Przyrządy półprzewodnikowe

polowe II

(unipolarne i unipolarno-

bipolarne, o sterowaniu

napięciowym), MAG

Porównanie tranzystorów polowych i

bipolarnych (1)

[1]

Tranzystor JFET (2)

zasada działania i ch-

ki

D

δ ~ ( U

R

/N

d

)

1/2

gdzie U

R

–

napięcie wsteczne na
złączu,

N

d

– koncentracja

domieszek w materiale n
(donorów). Napięcie
U

R

=U

GS

+ U

SD

y/L

[5, 10]

Tranzystor polowy złączowy

JFET (3) ch-ki wyjściowe

Ch-ki wyjściowe I

D

=f(U

DS

) przy U

GS

= -2V

do 0 co –0.4V dla T = 0, 50, 100deg.

Przybliżona zależność dla małych przyrostów

I

D

= g

m

U

GS

+ g

ds

U

DS.

Transkonduktancja g

m

= I

D

/ U

GS

przy U

DS

=const.

Konduktancja wyjściowa g

ds

= I

D

/U

DS.

przy U

GS

=const.

Tranzystor JFET (4) ch-ki

przejściowe

Ch-ki przejściowe I

D

=f(U

GS

) przy U

DS

=20V i T=0,50 100deg

(wykres dolny). Wykres górny przedstawia zależność
transkonduktancji g

m

.

Tranzystor JFET (5) ch-ki wyjściowe i I

G

Tranzystor 2N4393 jak poprzednio. Symulowane ch-ki
wyjściowe I

D

=f(U

DS

) przy U

GS

=-2V do 0 co -0.4V oraz T=

50deg (zielona) i 80deg (czerwona).Na wykresie górnym
pokazano ch-ki prądu bramki –I

G

przy tych samych

temperaturach.

Tranzystor JFET (6)

wzmacniacz AC

Wzmacniacz AC z tranzystorem
JFET. UV2=200mV. Przebiegi
czasowe i ch-ka
częstotliwościowa przenoszenia.

Tranzystor MOS (MOSFET) (7) z

kanałem poziomym normalnie wyłączony

odcięcie kanału (pinch-
off)

I

D

U

DS

U

GS

[6
]

MOSFET (8) normalnie wyłączony

(enhancement) z kanałami p i n oraz

charakterystyki

Podłoże n

D

S

G

n

+

n

+

Podłoże p

D

G

S

P

+

P

+

Kanał
n

Kanał p

+

[5]

MOSFET (9) normalnie załączony

(depletion) z kanałami p i n oraz

charakterystyki

Podłoże n

P

+

P

+

D

G

S

Kanał p

n

+

n

+

D

D

D

G

S

Kanał n

Podłoże p

D

[5]

MOSFET (10) struktura

wielokomórkowa mocy typu HEXFET f-

my Int.Rectifier

Struktura z kanałem typu n zawiera zintegrowaną odwrotnie
równoległą diodę p-n

[1]

[1]

MOSFET (11) komórka

HEXFET i schematy

zastępcze

[2]

D

S

G

C

DS

i

CDS

=

dt

)

U

d(C

DS

DS

MOSFET (12) Ch-ki UDS-ID i

UDS-I-T

Tranzystor HEXFET IRF150 Ch-ki
wyjściowe przy U

GS

=4,5,6,7,8V. Wrysowano

hiperbole mocy dla Pmax = 100W. Te same
ch-ki przy D

GS

= 6V i temperaturach 0, 60,

120deg.

MOSFET (13) Ch-ki przejściowe UGS-ID-T

Tranzystor MOSFET IRF150.Symulowane ch-ki przejściowe
I

D

=f(U

GS

) przy U

DS

=20Vi T= 0,60,120deg.

MOSFET (14) Ch-ki U-I-T

zintegrowanej diody

Parametr: temperatura T =
0,60,120deg

MOSFET (15) ch-ki ID-UD-

UDS oraz R

DS(on)

.

Ch-ki wyjściowe w układzie U

DS

=f(I

DS

) dla

U

GS

=5,10,15,20V. Wykres górny: stałoprądowa

rezystancja R

DS(on)

=f(I

D

) przy tych samych U

GS

.

R

DS(on)

=80.679mΩ przy I

D

= 74.044A jest to granica

stanu ON dla U

GS

= 10V. Przy U

DS

=15V i I

D

=100A

R

DS(ON)

= 33.742 mΩ

MOSFET POWER (16)

jako szybki łącznik

MOSFET (17) szybki łącznik z

forsowaniem sterowania

MOSFET (18) szybki

łącznik, obc.RL prąd

obc.nieciągły.

MOSFET (19) szybki łącznik ,

obc.RL,indukcyjność w

obwodzie zasilania, ciągły prąd

obciążenia ,stan ustalony.

MOSFET (20) szybki łącznik,

obc.RL – zwiększona

indukcyjność, stan

przejściowy (start).

IGBT (21) Porównanie struktur MOSFET

(HEXFET) i IGBT.

[2]

IGBT (22) struktura i pełny schemat

zastępczy.

[4]

IGBT (23) uproszczone schematy

i warunki „latch-up”

a)

b)

a) Przypadek normalnej pracy I

c

≈I

MOS

(1+β

pnp

)

b) Przypadek awaryjny gdy (α

pnp

+ α

npn

) →1 przy granicznie

dużym prądzie, temperaturze lub stromości napięcia.
Technologiczne środki zapobiegawcze:szeroka baza n i
warstwa buforowa n+ (zmniejszenie α

pnp

) , mała wartość r

b

′

(zmniejszenie α

npn

).

α

pnp

α

npn

β

pnp

C

C

E

E

G

G

I

C

I

MOS

r

b

′

IGBT (24) typowe ch-ki wyjściowe

[4]

IGBT (25) symulowane

ch-ki UC-IC-UG-T

Tranzystor IGBT IXGH40N60.
Charakterystyki wyjściowe dla U

G

=5, 15,

25V oraz T= 50, 100 i 150deg.

IGBT (26) ch-ki powiększone

Tranzystor IGBT IXGH40N60. Charakterystyki
wyjściowe dla U

G

=5, 15, 25V oraz T= 50, 100 i

150deg.

IGBT (27) łącznik z

obc.RL, z

indukcyjnością w

obwodzie zasilania i

tłumikiem RCD.

IGBT (28) łącznik z

obc.RL, z

indukcyjnością w

obwodzie zasilania

IGBT bez tłumika

Model cieplny przyrządu półprzewodnikowego

(29)

dla stanu ustalonego

P

R

TH/J-C/

R

TH/C-R/

R

TH/R-A/

Δ

ΔT

/J-C/

Δ
T

/C-R/

Δ
T

/R-A/

Prawo Ohma dla obwodu cieplnego:

ΔT =

P R

TH

ΔT

/J-A/

= P ∑ R

TH

Warunki stabilności cieplnej (30)

P

T

A

T

J

P

gen

P

od

arctgR

TH/J-A/

Pt
niestabilny

Pt stabilny

Granica
stabilności

P

T

A1

T

A2

T

J

Granica
stabilności

P

od

= (T

J

– T

A

)/R

TH/JA/

Warunek
stabilności :





























T

d

dP

T

d

dP

gen

od

(3
1)

Literatura do cz.II

1.     IR Hexfet Databook 1983

2.     IR Hexfet and IGBT Seminar

3.     J.Jaczewski, A.Opolski, J.Stolz Podstawy elektroniki i energoelektroniki,

WNT 1981

4.     S.Januszewski, H.Świątek Nowoczesne przyrządy półprzewodnikowe w

energoelektronice, WNT,1994

5.     M.Kaźmierkowski, J.Matysik Podstawy elektroniki i energoelektroniki,

skrypt P.W. 1983

6. Z.Korzec Tranzystory polowe, WNT, 1973

7.     A.Król, J.Moczko PSPICE Symulacja i optymalizacja układów

elektronicznych, NAKOM Poznań 1998

8.     A.Napieralski, M.Napieralska Polowe pólprzewodnikowe przyrządy dużej

mocy, WNT,1995

9.     W.Pawelski Sterowanie tranzystorów IGBT. Politechnika Łódzka,

Monografie, 2001

10. J.Wieland red. Zadania z elektroniki przemysłowej t.1, PWN 1991

11. Z.Zachara, K.Wojtuszkiewicz PSPICE Przykłady praktyczne, MIKOM 2000