Тема: Управление на униполярни и биполярни транзистори



Дата01.05.2018
Размер147.9 Kb.


ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – СОФИЯ

ФИЛИАЛ ПЛОВДИВ


КУРСОВА РАБОТА
ПО

Преобразувателна техника
Тема:

Управление на униполярни и биполярни транзистори.

Проверил ...........................


/……………./

MOSFET – транзистор

(метал-полупроводников полеви транзистор)

MOSFET - полеви транзистори с изолиран управляващ електрод (метал, окис, полупроводник). Те могат да бъдат с вграден канал и с индуициран канал. Основни предимства на полевите транзистори са:

-високо входно съпротивление – (106 – 109) Ω.

-малък шум

-по-проста технология за производство

-малка разсейвана мощност и от там по-висока интеграция на елементи в един чип.

-Стабилна работа в широк температурен интервал

-Устойчиви са на йонизиращи облъчвания


Съществуват два вида MOS транзистори – с вграден канал и с индуциран канал. Всеки от тях може да бъде с n канал или с p канал, така че се получават общо четири разновидности.


Принципът на действие се основава на полевия ефект. Състои се във възможността за промяна на проводимостта на канала между сорса и дрейна с помощта на външно напрежение, приложена на гейта. Нормално сорсът и подложката са свързани накъсо. В реалната MOS структура съществуват електрически заряди в изолационния слой с плътност QSS и заряди на границата диелектрик – полупроводник с плътност Q. Те се дължат на повърхностни енергийни състояния на силиция, уловки и йонизирани примеси в окиса и на разделителната повърхност и други. Зарядите в изолационния слой се разделят на фиксирани и подвижни.подвижните заряди могат да променят местоположението си в обема на слоя под влияние на външни фактори (ел. поле, температура).

С увеличаване на гейтовото напрежение над праговото концентрацията на подвижните токоносители в канала расте, MOS – транзисторите с индуциран канал работят в режим на обогатяване.

В MOS – транзистори с вграден канал във веригата дрейн – сорс протича ток и при нулево напрежение на гейта. При подаване на отрицателно напрежение на гейта на транзистор с Р тип вграден канал концентрацията на токоносителите в канала се увеличава и дрейновият ток расте.

Статични характеристики на MOS – транзистори

Изходни статични характеристики на MOS – транзистори се описват от зависимостите ІD = ∫ (UDS) при UGS = const

В началната област с увеличаване на напрежението на дрейна UDS изходния ток ІD рязко нараства. При протичането на тока през канала поради напрежителния пад върху омическото му съпротивление действащото напрежение гейт – подложка намалява от сорса към дрейна. Съответно намалява и сечението на проводящия канал от сорса към дрейна. При напрежението на насищане UDSат индуциращото канала напрежение гейт – подложка в областта до дрейна става равно на праговото и каналът се прищипва. При по нататъшното увеличаване на дрейновото напрежение UDS токът ІD се насища – пентодна област.

Насищането на дрейновия ток се дължи и на ефекта на насищане на дрейфовата скорост на токоносителите или намаляване на подвижността им при движение в силно електрическо поле. В режим на насищане каналът се скъсява, като напрежението, приложено върху него, остава равно на напрежението на насищане.

При големи напрежения на дрейна в MOS – транзистора настъпва пробив, като механизмът му има следния характер.



  • Лавинно умножаване на броя на токоносителите в канала поради ударна йонизация. Нормално преди пробива транзисторът е отпушен и протича дрейнов ток.

  • Електрически пробив на прехода дрейн – подложка обикновено настъпва, когато приборът е запушен и напрежението на дрейна има значителна стойност. Големината на пробивното напрежение зависи от потенциала на гейта.

  • В транзистори с къс канал и слабо легирана подложка се наблюдава пробив на „залепване” на дрейна със сорса.

  • Характерен пробив на MOS структурите е пробивът на диелектрика между гейта и подложката, водещ до необратимо разрушаване на прибора.

Характерът на предавателните или проходни статични характеристики ІD = ∫ (UGS)⎤ UDS = const може лесно да бъде обяснен, като се има предвид принципът на действие на MOS – транзистора.

Точно описание на характеристиките на прибора в различните режими на работа може да се получи при едно- или двумерно числено решаване на системата частни диференциални уравнения, описващи процесите на пренасяне на заряда в инверсния слой.

Основни електрически параметри

Праговото напрежение Uт е основен параметър на MOS – транзистора. То се определя от конструктивно – технологичните особености на структурата и зависи от напрежението сорс – подложка USВ. Полярността на напрежението USВ е такава, че преходът сорс – подложка е поляризиран обратно. В действителност подложката играе роля на втори управляващ електрод по отношение на канала.

Стръмността на предавателната характеристика е характерен параметър, изразяващ усилвателните качества на MOS – транзистора

Стръмността на активните резистори се увеличава чрез увеличаване на специфичния капацитет на гейта Со, намаляване на дължината и увеличаване на широчината на канала.

Динамичното изходно съпротивление RDS се определя от изходните характеристики в режим на насищане.

Входният ток ІG е много малък и се определя от утечките през диелектрика на гейта и по повърхността.


Запушване на канала в MOSFET транзисторите

Както и при JFET, така и при MOSFET транзисторите се наблюдава ефект на “запушване”

на канала. При MOSFET с индуциран канал е необходимо някакво положително напрежение VGS ~Vth, при което да се формира ефективен канал (в случая от n-тип). При MOSFET с вграден канал ток в канала тече и при VGS ~ 0, а каналът се запушва при определено отрицателно напрежение VGS ~–VP, както е при JFET транзисторите. На фигурите долу вляво този ефект е показан качествено за по-разпространените днес MOSFET с индуциран канал. Ширината на канала е неравномерна поради наличието на пад на напрежението по дължина му. Насищане на канала.Нека сега напрежението VGS да е достатъчно високо (VGS> Vth) и да растe напрежението VDS

. При VDS < VDS (sat) токът IDS расте (омична област). При VDS ~ VDS (sat) = VGS –Vth настъпва ефект насищане (pinch-off), при което броят на носители не се променя повече. Ако VDS продължава да растe, електроните се прехвърлят към D чрез екстракция и токът IDS се насища. Ако ΔL е “pinch-off” областта, то при дълъг канал (L ™ ΔL) токът IDS остава постоянен, докато при къс канал (L ~ΔL) IDS леко нараства.


Изходни характеристики на MOSFET транзистори

Показани са качествено семейство изходни VA-характеристики на двата типа MOSFET транзистори. Те доста приличат на тези на JFET. Разликата се състои в интервала на използваните управляващи напрежения. И тук се наблюдава омична област, която е по-ясно изразена при MOSFET с вграден канал и област на насищане. Вдясно са дадени формулите за тока IDS за MOSFET с индуциран канал в двете области на графиката (формулите за MOSFET с вграден канал са същите, както за JFET).





Осигуряване на работната точка на MOSFET транзистори

Отново е показана изходна VA-характеристики на NMOS транзистор и проста схема на

осигуряване на работният dc режим на транзистора.



Честотни свойства на полевите транзистори

Честотните свойства на полевите транзистори ще анализираме чрез честотната зависимост

на стръмността му S(f)= ΔIDS /ΔVGS ~ 1/gm. Тази зависимост може да се представи така:



Така честотата, до която може да се използва даден FET, зависи от минимизиране на времето tch за прелитане на носителите през канала, и времеконстантата τSD на общия капацитет между S и D. По-точен анализ може да се направи чрез еквивалентната схема на FET.





ВЛИЯНИЕ НА ТЕМПЕРАТУРАТА
При повишаване на температурата, праговото напрежение UT на всич­ки MOS транзистори намалява по абсолютната стойност. Тази зависимост е почти линейна, което позволява MOS транзисторите да бъдат използвани като температурни датчици (фиг.1).

Намаляването на UT води до увеличаване на дрейновия ток ID, но от друга страна вследствие на намаляване на подвижността на токоносителите μ в канала ID намалява. Следователно MOS транзисторите, подобно на полевите транзистори с PN-пpexoд, също притежават термостабилна точка. При малки токове температурният коефициент на тока е положителен (TKID > 0), т.e.с нарастване на температурата, стойността на тока се увеличава.


Фиг.1 Фиг.2


При относително големи токове температурният коефициент на тока става отрицателен (ТКID < 0), т.е. с нарастване на температурата, дрейновият ток намалява (фиг. 1).

Термостабилната точка при MOS транзисторите зависи от редица конструктивни параметри, т.е при различните екземпляри тя се намира на различно място в полето на статичните характеристики. По тази причини когато се конструират термостабилни стъпала, е нужен индивидуален подбор на транзисторите.

Използването на галиев арсенид GaAs за направата на MOS транзистори води както до подобряване на честотните им свойства, така и до увеличаване на тяхната работна температура - до 300 °С (Si MOS транзистори работят до 200 °С). Това се дължи на факта, че GaAs се характеризира с no-голяма подвижност на токоносителите и по-голяма широчина на забранената зона.

Увеличаването на температурата води и до нарастване на гейтовия ток, но това нарастване е по-слабо изразено при MOS транзисторите в сравнение с полевите транзистори с РN-преход.

В заключение може да се каже, че MOS транзисторите са температурно по-стабилни отколкото полевите транзистори с PN-преход.
ВЛИЯНИЕ НА ПОДЛОЖКАТА
При дискретните елементи подложката обикновено е свързана със сорса. В интегралните схеми това невинаги е възможно, тъй като подложката е обща, а сорсовете на всички транзистори не са свързани. За да се изолират интегралните транзистори, подложката от тип P трябва да има най-отрицателния потенциал, а ако е от тип N - най-положителния.

Подложката може да бъде разглеждана като втори гейт, тъй като напрежението сорс-подложка USB оказва влияние върху канала, т.е. върху проводимостта на канала оказват влияние напреженията UGS и USB, приложени върху двата срещуположни метални електроди - гейта и подложката. Това влияние се обяснява по следния начин - прилагането на обратно. напрежение сорс-подложка USB води до промяна на праговото напрежение USB съгласно съотношението

UT = /2.

Това отношение може да се използва за корекция на праговото напрежение UT.



IGBT транзистор

(биполярен транзистор с изолиран гейт)
IGBT транзистора е най често използваният ключ в съвременните преобразувателни устройства. Техните параметри и характеристики определят развитието на модерната силова електроника. Първоначално прибора е известен като IGT (Insulated Gate Transistor) или IGR (Insulated Gate Rectifier). Предлага се за индустриални нужди от 1983год.

Структура и функциониране на IGBT

IGBT приборите представляват комбинация от MOS транзистор на входа и мощен биполярен транзистор на изхода. На фиг.1.15 е показана структурата на прибора, еквивалентната схема и графичното му означение. Прибора има три електрода: G-гейт, С-колектор, и Е-емитер. Структурата на IGBT наподобява донякъде структурата на MOS транзистора. Разликата е, че обогатеният N+ слой на дрейна е заменен с обогатен р+ слой на колектора в IGBT. Подобно на MOS транзистора, IGBT има високо входно съпротивление, но същевременно в отпушено състояние има и характеристиките на биполярен транзистор. При подаване на положително напрежение на гейта спрямо емитера, което е над определена прагова стойност, в P областта се индуцира N канал. В резултат прехода база-емитер на PNP транзистора се поляризира в права посока и това довежда до инжекция на дупки в N-областта. Дупките преминават обратно поляризирания колекторен преход P+-N- на транзистора и осигуряват колекторен ток. Инжекцията на неосновни токоносители променя проводимостта на N-областта, довеждайки до значително намаляване на съпротивлението на отпушения прибор в сравнение с MOS транзистора. Значителният емитерен ток на PNP транзистора довежда до пад на напрежение. Този пад поляризира в права посока преходабаза-eмитер на NPN транзистора и го отпушва. Налице е положителна връзка между двата транзистора PNP и NPN, характерна за тиристорна структура. Прибора се отпушва. За отпушване на прибора обикновено е необходимо прагово напрежение от 10-12V. За запушване е достатъчно нулево напрежение гейт-емитер. За по надеждното запушване е препоръчително подаването на отрицателно напрежение гейт-емитер в диапазона -10 до -18V.



Комутационни процеси и характеристики

На фиг.1.16 са показани типични форми на напрежението и тока на IGBT по време на комутационните процеси при отпушване и запушване, както и характерните времеинтервали и фронтове. Прибора се отпушва за кратко време, съизмеримо с отпушването на MOS транзистор (но все пак IGBT са побавни). Различават се следните времеинтервали: tз,вкл - време на закъснение при включване; tф1 време на фронта при включване. Запушването на IGBT е по сложно и включва три времеинтервала: - tз,изкл време за закъснение при изключване, през което напрежението на гейта пада до едно прагово ниво, след което колекторния ток започва да нараства.- tф2 време на фронта на намаляване на колекторния ток. През този времеинтервал заряда на входния капацитет гейт-сорс е намален до нула от входния отрицателен ток. Напрежението колектор-емитер започва да нараства. Фронта започва от момента на достигане на тока 90% от установената му стойност и продължава до достигане на напрежението колректор-емитер 10% от установената му стойност. - tф3 време на фронта на нарастване на напрежението колектор емитер и намаляване на колекторния ток до 10% от установената му стойност. През това време концентрацията на неосновни токоносители в N- слоя намалява бързо, но все още има колекторен ток.



Този ефект се нарича ‘токова опашка’ и е основна причина за комутационните загуби в IGBT. В съвременните прибори се предприемат специални мерки за намаляване продължителността на този времеинтервал, като в най добрите (най-бързи IGBT) се достига до общо време (tф2+tф3) по-малко от 300 ns. Съществено качество на IGBT, сравнен с MOS транзистора, е значителното намаляване на входния капацитет гейт-сорс. Допълнително положително качество е намаленото отношение на капацитетите гейт-колектор към гейт-емитер (т.е. капацитета гейт-колектор е още по-вече намален). Този ефект подобрява комутационните характеристики при получаващите се високи стойности на du/dt при включване и изключване на прибора.


IGBT драйвери

Комутационните параметри на IGBT и тяхната надеждна работа, и оттук параметрите, гъвкавостта и надеждността на преобразувателните устройства, зависят силно от драйверното стъпало. На пазара се предлагат специализирани IGBT драйвери в интегрално изпълнение. Основните производители на IGBT предлагат и драйверни схеми. Например схемата IR2110 на International Rectifier е драйвер за управление на 2 транзистора от полумост, при осигуряване на галванична изолация. И двата входни сигнала – за ‘горен’ и ‘долен’ транзистор се обработват от тригери на Шмит. Схемата има и защита срешу намаляване на захранващото напрежение. Някои от параметрите на драйверите са съобразени с изискванията за приложения, касаещи електрически задвижвания, подобен е драйвера HCPL316J, осигуряващ защита от късо съединение и обратна връзка. Разширяване на възможностите на защитата по ток на IGBT са свързани с добавяне зависимост на времето на реакцията на защитата от степента на токовото претоварване (т.е. защитата не е прагова). Основните изисквания към IGBT драйверите са следните:

- защита по ток;

- ниско изходно съпротивление, позволяващо бързо зареждане на капацитета на товара (гейт-емитер, CGE);

- възможност за поддържане на продължително двуполярно изходно напрежение;

- да се възприемат стандартните логически входни нива;

- определена точност във времето при комутацията.

А. Точност и бързина на IGBT драйвера

Точността и бързината на IGBT драйвера при комутацията са важни показатели, определящи продължителността на ‘мъртвото време’ (dead time) при мостови приложения. Намаляването на ‘мъртвото време’ограничава породените от наличието му негативни ефекти:

1. Нарушения във формата на изходното напрежение при инвертори със ШИМ, нелинейност на инверторите. При приложения, касаещи електродвигатели или електрогенератори, наличието на относително голямо мъртво време може да доведе до проблеми със стабилността на управлението

2. Неточността при комутацията е причина за паразитни постоянни токове в някои топологии (мостови преобразуватели, преобразуватели със средна точка на трансформатора).

3. Същевременно бързината и точността на използуваните в последните години управляващи схеми (микропроцесори, специализирани интегрални схеми) са подобрени, в резултат на което

бързината и точността на драйвера се явява определяща за параметрите на реакцията на цялата управляваща система.

Б. Особености и изисквания към IGBT драйверите при отпушване на

ключа

С оглед намаляване на комутационните загуби при отпушването на IGBT времето на отпушване трябва да е възможно най-кратко. Колекторният ток зависи изцяло от приложеното напрежение гейт-емитер и с оглед намаляване на комутационните загуби времето на



отпушване трябва да е възможно най-кратко. Това означава, чекапацитета на гейта трябва да се зарежда бързо от изходно стъпало с малко съпротивление. Бързото зареждане на капацитета на гейта води до бързото нарастване на колекторния ток IC и до бързо намаляване на колекторното напрежение. И двата ефекта водят до намаляване на комутационните загуби. Обаче бързото отпушване причинява високи dU/dt върху комплементарния ключ в мостови топологии. Това води до протичане на ток през капацитета колектор-гейт към капацитета гейт-емитер, който ток води до увеличаване на напрежението на гейта и в резултат е възможно нежелано отпушване на комплементарния ключ. От изложеното следва изводът, че токът на зареждане на капацитета на гейта при отпушване трябва да бъде ограничен чрез последователен резистор. Допълнителен негативен ефект от бързото отпушване (високи di/dt) е индуцираното напрежение в емитерния терминал (извод). Това напрежение води до пулсации на напрежението гейт-емитер и до увеличени комутационни загуби. За избягване на този негативен ефект се препоръчва минимизиране на общата серийна

индуктивност и конкретно минимизиране на присъединителните проводници.

В. Особености и изисквания към IGBT драйверите при запушване на

ключа


За да се осигури бързо разреждане на капацитета гейт-емитер и да се подтисне влиянието на паразитната индуктивност на емитера, се налага прилагане на отрицателно напрежение UGE през време на запушване на IGBT. Същевременно, едно много бързо запушване на IGBT причинява високи стойности на dU/dt между изводите колектор и емитер, което води до инжекция на ток в капацитета на гейта през капацитета колектор-гейт. В резултат е възможно ново отпушване на ключа, водещо до увеличаване на загубите и ограничаващо максималната работна честота. Друг нежелан ефект от много бързото запушване на IGBT е неравномерното токово разпределение във

структурата на ключа, водещо до претоварване на някои от паралелните кристали. Препоръчва се отрицателното напрежение при запушване да се прилага през последователен резистор. За

предотвратяване на нежелано отпушване на ключа, е препоръчително отрицателното напрежение UGE да е приложено през цялото време, през което ключът трябва да е запушен. Г. Особености и изисквания към защитата по ток За изграждане на защита по ток е препоръчително използването на

факта, че при определени стойности на IC, в зависимост от приложеното напрежение UGE, IGBT "излиза" от режим на насищане и колекторното напрежение UCE се увеличава бързо. Този факт може да бъде използуван като информационен признак за изграждане на защита по ток. Чрез следене на UCE, е възможно запазване на частичен контрол над преобразувателя при повишаване на IC (респективно UCE), тъй като ключовете не се запушват веднага и е възможно реализирането на по-

къси импулси, когато има само претоварване по ток, но не и късо съединение. Блоковата структура на IGBT драйвер за управление на един транзистор, обикновено включва следните основни блокове:

- Блок за оптронно развързване на входните и изходните сигнали.

- Галванически изолирано захранване. Необходимостта от

галванически изолирано захранване се налага от мостовите топологии.

- Изходно стъпало, осигуряващо достатъчно голям пиков ток.

- Блок за детектиране на повишено колекторно напрежение.

- Логически блок за обработка за сигналите.

Предимства и приложение на IGBT

Oсновните предимства на IGBT са:

- висока токова плътност, по голяма от токовата плътност при биполярните транзистори и MOS транзисторите;

- приблизително 30% от размерите на MOS транзистор с подобни параметри;

- пада върху отпушения IGBT е съизмерим с този на биполярен транзистор, но много по малък в сравнение с MOS транзистора;

- значително по малък входен капацитет в сравнение с MOS транзистора.



Можем да обобщим, че IGBT съчетава основните предимства на биполярната технология и технологията на полевите транзистори. IGBT са широко използувани в средно мощни и мощни

преобразувателни устройства, в задвижвания, UPS системи, в индустриални уредби за индукционно нагряване, за заваряване и др. Времената на превключване на IGBT прибора са около 200-500ns. При мощности над 500W, тези прибори представляват добър компромис между скорост на превключване, напрежение на насищане и мощност в управляващата верига. IGBT може да се използува като ключ и като линеен усилвател.
Каталог: files -> files
files -> Р е п у б л и к а б ъ л г а р и я
files -> Дебелината на армираната изравнителна циментова замазка /позиция 3/ е 4 см
files -> „Европейско законодателство и практики в помощ на добри управленски решения, която се състоя на 24 септември 2009 г в София
files -> В сила oт 16. 03. 2011 Разяснение на нап здравни Вноски при Неплатен Отпуск ззо
files -> В сила oт 23. 05. 2008 Указание нои прилагане на ксо и нпос ксо
files -> 1. По пътя към паметник „1300 години България
files -> Георги Димитров – Kreston BulMar
files -> В сила oт 13. 05. 2005 Писмо мтсп обезщетение Неизползван Отпуск кт


Поделитесь с Вашими друзьями:




База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2020
отнасят до администрацията

    Начална страница