Prof. Stanisław Kuta
Katedra Elektroniki AGH
e-mail: [e-mail]

Klucze stosowane

w energoelektronice

Klucze w

energoelektronice

DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE
TRANZYSTORY BIPOLARNE
TRANZYSTORY UNIPOLARNE
TYRYSTORY
TRIAKI
TRANZYSTORY IGBT

1. DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Dioda półprzewodnikowa jest dwuelektrodowym elementem nieliniowym

ze złączem prostującym p-n między obszarami półprzewodnika o

przewodnictwie typu n (donorowym) i przewodnictwie typu p

(akceptorowym) lub złączem prostującym metal-półprzewodnik (złączem

Schottky’ego).
Diody złączowe p

+

-n powstają w wyniku znacznego domieszkowana w

monolitycznym krysztale półprzewodnika obszaru o słabym przewodnictwie

donorowym jonami akceptorowymi o koncentracji N

A

, przynajmniej o trzy

rzędy większej niż koncentracja donorów (N

A

>>N

D

). Na granicy tych dwóch

obszarów tworzy się złącze skokowe p

+

-n o optymalnych właściwościach

prostujących.
Diody Schottky’ego powstają po naniesieniu na powierzchnię

półprzewodnika typu n odpowiedniej warstwy metalicznej; o pracy wyjścia

elektronu z tego metalu większej niż praca wyjścia z półprzewodnika. Tutaj

także powstaje warstwa ładunku przestrzennego w obszarze

przypowierzchniowym półprzewodnika na skutek termoemisji elektronów z

tego obszaru do metalu.

anoda katoda

a)

b)

c)

d)

p

+

n

N

A

N

D

x







x)

x

x

Q(x)

qN

D

-qN

A

i

D

u

D

U

BR

U

K

-I

0

Rys. 1. a) Przekrój przez jednorodne
skokowe złącze p

+

-n; a) rozkłady domieszek

po obu stronach złącza metalurgicznego; c)
rozkłady ładunków przestrzennych; d) zmiany
potencjału w obszarze warstwy zaporowej

gdzie I

0

– prąd zerowy diody (przy u

D

<<0)

0

e

1

D

T

u

U

D

i

I





















.

0

0

e

1

D

T

u

U

R

i

I

I

























i

D

i

D

u

D

u

D

t

t

U

M

I

FSM

-I

0

dla f=50 Hz

dla f=kilkadziesiąt kHz

Rys.2. Praca diody prostowniczej

(U

m

i I

FSM

– maksymalne wartości

napięcia i prądu diody)

Tabela 1.1. Typowe parametry elektryczne diod

prostowniczych typu 1N4 (BYP-4)

Typ

U

RR

M

[V]

U

BR

[V]

przy I

R

=10

A

min– typ.-

max

I

F

[A

]

U

F

[mV]

przy I

F

[A]

min – typ.-max

I

R

[A]

przy U

R

[V]

min – typ.-max

t

rr

[s

]

C

j

[pF]

(U

R

=1

0V

f= 1

MHz)

1N40
01

200

200 – 350

1

99 - 1110

1

00 5 –

0,1

30

0

30

6 - 8

1N40
04

400

400 - 480

1

980 - 1100

1

0,02 -10

40

0

30

6,2 -

9,0

1N40
05

600

 

1

1100

1

10 -

60

0

30

 

1N40
06

800

 

1

1100

1

10 -

80

0

30

 

1N40
07

100

0

 

1

1200

1

10

10
00

30

 

Pierścień Anoda

ochronny SiO

2

E

max

E

Katoda x

10 m

250 m

p

+

p

+

p

+

n

-

n

+

d

RD

Diody dużej
mocy

Przekrój struktury diody krzemowej dużej mocy i
rozkład pola elektrycznego (napięcia anodowego) przy
polaryzacji zaporowej

Typowe parametry krzemowych diod

mocy

Typ diody

Max.
napię
cia

Max.
prądu

Napięcie
przewod
zenia

Szybkoś
ć
przełącz
enia

Zastosowania

Prostownicze
wysokonapięci
owe

30 kV

 ,5

A

 1 V

 1 ns

Układy WN

Ogólnego
zastosowania

 5

kV

 1

kA

0,7  2,5

V

 25 s

Prostowniki5
0 Hz

Przełączające

 3

kV

 2

kA

0,7 1,5

V

< 5 s

Układy
komutacyjne

Diody
Schottky’ego
mocy



1 V

 3

A

0,2  ,9

V

 3 ns

Prostowniki
AF i RF

Diody Zenera
mocy



3 V

( 75

W)

 

 

Układy
stabilizacyjne
i referencyjne

i

D

I

F

0,9I

F

t

rr

0,1I

F

t

r

0,25I

rr

t

I

rr

u

D

U

rf

U

ON

U

R

t

ON

załączenie diody przełączenie diody

1,1U

ON

t

Q

rr

Przebiegi czasowe prądu oraz napięcia diody mocy podczas załączania i
przełączania

Pierścień Anoda

ochronny SiO

2

złącze prostownicze

Złącze omowe

Katoda

p

+

p

+

n

-

n

+

warstwa
zubożona

.

Struktura złączowa diody Schottky’ego

2. Bipolarne tranzystory

mocy

E C E C

a) b)

B B

a

R

i

R

a

F

i

F

a

R

i

R

a

F

i

F

E

i

E

i

C

C E i

E

i

C

C

i

F

i

R

i

F

i

R

i

B

i

B

u

BE

u

BC

u

BE

u

BC

B B

Bipolarne tranzystory mocy różnią się nieco
od tranzystorów normalnych wewnętrzną
strukturą złączową, i jej powierzchnią,
głównie w obszarze kolektora. Muszą one
bowiem wytrzymywać napięcia rewersyjne
U

CBmax

>200V. Złącze baza-kolektor jest w

zasadzie diodą p-i-n z pogrubioną warstwą
bazy – aby uniknąć jej przebicia skrośnego
przy tak dużych napięciach. W efekcie,
tranzystory mają dużo mniejszy
współczynnik β

F

=2550 oraz szerszy

obszar nasycenia; na charakterystykach
wyjściowych jest to tzw. kwazinasycenie
U

CE(sat)

= 1,2 4 V.

C C
B B

10k 150 10k 150

E E

n-p-n p-n-p

Budowa wewnętrzna tranzystorów

Darlingtona

TO-251

TO-202

TO-126

TO-218AC

TO-3

TO-220

Typy obudów tranzystorów

mocy

1.3. TRANZYSTORY
UNIPOLARNE

n

+

n

+

a) Stan odcięcia: U

GS

<V

T

b)

U

GS

Dren U

DS

Źródło SiO

2

bramka

Stan załączenia: U

GS

>V

T

zakres:

p L - liniowy c)

U

GS

-U

DS

>V

T

podłoże

-nasycenia

U

BS

U

GS

–U

DS

<V

T

d)

L’

a) Przekrój i sposób polaryzacji tranzystora

n-MOSFET normalnie odciętego: b) w stanie odcięcia i stanie
załączenia:
c) w zakresie liniowym, d) w zakresie nasycenia

TRANZYSTORY UNIPOLARNE
MOCY

TRANZYSTORY
UNIPOLARNE

D D

a) c)
C

gd

C

ds.

C

gd

G G
r

be

C

ds

C

gs

C

gs

S
G S

b) d)

i

D

p

n

+

a) Schemat zastępczy tranzystora mocy n-MOSFET z pasożytniczym
tranzystorem bipolarnym: b) o rezystancji r

be

lub c) diodą , oraz sposób

usprawnienia d) – z dwiema diodami zewnętrznymi

Przewodzący kanał
wprowadza małą
rezystancję
r

be

co w konsekwencji

daje diodę p-n do
źródla

I

D

V

DSS

r

DS



typowe (max)

U

GS

(dla I

D

)

V

T

1A

900V

7 (9)

10V (0.5A) 1.5 - 3.5V

2A

500V

3 (4)

10V (1A)

2 - 4V

9A

200V

0.25 (0.4)

10V (5A)

2 - 4V

13A

500V

0.3 (0.4)

10V (7A)

2 - 4V

45A

60V

0.024 (0.03)

10V (25A)

2 - 4V

Typowe parametry stałoprądowe
pojedynczych
tranzystorów n-MOSFET

i

D

I

D(ON)

I

D(OFF)

U

DS.(ON)

u

DS

U

GS

=10 V

=9 V

= 8 V

= 7 V

=6 V

= 5 V

=4 V

Typowe charakterystyki
wyjściowe tranzystora mocy
n-MOSFET

u

A

u

A

anoda

i

A

i

A

i

A

i

B1

T1

J 1 p

E

T1(p-n-p)

C

j1

n

B

bramka

J 2

p

B

u

G

u

G

C

j2

katoda

J 3 n

E

T2

u

AK

d)

T2(n-p-n)

i

K

i

K

i

K

u

GK

a) u

K

b)

u

K

c)

i

B2

i

G

i

G

1.4. TYRYSTOR

a) Struktura złączowa tyrystora; b) modelowe rozdzielenie na dwie struktury
tranzystorowe;
c) tranzystorowy schemat zastępczy ; d) symbol graficzny tyrystora

gdzie I

CO

– prąd nasycenia tyrystora





1

1

1

CO

A

N

N

I

i











A

E

N

E

N

C

C

C

i

i

i

I

i

i











2

2

1

1

0

2

1





A

A

N

A

N

C

C

C

i

i

i

I

i

i











2

1

0

2

1





A

E

E

i

i

i





2

1

Przy napięciu U

B0

w obszarze złącza J2 następuje powielanie lawinowe

nośników
określone współczynnikiem M oraz gwałtowny przyrost prądu anodowego

i

A

I

T(AV)

U

TA

stan przewodzenia

I

L

I

G2

>I

G1

>0

I

H

I

G

=0

U

RSM

U

RRM

I

IN

I

CO

U

H

U

B2

U

B1

U

B0

u

AK

I

RRM

stan zaworowy stan

blokowania





1

1

1

N

N

M













1

1

1

CO

A

N

N

MI

i

M











Charakterystyka napięciowo-prądowa
tyrystora

Skrajne charakterystyki

u

FG

przewodzenia

U

FGM

Maks. dopuszczalne

straty mocy

w bramce

P

GM

U

GT

3

4

U

GD

1 2

0
I

GD

I

GT

I

FGM

i

FG

Charakterystyki bramkowe tyrystora z obszarami rozrzutu technologicznego
parametrów załączenia:
1 - obszar nieprzełączania,
2 - obszar możliwych przełączeń,
3 - obszar pewnych przełączeń
4 - obszar szkodliwych przełączeń

i

FG

(t)

I

FG

a)

t

u

AK

(t)

U

S

stromość

<100V/s

: narastania: przypadkowe

b)

du

AK

/dt włączenie przy

>100V/s

t

-U

C

moment

wyłączenia tyrystora

i

A

(t)

I

A

c)

t

OFF

t

t

d

t

ON

ładunek Q

rr



I

R

t

rr

-I

R

t

rr

a). Załączanie tyrystora prądem bramki: b) - zmiany

napięcia na tyrystorze, c) – odpowiedź prądowa

MT

2

(anoda2 - obudowa)

MT

2

MT

2

Bramka

n

3

p

2

n

4

G

n

2

G G

n

1

p

1

MT

1

(anoda 1) MT

1

MT

1

a) b) c)

1.5. TRIAK

Struktura złączowa; b) symbol graficzny; c) model
tranzystorowy triaka

Triak ma strukturę dwóch tyrystorów połączonych przeciwlegle,
wykonanych w monokrystalicznym krzemie, i sterowanych jedną
bramką

I

MT

I

H0

I

H1

I

G2

> I

G1

I

G0

=0

I

H2

-U

BR(G0)

-U

BR(G2)

U

MT

-I

H2

U

BR(G2)

U

BR(G0)

-I

H1

I

G0

=0 I

G1

< I

G2

-I

H0

Charakterystyki napięciowo-prądowe triaka

Symetryczne są również charakterystyki napięciowo-prądowe triaka

1.6. Tranzystory bipolarne

z izolowaną bramką (IGBT)

D (C)

a) b) C c) C

P

+

n

-

G G

G

E E

S (E) G

n

+

p

+

n

+

Strumienie:

- dziur
- elektronów

a). Struktura złączowa; b) symbol graficzny: idealny (-) i bardziej

właściwy (...):

c) model zastępczy tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką

(IGBT)

i

C

[A]

12 V

10V

9V

8 V

7 V

6 V

0 2 4 6 8 u

CE

[V]

U

CE

=20 V 15V

120

140

100

80

60

40

20

Charakterystyki wyjściowe tranzystora IGBT
wchodzącego w nasycenie przy 6 V i 100 A

TO-264 AA

SOT-227 B
(miniBLOC)

IGBT w obudowie TO-264 AA i na bloku miedzianym
SOT-227 B
(KE – emiter cieplny (Kelvina), równoległy z E od góry

Tranzystory IGBT dzielą się na trzy grupy:
-        

• - seria S; z zabezpieczeniem przed krótko-trwałym (do
1 ms) zwarciem obwodu wyjściowego,

•       

• - seria G; pracujące przy niskich częstotliwościach od 5
Hz

do 8 kHz,

•      

• - superszybkie; z wbudowaną diodą i małym ładunkiem
Q

rr

.