LABORATORIUM Z ENERGOELEKTRONIKI .
	TEMAT: Parametry i charakterystyki statyczne tranzystorów mocy i tyrystorów specjalnych.

1. Wstęp teoretyczny.

Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką IGBT:

Tranzystory IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) należą do najnowocześniejszych półprzewodnikowych elementów mocy. Powstały one dzięki połączeniu w jednej strukturze tranzystora bipolarnego z tranzystorem MOS służącym do sterowania prądem bazy. W ten sposób uzyskuje się element łączący zalety tranzystora bipolarnego, takie jak niewielki spadek napięcia przy przewodzonym nawet znacznym prądzie i zdolność blokowania stosunkowo wysokiego napięcia (powyżej 1500V), z zaletami tranzystora MOS, a więc napięciowym sterowaniem poprzez izolowaną bramkę i dużą szybkością przełączania.

Energetyczny tranzystor polowy MOS:

Ten typ tranzystora należy do tzw. przyrządów unipolarnych, w których prąd jest przewodzony przez jeden typ nośników. Sterowanie tranzystora MOS odbywa się poprzez polaryzację bramki względem jednego z doprowadzeń (źródła S), co pod wpływem dużego natężenia pola powoduje otwieranie w strukturze złączowej tzw. kanału i przepływu prądu pomiędzy źródłem S i drenem D. Po załączeniu tranzystor MOS reprezentuje jedynie rezystancję otwartego kanału, której wartość - zależnie od wartości dopuszczalnego napięcia - wynosi od 0.1Ω (dla tranzystorów MOS niskonapięciowych) do kilku Ω (dla tranzystorów na napięcia rzędu 1000V). Elektroda (bramka G) jest doskonale izolowana od podłoża, co gwarantuje całkowity brak ustalonego prądu sterowania. Jedynie w czasie zmiany potencjału bramki przepływa przez nią prąd przeładowania pojemności wejściowej. Czas potrzebny na przeładowanie jest przyczyną opóźnienia przy przełączaniu.

Tranzystory MOS są najszybciej przełączającymi elementami mocy stosowanymi w energoelektronice, dzięki czemu układy zbudowane z ich zastosowaniem mogą pracować z częstotliwością nawet kilkuset kiloherców. Ważną ich zaletą jest również prostota układów sterujących i mała wartość pobieranej przez nie mocy.

Polowy tranzystor mocy MOSFET.

Polowe tranzystory mocy MOSFET pojawiły się w roku 1978. Ogólna koncepcja budowy i działania tranzystora MOSFET mocy i konwencjonalnego słaboprądowego jest taka sama, różnice występują natomiast w konstrukcji. W tranzystorze unipolarnym MOSFET, podobnie jak w tranzystorze bipolarnym, wykorzystuje się dwa rodzaje półprzewodnika, który tworzy trzy warstwy n-p-n lub p-n-p. Oprócz dwóch elektrod głównych: źródła S i drenu D oraz elektrody sterującej - bramki G, stanowiących odpowiedniki emitera, kolektora i bazy, tranzystor polowy posiada jeszcze jedną elektrodę zwaną podłożem (bazą B), która służy do wstępnej polaryzacji tranzystora. W tranzystorach mocy podłoże jest zazwyczaj już wewnątrz przyrządu zwarte ze źródłem, tak że na zewnątrz są wyprowadzone tylko trzy końcówki. Z kolei elektroda sterująca - bramka G nie ma galwanicznego połączenia ze środkową warstwą półprzewodnika (tak jak jest to zrobione w tranzystorach BJT), lecz jest oddzielona od podłoża warstwą izolacyjną wykonaną z tlenku krzemu.

2. Tabele pomiarowe.

Dane z kart katalogowych.

Tranzystor IGBT: Tranzystor MOSFET: Tranzystor KD 502:

I_MAX = 200A U_DS. = 60V P_MAX = 150W

U_MAX = 1000V I_D = 36A U_CE = 60V

U_BLOK. = 1000V P_MAX = 150W I_C = 40A

I_B = 4A

Tranzystor IGBT.

(5.44 V - napięcie przewodzenia)

napięcie bramki - 10V (const.)

I[A]	U[V]
23	1.25
20	1.2
18	1.15
16	1.1
14	1.07
12	1.02
10	0.95
7	0.87
5	0.8
3	0.7
1	0.58
0.5	0.5

napięcie bramki - 15V (const.)

I[A]	U[V]
21	1.15
19	1.12
17	1.09
15	1.05
13	1.0
10	0.93
7.5	0.85
5	0.76
2.5	0.65
1	0.55
0.5	0.5

napięcie bramki - 20V (const.)

I[A]	U[V]
20	1.15
18	1.1
16	1.05
14	1
12	0.96
9	0.9
7	0.83
5	0.75
3	0.68
1	0.55
0.5	0.5

Tranzystor IGBT - obwód wykonawczy.

U[V]	I[mA]
1000	0.1
900	0.1
800	0.1
700	0.1
600	0.1
500	0.1
400	0.1
300	0.1
200	0.1
100	0.1

Tranzystor KD 502.

I_B=0.1A

IE[A]	UCE[V]
6.4	8.3
6.2	5.6
6.1	4.0
5.8	2.2
5.7	1.7
5.6	1.45
5.2	0.9
4.0	0.35
3.2	0.25
2.4	0.16
0.9	0.07

I_B=0.3A

IE[A]	UCE[V]
12.0	4.5
11.8	3.8
11.5	3.15
11.2	2.6
10.8	2.1
10.3	1.7
9.2	1.0
8.0	0.5
7.2	0.4
4.9	0.25
2.5	0.15
0.9	0.05

I_B=0.5A

IE[A]	UCE[V]
12.0	4.5
11.8	3.8
11.5	3.15
11.2	2.6
10.8	2.1
10.3	1.7
9.2	1.0
8.0	0.5
7.2	0.4
4.9	0.25
2.5	0.15
0.9	0.05

3. Wnioski.

Współczesne tranzystory mocy posiadają zazwyczaj konstrukcję wielosegmentową z wbudowaną diodą zwrotną. W strukturę tranzystora MOSFET można również wbudować dodatkowe układy zabezpieczające, sygnalizujące itp. Możliwości te wykorzystuje się przy budowie scalonych układów mocy (PIC). MOSFET-y mocy bywają wykonane jako pojedyncze elementy, ale często spotyka się również moduły elektroizolowane zawierające gotowe podzespoły wykonane z tranzystorów MOSFET i ewentualnie z innych elementów.

Tranzystory MOSFET w porównaniu z innymi tranzystorami mocy posiadają wiele zalet. Najważniejsze z nich to:

• duża szybkość przełączania, dzięki czemu istnieje możliwość pracy przy dużych częstotliwościach (powyżej 1MHz) z małymi stratami przełączania;

• duża przeciążalność prądowa wynosząca około 5 i więcej;

• stabilne charakterystyki;

• stosunkowo proste układy sterowania i zabezpieczeń;

• stosunkowo duża odporność na zakłócenia, w tym również promieniowanie;

Niekorzystnymi cechami MOSFET-ów są natomiast mniejsze zakresy

napięciowo-prądowe i wyższe spadki napięcia w stanie przewodzenia niż w tranzystorach bipolarnych. Zastosowanie ich ogranicza również fakt, że są one obecnie droższe od tranzystorów bipolarnych.

Przyrządem łączącym cechy tranzystora bipolarnego i MOSFET-a jest tranzystor bipolarny z izolowaną bramką IGBT.

Z porównania struktur MOSFET-a oraz tranzystora IGBT widać duże podobieństwo między nimi. Różnica polega natomiast na tym, że w IGBT wprowadzono dodatkową warstwę p od strony drenu (kolektora) i nieco inaczej domieszkowano sąsiadującą z nią warstwę n. Warstwy półprzewodnika wewnątrz struktury IGBT można uporządkować tak aby tworzyły one kilka prostszych przyrządów półprzewodnikowych. W tranzystorze IGBT występuje zjawisko nie mające odpowiednika w innych typach tranzystorów mocy. Jest to tzw. `zatrzaskiwanie zaworu'. Polega ono na tym, że przy dużych prądach obciążenia tranzystor traci zdolność wyłączania za pomocą sygnału sterującego. Czasy załączania i wyłączania typowych tranzystorów IGBT wynoszą od kilku dziesiętnych do około 1 mikrosekundy. W przypadku dużych przyrządów czasy wyłączania mogą wynosić nawet kilkanaście mikrosekund. Wartości te mieszczą się pomiędzy wartościami czasów załączania i wyłączania dla tranzystorów MOSFET oraz BJT.

1

---