCE Napätie kolektor – emitor 600 V IC Kolektorový prúd 27 A Tj Operačná teplota prechodu -55 - +150 °C RQJC Tepelný odpor prechod-púzdro TC=100°C Typ. Min. Max - - 0, 77 °C/W Tepelný odpor púzdro-okolie 0, 24 - - °C/W Typ. Min. Max. Saturačné napätie 1, 7 - - 2, 0 V IC=27 A, UGE=15 V td(on) Čas oneskorenia 28 - - TJ = 150°C, tr Čas nárastu 37 - - ns UGE = 15 V, td(off) Čas presahu 380 - - RQCS UCEon tf Čas poklesu 460 - - RG = 10 W, IC = 27 A

Dimenzovanie výkonových častí jednofázového zvyšovacieho impulzného meniča Výpočet strát tranzistora kde: PNEV PH PS PVOD - straty v nevodivom stave, straty v hradle, spínacie straty, straty v priepustnom (saturačnom) stave. Straty v hradle PH a straty vo nevodivom stave PNEV z pohľadu príspevku k celkovým stratám vznikajúcim na tranzistore PT(STR) môžeme zanedbať. Spínacie straty: Zahrňujú straty pri zapínaní PZAP a vypínaní PVYP tranzistora.

Dimenzovanie výkonových častí jednofázového zvyšovacieho impulzného meniča Výpočet strát tranzistora Stratová energia počas jedného zapnutia je: Stredný stratový výkon pri zapínaní (zapínacie straty): Stratová energia počas jedného vypnutia je: Stredný stratový výkon pri vypínaní (zapínacie straty) je rovný:

Dimenzovanie výkonových častí jednofázového zvyšovacieho impulzného meniča Výpočet strát tranzistora Priepustné (saturačné) straty: celkové straty na tranzistore Tepelne výpočty Bezporuchová činnosť výkonových polovodičových súčiastok (VPS) závisí od dostatočného chladenia. Hodnotu tepelného odporu chladiča Rq. SA, ktorý charakterizuje prestup tepla z chladiaceho zariadenia do okolitého prostredia súčiastky pre daný stratový výkon PT(STR) určíme podľa vzťahu Vypočítaná hodnota tepelného odporu chladiča Rq. SA predstavuje jeho maximálnu hodnotu pre daný stratový výkon PT(STR). Pre chladiace účely bol vybratý chladič typu SK 409 -38 STC s hodnotou tepelného odporu Rq. SA = 7°C/W.

Dimenzovanie výkonových častí jednofázového zvyšovacieho impulzného meniča Výpočet strát tranzistora Kontrola teploty prechodu tranzistora pre vybraný druh chladiča: Usmerňovacia dióda Vybrané parametre diódy BYW 29 -200 Parameter Max. Podmienky UR Záverné napätie 200 V IF(AV) Priepustný prúd 8 A TC=100°C Tj Operačná teplota prechodu -65 - +150 °C Typ Min Max RQJC Tepelný odpor prechod-púzdro 2, 8 - - °C/W RQCS Tepelný odpor púzdro-okolie - - - °C/W Typ Min Max UF Priepustné napätie 0, 85 - - V IF=5 A, TC=100°C trr Záverný zotavovací čas - - 35 ns IF = 1 A, UR = 30 V

Dimenzovanie výkonových častí jednofázového zvyšovacieho impulzného meniča Výpočet strát na dióde Celkové straty na dióde sa skladajú z týchto zložiek: kde: PVOD_D PNEV_D PVYP - straty v priepustnom stave diódy, - straty vznikajúce na dióde v závernom stave, - vypínacie straty diódy. Priepustné straty: kde: UTO r. D - prahové napätie diódy, diferenciálny odpor diódy pre ktorý platí:

Dimenzovanie výkonových častí jednofázového zvyšovacieho impulzného meniča Výpočet strát na dióde Vypínacie straty: kde: Qrr – komutačný náboj diódy, Ur – záverné napätie – pre daný prípad napätie akumulačného člena, Tepelne výpočty Keďže z katalógových grafických údajov je možné priamo vyčítať tepelný odpor prechod – okolie Rq. JA pre známu plochu chladiacej plochy, nie je potrebný výpočet pre hodnotu tepelného odporu chladiča Rq. SA Pre chladiace účely bol vybratý chladič typu HS-132 -38 s hodnotou tepelného odporu Rq. SA = 11 °C/W Kontrola teploty prechodu tranzistora pre vybraný druh chladiča:

ĎAKUJEM ZA VAŠU POZORNOSŤ Katedra teoretickej a priemyselnej elektrotechniky FEI TU Košice