TELJESÍTMÉNYELEKTRONIKA

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI FŐISKOLA KANDÓ KÁLMÁN VILLAMOSMÉRNÖKI FŐISKOLAI KAR AUTOMATIKA INTÉZET Dr. Iváncsyné Csepesz Erzsébe TELJESÍTMÉNYELEKTRONIKA A eljesíményelekronika kapcsolóelemei BUDAPEST,

2 2. A TELJESÍTMÉNYELEKTRONIKA KAPCSOLÓELEMEI A eljesíményelekronikai áramkörökben az első félvezeő elemek a eljesíménydiódák, majd a iriszorok volak. Az elemek fejleszése azóa is folyamaos vol, de korszakalkoó jelenőségű válozás okozo az információelekronikai inegrál áramkörök előállíásához használ echnológia alkalmazása a eljesíményelekronikai elemek gyárásában. Ez a echnológia új elemek kifejleszésé, valamin a már ismer elemek paraméereinek, saikus és dinamikus ulajdonságainak javíásá, megbízhaóságuk növelésé, méreük, érfogauk csökkenésé ee leheővé. Az új elemek köré bővíi a eljesíményranziszorok megjelenése, de a már ismer elemek közül a iriszorok fejlődése is nagyon dinamikus A FÉLVEZETŐKKEL KAPCSOLATOS ALAPFOGALMAK ÖSSZEFOGLALÁSA A eljesíményelekronikai áramkörökben alkalmazo kapcsolóelemek működése a félvezeők áramvezeési mechanizmusán alapszik. A félvezeők a szilárd esek csoporjába aroznak. A leggyakrabban használ félvezeő anyag a szilícium és a germánium, de léeznek ezen kívül más félvezeő alapú elekronikai eszközök is. A isza nem adalékol szilícium krisályrácsában minden egyes rácsponon Si aom van. Négy vegyérék elekronnal rendelkeznek és az aomok szabályos krisályrácsban kovalens köéssel kapcsolódnak egymáshoz. Külső energiaközléssel pl. magasabb hőmérsékleen, a hőmozgás kövekezében elérheő, hogy egy-egy elekron kilép a köésből és ámeneileg szabaddá válik. A köésből kilépő elekronok helyén elekronhiány lyuk kelekezik. A szabad elekronok és lyukak állandóan kelekeznek, illeve egyesülnek, rekombinálódnak. Egyensúlyi állapoban az időegység ala és érfogaegységben kelekező és rekombinálódó elekron-lyuk párok száma saiszikusan megegyezik. A szabad elekron és lyuksűrűség dinamikus egyensúlyban van és ado hőmérsékleen állandó: n i = p i, (2.1) ahol n i a isza (inrinsic) félvezeőben ermikus gerjeszés haására kelekező elekronsűrűség, p i pedig a lyuksűrűség. A hőenergia melle fényenergia haására is lérejöhenek elekron-lyuk párok, számuk a beeső fény energiájáól függ. A félvezeők fényérzékenységé az opoelekronikai eszközök hasznosíják. 2-2

3 A félvezeőkben a szabad öléshordozók sűrűsége nagymérékben megnövelheő a krisály idegen anyaggal való szennyezésével. A szennyezőanyag főképp övegyérékű (animon, arzén), vagy pedig háromvegyérékű (indium, gallium, bór) aom. Az n-ípusú félvezeő akkor jön lére, ha a négyvegyérékű krisályrácsban egyes szilícium aomoka övegyérékű (donor) aomok helyeesíenek. A donor aomok négy elekronja szorosan kapcsolódik az aomhoz, de az öödik elekron már kis energiaközléssel is könnyen szabaddá eheő. Szobahőmérsékleen gyakorlailag minden donor aom elveszi öbble elekronjá és ezenkívül még elekronlyuk párok is kelekeznek, így az elekronok száma nagyobb, min a lyukaké, vagyis az elekronok a öbbségi, a lyukak pedig a kisebbségi öléshordozók, amelyek áramvezeésre alkalmasak. Az ionizálódo donor aomoknak egységnyi poziív ölésük lesz, de ezek nem fognak be még egy elekron, mer a krisályszerkeze így hibálan. Az összölés a eljes krisályszerkezeben nulla, az anyag villamosan semleges állapoban van. A p ípusú félvezeő háromvegyérékű anyaggal szennyeze. A krisályrácsban a Si aomoka helyeesíő un. akcepor aomok a három vegyérékelekron mellé befognak egy öbble elekron a szomszédos köésből és így kiegészül a krisályszerkeze. A szennyező aomok negaív ölésű akcepor ionokká válnak. Azok a félvezeő aomok, amelyekről leszakadnak az elekronok és ezálal elekron hiányok, lyukak kelekeznek, szabad poziív öléshordozókén foghaók fel és így az áramvezeésben rész vesznek. Ezenkívül elekron-lyuk párok is kelekeznek, így az elekronok lesznek a kisebbségi, a lyukak pedig a öbbségi öléshordozók. A krisály kifelé villamosan ovábbra is semleges marad, mer a lyukak és az akceporionok ölése kompenzálja egymás. Ha a félvezeő krisályra külső villamos ér nem ha, a öléshordozók mozgásának nincs kiünee iránya, a homogén szennyezésű krisályban áram nem folyik. A félvezeőben ké különböző jellegű áramvezeés jöhe lére: a drif és a diffúziós áram. Drif (sodródási) áram: a félvezeőben a villamos ér haására lérejövő áram. A félvezeő krisályban léesíe villamos érerősség haására a szabad öléshordozók mozgásának kiünee iránya van. A lyukak a ér irányába, az elekronok a ér irányával ellenéesen mozognak, sebességük arányos a villamos ér nagyságával és az illeő öléshordozó mozgékonyságával. A mozgékonyság függ a félvezeő anyagáól, a öléshordozók számáól és a krisály hőmérsékleéől. A mozgékonyság a hőmérsékle növekedésekor csökken. A érerősség növelésével kezdeben lineárisan nő a öléshordozók sebessége, majd egy bizonyos haáron úl a sebesség már nem növekszik, gyakorlailag függelen a érerősségől. Igen nagy érerősségnél, egy kriikus éréken felül, a sebesség ugrásszerűen megnövekszik, áüés kövekezik be. 2-3

4 Diffúziós áram. Amennyiben a félvezeőben öléshordozó koncenráció különbség van, külső erőér nélkül is folyik áram; a öléshordozók az egyenlees sűrűségeloszlásra örekszenek. Az egyenlőlen sűrűségeloszlás a öléshordozók folyamaos pólásával és elszállíásával fennarhaó, ekkor a krisályban állandó áram folyik A pn ámene A félvezeő krisályban különböző szennyezeségű réegek alakíhaók ki, amelyek haárán p-n szennyezésámene jön lére. Az ámeneen a öléssűrűség ugrásszerűen válozik, ezér egy p és egy n ípusú réeg képzelebeli összeilleszésének pillanaában a öléskiegyenlíődés mia nagy diffúziós lyuk és elekronáram indul meg külső feszülség rákapcsolása nélkül. A pn ámeneen kereszül nagyszámú lyuk áramlik a p oldalról az n oldalra és ugyancsak nagyszámú elekron az n oldalról a p oldalra. A folyama eredményekén a p és az n oldalon semlegesíelen ölések halmozódnak fel, amelyek villamos erőere és feszülségkülönbsége léesíenek. A kialakuló villamos erőér olyan irányú, hogy gáolja a diffúziós áramlás, vagyis a érerősség az ő lérehozó diffúziós folyamao igyekszik megszüneni. A érerősség növekedésével egyre kevesebb elekron ud ádiffundálni az n oldalról a p oldalra, illeve lyuk a p oldalról az n oldalra. A villamos ér haására a mindké oldalon jelenlévő kisebbségi öléshordozók ásodródnak az ellenkező oldalra, ehá a villamos ér a diffúziós árammal szemben folyó drifáramo léesí. A kialakuló érerősség és feszülségkülönbség nagysága éppen akkora, hogy az áfolyó áramok összege nulla, a drif és a diffúziós áram megegyezik. Az ámene ké oldalán az oda ádiffundál öléshordozók az egyensúlyi öléshordozó-sűrűséghez képes öbble öléshordozóka jelenenek és az ámene közelében az o levő öbbségi öléshordozókkal rekombinálódnak. Egyrész a rekombináció mia, másrész a diffúzió mia a öbbségi öléshordozó-sűrűség az ámene ké oldalán lecsökken, egy olyan réeg kelekezik, amelyből elfogyak a öléshordozók, így kiüríe réeg, vagy másképpen záróréeg alakul ki. Zérus külső feszülség eseén a külső áramkörben nem folyik áram, a pn ámene drif és diffúziós árama kiegyenlíi egymás. A pn ámene a rákapcsol feszülség irányáól függően különbözőképpen viselkedik. Záróirányú igénybevéel eseén a krisály p szennyezésű oldalára negaív feszülség kerül az n szennyezésű oldalhoz képes. Ennek haására a kiüríe réeg szélessége és a érerősség növekszik, a feszülségmenes állapora jellemző diffúziós és drifáram egyensúly felbomlik és az ámeneen eredő drifáram folyik, amelynek éréke µa nagyságrendű, ehá a pn ámene gyakorlailag nem veze áramo. A negaív feszülség egy meghaározo érékénél a záróirányú áram megnövekszik. Az áramnövekedés egyik oka, hogy a nagy zárófeszülség haására a pn 2-4

5 réegben kialakuló nagy érerősség elekronoka szakí le a félvezeő aomokról, ezálal megnövekszik a öléshordozók száma, megnövekszik az áram. Ez a jelenség a Zener-leörés. A másik ok az un. lavinasokszorozódás. A öléshordozók a nagy érerősség mia nagy sebességgel mozognak a érölési arományban és üközéseikkel újabb öléshordozóka hoznak lére. Az a feszülség, amelynél a hirelen áramnövekedés bekövekezik, az U BR leörési feszülség. A leöréskor kialakuló nagy áram és nagy feszülség haására kelekező villamos eljesímény hőhaása a pn ámenee önkreehei. Vezeőirányú (nyióirányú) feszülségigénybevéel eseén az ámene p szennyezésű oldalára poziív külső feszülség ju az n szennyezésű oldalhoz képes. Már egészen kis érékű nyióirányú feszülség haására is igen nagy diffúziós áram folyik a pn ámeneen, amely a külső feszülség növelésével exponenciálisan növekszik. i F u R U BR I 0 u F i R 2.1. ábra. A pn ámene feszülség áram karakeriszikája Az áram és a feszülség közöi kapcsolao az I = I e I = I ( e 1 ) (2.2) o U U U T U T o o összefüggés adja meg, ahol I a pn ámene árama, U a pn ámene feszülsége, I o a pn ámene záróirányú (drif) árama ado hőmérsékleen, kt U T a ermikus feszülség, amely az UT = összefüggéssel haározhaó q meg. Ebben az összefüggésben a 2-5

6 k a Bolzmann állandó, T a krisály hőmérséklee Kelvin fokban, q az elekron ölése. Szobahőmérsékleen a ermikus feszülség U T 26 mv. A pn ámene feszülség-áram összefüggésé grafikusan a 2.1. ábra szemlélei A pn ámene réegkapaciásai A pn ámenenek ároló, kapaciív ulajdonsága is van. A pn ámene ké oldalán az ellenées ölésű ionokból álló keős ölésréeg szélessége a rákapcsol záróirányú feszülség haására megválozik. A feszülség U növelésekor a érölési aromány kiszélesedik és az ámene ké oldalán felhalmozódó Q j ölésmennyiség is Q j -vel megválozik. Az új egyensúly kialakulásáig a öléshordozók mozgása mia járulékos áram folyik. Ez a folyama hasonlí a kondenzáorban lejászódó dqj folyamaokhoz, ezér a záróirányban igénybeve pn ámenenek egy C j = du érölési kapaciás ulajdoníhaó. A C j érölési kapaciás nem állandó, függ a záróirányú feszülség nagyságáól, éréke pf nagyságrendű. Nyióirányú feszülség haására a pn ámeneen diffúziós áram folyik, nagyszámú öbbségi öléshordozó áramlik á az egyik réegből a másikba. Ha a nyióirányú feszülség U-val megválozik, mindké oldalon megnő a Q D kisebbségi öléshordozó sűrűség is, és az új állandósul állapo beálláig egy járulékos áram folyik, amely szinén hasonlíhaó a kapaciásban lejászódó folyamaokhoz. dq Ennek alapján nyióirányban egy CD = D diffúziós kapaciás definiálhaó. Ez a du kapaciás álalában öbb nagyságrenddel nagyobb, min a záróirányú érölési kapaciás TELJESÍTMÉNYDIÓDÁK A szilícium egykrisály lapkában kialakío pn ámene alkoja a réegdiódá. A félvezeő lapkához kivezeések csalakoznak, a p ípusúan szennyeze réeghez az anód-, az n ípusúhoz a kaódelekróda (2.2a ábra). A dióda jelképi jelölése a 2.2b ábrán láhaó. u F u R Anód p n Kaód Anód Kaód a) i F i R b) 2.2. ábra. A dióda szerkezei felépíése és jelképi jelölése 2-6

7 A nagy iszaságú, hibálan krisályszerkezeű szilícium lapkán a p és az n ípusú szennyezés álalában diffúziós echnikával alakíják ki, majd áramvezeő konakusokkal láják el. A lapká molibdén hordozólemezre rögzíik, megfelelő szigeelőképességű és hőálló bevonaal láják el. A környeze behaásaiól nemesgázzal kiölö ok védi a szerkezee. A ok anyaga, felépíése különböző lehe: fém vagy műanyag, egyoldalú, vagy árcsa szerkezeű, sb. A 2.3a ábrán egy műanyag okozású, a 2.3b ábrán egy fém okozású, hűőönkbe csavarozhaó kivielű, a 2.3c ábrán pedig árcsa kialakíású dióda rajza láhaó. a) b) c) 2.3. ábra. A eljesímény dióda okozásai A eljesíményelekronikai áramkörökben alkalmazo félvezeőkkel szemben ámaszo köveelmények: a leörési feszülségük minél nagyobb legyen, vezeő állapoban minél kisebb legyen a feszülségesésük, valamin az ellenállásuk, gyors be- és kikapcsolással, rövid kapcsolási időkkel rendelkezzenek, eljesímény disszipáló képességük minél nagyobb legyen. Ezek a köveelmények egymásnak ellenmondó módszerekkel valósíhaók meg, ezér a eljesímény félvezeők szerkezei felépíése elér a kis eljesíményű elemek felépíéséől. A nagy zárófeszülség eléréséhez gyengén szennyeze, széles réeg kialakíása szükséges. Ennek azonban az a kövekezménye, hogy nyióirányú igénybevéelkor nagy az ohmos ellenállása, ezér nagy a nyióirányú feszülségesése, amely megnöveli a veszeségi eljesímény. A nyióirányú feszülségesése akkor lesz kicsi a diódának, ha az egymással érinkező p és n ípusú réegek erősen szennyezeek, mer ekkor nagy a félvezeő anyag vezeőképessége. Ha nagy a donor és az akcepor aomok sűrűsége, akkor 2-7

8 kicsi lesz a záróréeg szélessége és a záróirányú feszülség haására i nagy lesz a érerősség. A pn ámeneben az erős szennyezés mia a lavinaleöréshez arozó haárfeszülség kicsi lesz. Nagy zárófeszülség és viszonylag kis vezeőirányú feszülségesés valósíhaó meg a háromréegű p + n n + elrendezéssel (2.4. ábra). Záróirányú igénybevéelkor a érölési aromány főkén az n úgyneveze drif arományban alakul ki, ehá ennek a réegnek a vasagsága és szennyezesége haározza meg a megengedheő zárófeszülség éréké. Vezeőirányú igénybevéelkor kéoldali injekálás alakul ki, így az erősen szennyeze p + és n + réegből a drif réegbe juó öléshordozók megnövelik az n drif réeg szennyezeségi állapoához arozó vezeőképességé és így lényegesen lecsökken az elrendezésre juó vezeőállapoú feszülségesés. i Anód p + u n (i) n + Kaód 2.4. ábra. A eljesímény dióda szerkezee A eljesímény diódák három jellemzője a záróirányú haárfeszülség, a nyióirányú feszülségesés és a működési frekvencia kölcsönösen összefügg és bármelyikük csak a másik keő rovására válozahaó. A eljesímény diódák nyióirányú áramának nagysága a kialakío pn ámene kereszmeszeéől függ. A diódák nyióirányú áramának és feszülségének szorzaa veszesége jelen, amely a pn ámeneben hővé alakul. A diódákra a kaalógusokban megado nyióirányú áram mindig egy ado réeghőmérséklere vonakozik, így az áramerhelheősége a kelekező veszeség nagysága és a hőelvezeés módja haározza meg A diódák áramköri helyeesíése Ha a nemlineáris karakeriszikájú dióda az egyenáramú hálózaban egy meghaározo munkaponban működik, akkor helyeesíheő egy olyan ellenállás érékkel, amely a karakeriszikán az ado munkaponhoz arozó U M munkaponi feszülség és I M munkaponi áram hányadosával egyezik meg. Ez a dióda R s saikus, vagy egyenáramú ellenállása. 2-8

9 R s U M = (2.3) I M A dinamikus, vagy válakozóáramú ellenállás a diódá a munkapon körüli feszülség- és áramválozás eseére jellemzi. Az r d dinamikus ellenállás a karakeriszika ado munkaponja körüli kis feszülségválozáshoz arozó áramválozás hányadosa, r d = du di U M, I M, (2.4) a feszülségnek az áram szerini deriválja. i F 1 r T U T0 u F 2.5. ábra. A dióda nyióirányú jelleggörbéjének közelíése A dióda nyióirányú helyeesíése a jelleggörbe örvonalas közelíésével adhaó meg, ahol U T0 a küszöbfeszülség, az r T u = i F F (2.5) pedig a nyióirányú helyeesíő ellenállás, ahol a válozások a eljes működési arományra vonakoznak Ámene vezeésből zárásba Amikor a pn ámeneen nyióirányú áram folyik, a p és az n réegekben az egyensúlyi állaponak megfelelő öléshordozó-sűrűségnél sokkal nagyobb a kisebbségi lyukak és elekronok koncenrációja. A vezeésből zárásba való ámenekor a nyióirányú áram az áramkör impedanciája álal meghaározo meredekséggel csökkenni kezd, majd az áram nullámenee uán s ideig válozalan meredekségű, nagy 2-9

10 záróirányú áram folyik. Ez az áram csak akkor csökken a záróirányú áram I o állandósul érékére, ha az ámeneben kialakul a feszülségnek megfelelő záróréeg. Ehhez el kell ávolíani a pn ámeneből a öbble kisebbségi öléshordozóka. A öléshordozók az ámeneből részben a megnövekede záróirányú árammal ávoznak, részben rekombináció úján semlegesíődnek. i F I F u F i F dif d dir d rr s f Q rr 0.1I rrm I 0 I rrm 2.6. ábra. A dióda kikapcsolási folyamaa A záróréeg kialakulásakor az áram meredeken a nyugalmi I 0 áram érékére csökken. A diódán mindaddig nyióirányú feszülség van, míg a záróirányú dinamikus áram el nem éri az I rrm maximális éréké. Az áram nullámeneéől a záróirányú áram I rrm maximális érékéig elel idő a s ölésárolási idő. A záróirányú áram a f esési idő ala csökken a maximális érékéről a 0.1I rrm érékre, így a dióda rr záróirányú szabaddáválási ideje a s és a f idők összege. A kaalógusok megadják a záróirányú áram álal elszállío Q rr árol ölés válozásá a záróirányú áram meredekségének függvényében különböző I F nyióirányú áram ampliúdóknál (2.7. ábra). Q rr I F di d R 2.7. ábra. A árol ölés válozása 2-10

11 A záróirányú dinamikus áram jellemzői a jelleggörbe alapján számíhaók. A záróirányú dinamikus áram I rrm maximális éréke az I rrm összefüggéssel, a Q rr árol ölés éréke pedig a Q dir = d (2.6) s = 1 I 2 rr rrm rr (2.7) összefüggéssel közelíheő. A árol ölésen kívül az s lágysági ényező (sofness facor) is jellemzője a kikapcsolási folyamanak, amely az f s = (2.8) s összefüggéssel adhaó meg. A záróirányú szabaddáválási idő a lágysági ényezővel kifejezve: = + = 1 + s. (2.9) rr s f s ( ) A Q rr árol ölés a (2.9) és a (2.7) kifejezések behelyeesíése uán: Q = I rr rrm s A Q rr árol ölés ismereében a ölésárolási idő a 1 + s dir s = 2 d s. (2.10) 2 s = 2Q dir d rr ( 1 + s), (2.11) az esési idő pedig a f = ss = 2 2Qrr s dir ( 1 + s) d (2.12) összefüggéssel haározhaó meg. A dinamikus záróirányú áram válozása a f arományban az áramkörben lévő indukiviásokon feszülsége indukál, amely a ápfeszülségre szuperponálódik és így a dióda igénybevéele nagyobb a ápfeszülségnél, akár a záróirányú leörési feszülsége is meghaladhaja és önkreehei a diódá. E káros haás ellen a diódával párhuzamosan kapcsol soros RC aggal lehe védekezni A diódák hőfokfüggése A diódák működésé a hőmérsékle erősen befolyásolja. A réegdióda pn ámeneében mind a nyióirányú, mind a záróirányú igénybevéelkor veszeség kelekezik, 2-11

12 amelynek pillanaéréké az ámene áramának és feszülségének szorzaa adja. A veszeség az ámeneben hővé alakul, így a dióda igénybevéelének válozásakor a hőmérséklee is válozik. Növekvő hőmérsékleen a dióda záróirányú árama nő, a leörési feszülség hőfokfüggése különösen nagyobb feszülségű diódáknál jó közelíéssel elhanyagolhaó. i F T j3 > T j2 > T j1 T j1 u R u F T j2 T j3 i R 2.8. ábra. A dióda hőfokfüggése A nyióirányú jelleggörbe hőfokfüggése az állandó áramhoz arozó feszülségesés mérékével jellemezheő. Tapaszalai összefüggések alapján ez az érék jó közelíéssel 2 mv/c (2.8. ábra) Veszeségek A réegdiódák megengedheő áram és részben a feszülségigénybevéelé is a pn ámeneben kelekező és hővé alakuló eljesímény korláozza. A pn ámene hőmérséklee egy ado éréke nem léphe úl, mer a dióda önkremegy. A veszeségek pillanaéréke a nyió és záróirányú jelleggörbékből haározhaó meg. A diódák záróirányú veszesége a leörési aromány haáráig állandó hőmérsékleen a µa eseleg ma nagyságrendű záróirányú áram mia nagyon kis érékű, gyakorlailag elhanyagolhaó. A leörési arományban a meginduló nagy áram és a nagy zárófeszülség mia a kialakuló veszeség olyan naggyá válha, hogy a dióda a úlmelegedés mia meghibásodha, ehá ebben a arományban gyakorlailag nem üzemelhe. 2-12

13 A nyióirányú veszeség névleges áramerhelés eseén álalában kb. ké nagyságrenddel nagyobb a záróirányú veszeség érékénél, ezér a dióda veszeségé dönően a nyióirányú veszeség haározza meg. A veszeség egyszerűen számíhaó a nyióirányú jelleggörbe örvonalas közelíésével (2.5. ábra). Ennek alapján a dióda feszülsége a kövekező egyenleel haározhaó meg: ahol u F a dióda feszülségének pillanaéréke, U To a küszöbfeszülség, r T a nyióirányú helyeesíő ellenállás, a dióda áramának pillanaéréke. i F Teszőleges alakú áram eseén a veszeség pillanaéréke: uf = UTo + rtif (2.13) 2 p= u i = U i + r i. (2.14) F F To F T F Periodikus lefolyású áram eseén a veszeség álagéréke: T T T To F T F P = pd = U i d+ r i d = U I + r I T T T 2 To FAV T F RMS ehá a veszeség a diódán áfolyó áram I FAV középérékével, valamin, (2.15) 2 I FRMS effekív érékének négyzeével arányos. A pn ámeneben kelekező veszeség hővé alakul, amelynek meg kell oldani az elvezeésé. A dióda pn ámeneéből a hő hővezeéssel ávozik a környeze felé. A hőleadás javíhaó, ha a diódá hűőlapra, vagy hűőönkre szerelik, eseleg meserséges léghűés alkalmaznak. A hővezeés villamos analógiával modellezheő. Az elvezee hő különböző anyagú és geomeriai méreű részeken halad kereszül. Az egyes részek a ermikus hőellenállásukkal és hőkapaciásukkal jellemezheők. Az analóg modellben a veszeségi eljesímény az áramnak, a hőmérsékle pedig a feszülségnek felel meg. A félvezeő krisály, a ok és a hűőönk hőmérséklee a modell alapján felírhaó differenciálegyenleek megoldásából adódik. R hjc R hca T j R hjc T c R hca T a T j T c T a P P C hjc C hca a) b) 2.9. ábra. A dióda hőmodelljei: a) saikus, b) dinamikus állapoban. 2-13

14 A apaszalaok alapján a félvezeő összee szerkezee jó közelíéssel helyeesíheő egyelen ellenállással, az R hjc belső hőellenállással. A hűés körülményei az R hca külső hőellenállás jellemzi, éréke függ a hűőönk anyagáól, alakjáól, a felüle minőségéől és színéől (2.9a ábra). Állandósul üzemben a hőegyensúly beálla uán a pn réegben kelekező és az elvezee hőmennyiség azonos és állandó. A pn réeg T j álagos hőmérsékleé a veszeség P álagéréke, a hőelvezeő részek R hjc és R hca hőellenállásai és a környeze T a hőmérséklee szabja meg. T j T a =P (R hjc + R hca ) (2.16) Ha a erhelés, így a nyióirányú veszeség válozik, a pn réeg viruális hőmérsékleének időbeli válozásá is meg kell haározni. A hőmérsékle időbeli válozásának modellezésére a hőellenállásokkal párhuzamosan kapcsol hőkapaciások alkalmasak, amelyeknek az eredője a ranziens hőimpedancia (2.9b ábra). A hőimpedancia éréke függ a erhelés időaramáól, a hűés módjáól, ez a kaalógusok jelleggörbékkel adják meg. Egy ilyen jelleggörbe láhaó a ábrán, ahol a Z hjc a pn ámene és a ház, a Z hjh pedig a pn ámene és a hűőönk közöi ranziens hőimpedanciá adja meg az idő függvényében. A hőimpedancia a () n R h i C h i Zh = Rh i( 1 e ), (2.17) i= 1 összefüggéssel adhaó meg, a réeghőmérsékle pedig a összefüggéssel haározhaó meg. T j T a = P Z h () (2.18) Z h Z h jh Z h jc lg ábra. A dióda ranziens hőimpedanciája A félvezeő dióda veszesége a dióda jelleggörbéjének hőfokfüggése mia szinén hőfokfüggő. 2-14

15 Zener dióda A félvezeő dióda a nyióirányú névleges veszeséggel üzemeleheő a leörési arományban is, ha a veszeség a pn ámeneben egyenleesen oszlik meg. A karakeriszika leörési feszülségénél a meginduló nagy záróirányú áramhoz csak elhanyagolhaó mérékű zárófeszülség válozás arozik, ezér a leörési arományban üzemelő dióda feszülségsabilizálásra használhaó. Az ilyen célra készül diódáka sabilizáor, illeve a leörés jellege alapján Zener diódáknak nevezik. u F u R Anód Kaód i F i F i R U Z u R u F U T ábra. A Zener-dióda jelképi jelölése és a feszülség-áram karakeriszikája i R A Zener-diódák leörési feszülsége a szennyezés mérékével és megfelelő echnológiával néhány volól száz vol nagyságrendig beállíhaó. A Zener-dióda jelképi jelölése és karakeriszikája a ábrán láhaó A réegdiódák csoporosíása A eljesíményelekronikai áramkörökben alkalmazo réegdiódák ké nagy csoporba sorolhaók: a hálózai diódák és a gyors diódák. Hálózai diódák A hálózai vagy normál diódák megengedheő árama néhány amper és ka közö válozik, a megengedheő feszülségigénybevéel felső haára 5 kv. A nyióirányú feszülségesés a leörési feszülség növekedésével nő és a néhány kv-os 2-15

16 ípusoknál 2 V fele van. A záróirányú szabaddáválási idő nem elsőrendűen fonos jellemző, legfeljebb az áramkörök védelme szemponjából van jelenősége. Gyors diódák A gyors diódák rr záróirányú szabaddáválási ideje álalában egy nagyságrenddel kisebb, min a hálózai diódáké. A gyors diódák jellemzőinek összehasonlíásakor nemcsak a Q rr árol ölés nagyságá, hanem az s lágysági ényező is figyelembe kell venni. A gyors diódák jelenlegi haáradaai: feszülség: U = V, áram: I = A. A záróirányú szabaddáválási idő elsősorban a megengedheő feszülségigénybevéelől függ: 600 V-ig rr = 0,2 µs, 1000 V-ig rr = 0,5 µs, 2500 V-ig rr = 5 µs Schoky dióda A Schoky-diódá egy vékony fém réegre felvi p vagy n ípusú félvezeő alkoja. A fém és a félvezeő érinkezési felüleén kialakul egy kiüríe réeg, amely hasonló ulajdonságoka mua, min az egykrisály pn ámene. A félvezeő Si vagy Ge egykrisály, a vele érinkező fém álalában wolfram. Az n ípusú félvezeő alkalmazása eseén a fémhez csalakozik az anód kivezeés, a félvezeőhöz pedig a kaód. Ennek a felépíésnek is hasonló áram-feszülség jelleggöbéje van, min egy pn ámenenek. A saikus ulajdonságai közül előnyös, hogy nyióirányú feszülségesése néhány ized vol, háránya, hogy záróirányú árama nagyságrenddel nagyobb, min a réegdiódáé. A Schoky diódában gyakorlailag csak a öbbségi öléshordozók vesznek rész az áramvezeésben, ezér a árol ölése és a záróirányú szabaddáválási ideje jó közelíéssel nulla. Különösen nagyfrekvenciás ( khz) áalakíó kapcsolásokban előnyös az alkalmazásuk. A Schoky diódák megengedheő igénybevéeli haárai: feszülség: U = V, ezér csak kisfeszülségű kapcsolásokban alkalmazhaók, áram: I = 100 A, záróirányú szabaddáválási idő: rr 0. Új fém-félvezeő ámeneek kifejleszésével a záróirányú áram nagyságá ma haárok közé sikerül lecsökkeneni, és az új srukúrákkal a leörési feszülsége V-ig lehee növelni. 2-16

17 A diódák kaalógusadaai A gyáró cégek kaalógusokban közlik a diódák névleges és haáradaai, amelyek a kapcsolásokban alkalmazo félvezeők kiválaszásának és méreezésének alapjául szolgálnak. A kaalógusadaok egy ado hőmérséklere vonakoznak, az egyes jellemzők hőmérséklefüggésé jelleggörbékben adják meg. U RRM ismélődő záróirányú csúcsfeszülség. Az ismélődő ranziens záróirányú feszülség maximálisan megengedheő csúcséréke. U RSM nem ismélődő záróirányú csúcsfeszülség (lökő-csúcsfeszülség). A legnagyobb megengedheő, nem periodikus csúcsfeszülség. I FRMS a nyióirányú áram effekív éréke. A dióda belső villamos- és ermikus ulajdonságai álal korláozo folyamaos üzemi áram éréke. a nyióirányú áram középéréke. I FAV I FSM félszinusz hullámú nyióirányú lökőáram. A névleges erhelés köveő egyelen szinusz félhullám alakú áram csúcséréke. A lökőáram üzemszerűen nem ismélődhe. 2 i d haárerhelési inegrál. A névleges erhelés köveő, félperiódusnál rövidebb U F U To r T i R R hjc T jmax U BR U R Q rr rr 2 időaramú úlerhelésre vonakozó i d érék. A védelem megválaszásához szolgál alapul. A diódára megado i d éréknek nagyobbnak 2 2 kell lennie, min az alkalmazo bizosíóra megado i d érék. nyióirányú feszülségesés ado réeghőmérsékle és nyióirányú áram eseén. küszöbfeszülség. A dióda nyióirányú jelleggörbéje álal meghaározo érék. A nyióirányú feszülség azon éréke, ahol az áram növekedni kezd. nyióirányú helyeesíő ellenállás. záróirányú áram. hőellenállás. a megengedheő maximális réeghőmérsékle. leörési feszülség. Az a feszülségérék, amelynél a dióda záróirányú árama rohamosan nő, vagyis zárási ulajdonságai megszűnnek. A leörési feszülség mindig nagyobb, min a megengedheő lökő-csúcsfeszülség. folyamaos záróirányú egyenfeszülség, az a záróirányú egyenfeszülség, amely nem lépi úl a 0.5 U RRM éréké. záráskésleleési ölésárolás, az a ölés, amely a záróképesség visszanyeréséhez szükséges idő ala áfolyik a külső áramkörön. záróirányú szabaddáválási idő BIPOLÁRIS TRANZISZTOROK 2-17

18 A ranziszor ké pn ámeneből áll, ahol az egyik réeg közös. A közös réeg vagy n, vagy p ípusúan szennyeze, ezér a ranziszor szennyezési sorrendje lehe pnp vagy npn. Minden réeghez arozik egy-egy kivezeés: a közös réeg a bázis, amelynek egyik oldalán az emmier, a másikon pedig a kollekor van. A ranziszor szerkezei sémája és jelképi jelölése a ábrán láhaó. pnp C Emier p n p Kollekor B Bázis E npn C Emier n p n Kollekor B Bázis E ábra. A ranziszor szerkezei sémája és jelképi jelölése A közös bázisréeg rendkívül vékony, és mivel mindké pn ámene közös eleme, ezér az ámeneek közö jelenős kölcsönhaás lép fel: a bázis-emier ámene áramával a kollekor és az emier közö folyó áram befolyásolhaó. A réegranziszorban az elekronok és a lyukak egyarán rész vesznek az áramvezeésben, erre ual a bipoláris ranziszor elnevezés. Az npn és a pnp srukúrájú ranziszorok működése lényegében nem ér el egymásól, csupán az egyenfeszülségek polariása, illeve az egyenáramok iránya ellenées (2.13. ábra). A kövekezőkben csak a gyakoribb npn ípusú ranziszorral foglalkozunk. U BC I B B U BE C E I C I E U CE U CB I B B UEB C E I C I E U EC npn pnp ábra. Az npn és a pnp ípusú ranziszor feszülség- és áramirányai közös emierű kapcsolásban 2-18

19 A ranziszor működeéséhez ké ápforrás szükséges, ezér aszerin, hogy e ké ápforrásnak melyik elekródán van a közös ponja, alapveően három kapcsolási leheőség van: a közös bázisú, a közös emierű és a közös kollekorú kapcsolás (2.14. ábra). Ezen alkalmazások közül a közös emierű a legjelenősebb, leggyakrabban alkalmazo kapcsolás, ezér a kövekezőkben ez a kapcsolás árgyaljuk. I E I B C I B E E B C U CB B E U CE B C U CE a) b) c) ábra. Az npn ranziszor elvi alapkapcsolásai: a) közös bázisú, b) közös emierű, c) közös kollekorú kapcsolás A ranziszor folyamaosan vezérelheő elekronikus eszköz, amely eljesíményerősíésre alkalmas. A közös emierű kapcsolásban az I B bázisáram a vezérlő, az I C kollekoráram pedig a vezérel áram. A ranziszor egyes pn ámeneeire juó feszülségek polariásáól függően négy alapveő működési mód különbözeheő meg. a) Normál akív működési mód A ranziszor normál akív arományban működik, ha a bázis-emier ámene igénybevéele nyióirányú, a bázis-kollekor ámeneé pedig záróirányú. A kialakuló áramok a ábrán láhaók. I C C B E I E I CE I CB0 I BE I B ábra. A ranziszor áramai a normál akív arományban Az U BE > 0 és az U BC < 0 feszülségek haására a bázis-kollekor ámeneen I CB0 záróirányú áram, a bázis-emier ámeneen pedig I BE nyióirányú áram folyik. A kis érékű bázis-emier áram haására a kollekor-emier közö nagy I CE áram indul (ranziszor haás). E ké áram közö az I CE = B I BE (2.19) összefüggés erem kapcsolao, ahol B a közös emierű egyenáramú (nagyjelű) 2-19

20 áramerősíési ényező, amelynek szokásos éréke: B = A bevezee jelölésekkel a bázis elekróda árama az a kollekor elekróda árama az az emier elekróda árama pedig az I B = I BE I CB0, (2.20) I C = I CB0 + BI BE, (2.21) I E = I BE + BI BE = (B + 1)I BE (2.22) összefüggéssel haározhaó meg. A csomóponi örvény szerin: I E = I C + I B. (2.23) A bázis-emier ámene árama a (2.20) összefüggés alapján: Ez az összefüggés felhasználva a kollekoráram az emieráram pedig I BE = I B + I CB0. (2.24) I C = I CB0 + B( I B + I CB0 ) = BI B +(B+1)I CB0, (2.25) I E = (B+1)( I B + I CB0 ) = (B+1)I B +(B+1)I CB0. (2.26) A kollekor-bázis záróirányú áram álalában elhanyagolhaó, ekkor a kollekoráram az emieráram pedig I C = BI B, (2.27) I E = (B + 1)I B (2.28) alakú. A ké áram hányadosa az A közös bázisú egyenáramú (nagyjelű) áramerősíési ényező: A I C B = = I B + 1. (2.29) E A normál akív aromány jellemzője, hogy a bázis-emier ámene kis érékű áramának haására a kollekor-emier ámeneen nagy érékű áram folyik. b) Inverz akív működési mód A kollekor és az emier szerepé felcserélve a ranziszor inverz akív arományban működik. Ekkor a bázis-emier ámenere U BE < 0 záróirányú, a kollekor-bázis ámenere pedig U CB > 0 nyióirányú feszülség ju. A normál akív aromány minájára definiál inverz áramerősíési ényezők a ranziszor aszimmerikus 2-20

21 felépíése mia lényegesen kisebbek, ezér ennek a arománynak kicsi a jelenősége. c) Telíési mód Ebben az üzemmódban a ranziszor mindké ámeneére nyióirányú feszülség ju, ehá U BE > 0 és U BC > 0. A nyio pn ámeneek kis ellenállása mia az áramo főképp a külső hálóza haározza meg. A elíési aromány haára az U BC = 0 érékhez arozik, ekkor U BE = U CE. A elíéshez arozó kollekor-emier feszülsége U CEsa maradékfeszülségnek, másképpen szaurációs feszülségnek nevezik. Éréke: 0,1-3V. d) Zárási mód Ha mindké pn ámenere U BE < 0 és U BC < 0 záróirányú feszülség ju, a ranziszor közelíőleg szakadáskén viselkedik, a pn ámeneeken záróirányú áramok folynak. A záróirányú áramok érékei: I CB0 = I BE0 = 0,1...5 ma. Jelleggörbék A ranziszor kivezeéseire juó feszülségek és a kivezeéseken áfolyó áramok közöi összefüggéseke álalában jelleggörbékben adják meg. Ezek közül legfonosabb a bemenei és a kimenei jelleggörbe sereg ismeree. Ezek alapján árgyalhaók pl. a kisjelű erősíők, a kapcsolóüzem, sb. Közös emierű kapcsolásban a ranziszor I B = f(u BE ) bemenei, valamin az I C = f(u CE ) kimenei jelleggörbéi a ábrán láhaók. A bemenei jelleggörbe az emier-bázis pn ámene nyióirányú jelleggörbéjéhez hasonló. Mivel a kimenei oldal U CE feszülsége visszaha a bemenere, ezér meg kell adni, hogy mekkora U CE kollekor-emier feszülségre vonakozik a jelleggörbe. Záróirányban a maradékáramo és a leörési feszülsége elegendő ismerni. Telíési aromány U CB = 0 I B U CE = 0 U CE = 5V I C Akív I B5 > I B4 I B4 > I B3 I B3 > I B2 Elsõdleges (primer) leörés aromány I B2 > I B1 I B1 I B =0 U BE Zárási aromány a) b) U CER U CE0 U CES U CEV U CE ábra. A közös emierű ranziszor: a) bemenei és b) kimenei karakeriszikái 2-21

22 A kimenei karakeriszika az állandó bázisáramhoz arozó kollekoráram válozás adja meg az U CE kollekor-emier feszülség függvényében. Az I B = 0 bázisáramhoz arozó jelleggörbe a zárási aromány, az U CB = 0 jelleggörbe pedig a elíési aromány haárolja. A ranziszor kollekor-emier feszülsége egy maximális éréke nem haladha meg, ez az érék az U CE0 leörési feszülség az I B = 0 bázisáramhoz arozó jelleggörbén, szabadon hagyo bázis eseén. Ha a bázis és az emier közö R ellenállás van, a zárási arományban csökken a kollekor-emier maradékáram, a leörési feszülség pedig nagyobb lesz. A karakeriszika azonban visszahajló jellegű és az U CER érék elérése uán csökkenő feszülségnél is megnövekszik a kollekoráram. A maradékáram ovább csökkenheő, ha az ellenállás éréke egészen rövidzárig csökken. Ekkor a leörési feszülség U CES érékű. A legkisebb maradékáram és a legnagyobb leörési feszülség érék (U CEV ) a bázis-emier közé kapcsol zárófeszülséggel érheő el. A leörési feszülségnél nagyobb feszülségeknél a lavinahaás mia elsődleges (primer) leörés kövekezik be, a ranziszor a nagy veszeségi eljesímény kövekezében meghibásodik. A ranziszor kollekorkörébe R ellenállás ikava (2.17a ábra) a kollekoráram az I U U CE C = R (2.30) összefüggéssel adhaó meg, ahol U a ápfeszülség. Ez az összefüggés a ranziszor kimenei karakeriszikájában egy munkaegyenes haároz meg. A munkapon egy összearozó I C U CE érékpár a munkaegyenes menén, amelye a bázisárammal lehe beállíani. Ha a bázisáram folyamaos válozaásával a munkapon a normál akív arományban jön lére, akkor a ranziszor lineáris üzemmódban működik A ranziszor kapcsoló üzeme Ha a ranziszor bázis-emier ámeneének igénybevéele olyan, hogy saikus állapoban a munkaegyenesen a munkapon csak a elíési (A), vagy csak a zárási (B) arományban alakulha ki, akkor a ranziszor kapcsoló üzemmódban működik (2.17b ábra). A ranziszor kapcsoló ulajdonságai nem ideálisak, de előnyei kövekezében egyike a leggyakrabban alkalmazo elekronikus kapcsoló elemeknek. Előnyös ulajdonságai: vezérlőeljesíménye kicsi, nagy a eljesíményerősíése, bekapcsolási és kikapcsolási ideje rövid, µs nagyságrendű, gyors, periodikus ákapcsolásra alkalmas, hosszú élearam, nagy megbízhaóság jellemzi, 2-22

23 bekapcsol állapoban ellenállása kicsi (mω nagyságrendű), kikapcsol állapoban ellenállása nagy (MΩ nagyságrendű). R i C + I C U / R A U CB = 0 I B5 > I B4 I B4 > I B3 I B3 > I B2 I B U CE U I CM M I B2 > I B1 I B1 u BE 0 B I B =0 U CE U CEsa U CEM U a) b) ábra. A ranziszor munkaponjának beállíása A ranziszor a zárási arományban üzemel, ha a bázis-emier ámenere záróirányú feszülség ju. A vezérlőelekródára kapcsol megfelelő nagyságú, ugrásszerűen válozó nyióirányú áram- vagy feszülségimpulzussal a ranziszor munkaponja a elíési arományba vezérelheő, majd a vezérlőjel megszűnésekor a munkapon a zárási arományba ju. A ranziszor kollekorárama nem kövei ugrásszerűen a vezérlőjel válozásá, az ákapcsolás időkéséssel, nem pillanaszerűen örénik. A kapcsolási időösszeevők ( d, r, s, f ) definíciója a ábrán láhaó. i B I B1 I B i C 90% 10% d r s f on off ábra. A ranziszor kollekoráramának időfüggvénye a vezérlőjel (a bázisáram) haására 2-23

24 A ranziszor bázisára a = 0 pillanaban a bekapcsoláshoz szükséges I B1 ampliúdójú áramimpulzus kapcsolva a kollekoráram csak egy d késési idővel indul meg, majd az állandó bázisáram haására a ranziszor paraméereiől függő ákapcsolási időállandóval növekedni kezd és a r felfuási idő ala eléri maximális érékének 90%-á. A bekapcsolási idő a késési és a felfuási idő összege adja: on = d + r. (2.31) A vezérlőjele ugrásszerűen megszüneve ( 1 ), a bázisréegben jelenlévő öbble öléshordozók mia mind a bázis-emier, mind a bázis-kollekor ámene ovábbra is veze. A kollekoráram gyakorlailag válozalan lesz mindaddig, míg a bázisban árol ölés le nem csökken a elíési aromány haárához arozó érékre. Az ehhez arozó idő a s ölésárolási, másképpen elíési idő. A vezérlőáram megszűnése uán a bázis-emier ámenere záróirányú feszülség ju, I B2 záróirányú bázisáram, un. kihúzóáram fog folyni, amelynek éréké a vezérlőkör feszülsége és ellenállása haározza meg. A 2 időpillanaól a kollekoráram csökkenni kezd, és a f lefuási idő ala éri el a kikapcsoláshoz arozó éréké. A off kikapcsolási idő a s elíési idő és a f lefuási idő összege: off = s + f. (2.32) A kapcsolókén alkalmazo ranziszorral szemben köveelmény, hogy a kapcsolási idők minél rövidebbek legyenek, a kollekoráram minél kisebb késéssel kövesse a vezérlőáramo. Ezér mind a bekapcsolási, mind a kikapcsolási időke csökkeneni kell. Ez ellenées köveelmény jelen, hiszen a úlvezérléssel jelenősen csökkenheő a bekapcsolási idő, de ekkor megnő a elíési idő, amely a kikapcsolási idő növeli. Ha a ranziszor a vezérlés haására nem kerül a elíési arományba, csak a elíési aromány haárára (U CB = 0), akkor a s elíési idő gyakorlailag nulla lesz. i B R i C + 1,5I B1 R 1 R 2 U CE U I B2 I u BE B1 a) b) C ábra. A ranziszor be- és kikapcsolási idejének csökkenéséhez szükséges a) vezérlőáram-alak és b) kapcsolási elrendezés 2-24

25 Megoldás lehe, ha a úlvezérlés csak a bekapcsolás idejére korláozódik. Ehhez a 2.19a ábrán láhaó áramalak szükséges, ahol a vezérlőjel egy rövid ideig a saikus bázisáramnál 1,5-2-szer nagyobb ampliúdójú. Ennek haására a ranziszor a elíési arományba kerül, a bekapcsolási idő rövidebb lesz. Később a bázisáramo a elíési aromány haárához arozó érékre csökkenve a elíési idő, illeve a kikapcsolási idő jelenősen kisebb lesz. A 2.19b ábrán láhaó kapcsolás ennek a vezérlőáram-alaknak a gyakorlai megvalósíása.a kapcsolási idők csökkenésének másik leheősége, ha valamilyen kapcsolási elrendezés megakadályozza, hogy a ranziszor a úlvezérlés ellenére a elíési arományban üzemeljen. Ebben az eseben azonban számíani kell arra, hogy a ranziszor maradékfeszülsége (szaurációs feszülsége) a elíési aromány haárán nagyobb, min a elíési arományban, ezér a ranziszor bekapcsol állapohoz arozó veszesége is megnövekszik Veszeségszámíás A kapcsoló üzemű ranziszorok saikusan a elíési és a zárási arományban üzemelnek. A zárási aromány veszesége álalában elhanyagolhaó, mivel ez a kis maradékáram mia a lezár ranziszorra juó eljes ápfeszülség eseén sem számoevô. A elíési arományban a ranziszor veszeségé a szaurációs feszülség és a nyióirányú áram szorzaa haározza meg. A ké sabil állapo közöi ákapcsolások ala nagy pillananyi-, és a kapcsolási frekvenciáól függően jelenős álagos ákapcsolási veszeségek kelekezhenek. Az ákapcsolások ala az áramsűrűség a ranziszor félvezeő krisály kereszmeszeében nem oszlik el egyenleesen, ezér az egyenlőlen felmelegedés mia megengedheelenül magas hőmérsékleű helyek alakulhanak ki, amelyek a ranziszor meghibásodásához, az u.n. szekunder leöréshez vezehenek. A eljesímény ranziszorok veszeségi eljesíményének legfonosabb korláozó éréke a maximálisan megengede réeghőmérsékle, amely a diódánál megismer analóg hőmodell alapján számíhaó. Egy kapcsoló ranziszor álalában periodikusan ismélődő áramimpulzusoka veze. Az áramimpulzus energiaveszeségéből meghaározhaó a nyióirányú veszeség éréke. Az energiaveszeség számíása három részre bonhaó: a W on bekapcsolási energiaveszeségre, az áram állandó szakaszára vonakozó W cond vezeési és a W off kikapcsolási energiaveszeségre. Ezek álalános formában a kövekezőképpen írhaók fel: W () () = i u d 3 0, (2.33) ahol az i() a kollekoráram, az u() pedig a kollekor-emier feszülség időfüggvénye. 2-25

26 A ranziszor kapcsolási energiaveszeségei ohmos erhelés kapcsolásakor A ranziszor feszülség és az áram hullámformája ohmos erhelés eseén a 2.20b ábrán láhaók. A be- és a kikapcsolás ideje ala az áram-, valamin a kollekor-emier feszülségválozás lineáris függvénnyel közelíheő. i C u CE U i C u CE I CM i C + U CEsa R u CE U r cond p T P U I TM P TM = 4 CM f u BE 0 T a) b) ábra. A ranziszor áram, feszülség és veszeségi eljesímény hullámformái ohmos erhelés kapcsolásakor A bekapcsolási energiaveszeség a célszerűen a 0 időponban felve koordináarendszerben közelíőleg a W r = I U 1 d = on CM 0 r r I CM U 6 r (2.34) összefüggéssel haározhaó meg. Az állandósul áramvezeési szakaszra a veszeségi energia a 1 időponban felve koordináarendszerben összefüggéssel számíhaó. Wcond = ICMUCEsa cond (2.35) 2-26

27 A kikapcsolási energiaveszeség a 2 időponban felve koordináarendszerben a Woff f = I CM 1 0 f U f d = ICM U f 6 (2.36) összefüggéssel haározhaó meg. A kapcsolási energiaveszeségek ismereében a eljes veszeségi eljesímény álagéréke meghaározhaó az összes energiaveszeségnek a T periódusidőre ve álagakén: P TAV W + W + W = T on cond off. (2.37) A ranziszor T j réeghőmérsékleének álagos éréke a villamos analóg hőmodell alapján: ahol T c a ranziszor okhőmérséklee, R hjc a ranziszor belső hőellenállása. Tj Tc = PTAVRh jc (2.38) A ranziszor kapcsolási energiaveszeségei soros ohmos-indukív erhelés kapcsolásakor A ranziszor áram és feszülség hullámformái indukiviás is aralmazó erhelés kapcsolásakor a 2.21b ábra szerin alakulnak. Ha a erhelés időállandója lényegesen nagyobb, min a kapcsolási frekvencia periódusideje, feléelezheő, hogy az I erhelő áram állandó. A ranziszor kikapcsol állapoában a erhelő áramo a erheléssel párhuzamosan kapcsol D visszavezeő dióda vezei. A ranziszor bekapcsolásakor a dióda mindaddig veze, amíg a kollekor áram el nem éri a erhelő áram nagyságá, ez idő ala a ranziszorra közelíőleg az U ápfeszülség ju. A dióda lezárása uán az u CE kollekor-emier feszülség lecsökken az U CEsa maradékfeszülség érékére. Kikapcsoláskor a D diódára csak akkor ju nyióirányú feszülség, amikor a ranziszor u CE feszülsége eléri a ápfeszülség éréké. A ranziszoron csak ekkor kezd csökkeni az áram nullára. Az időfüggvényekből láhaó, hogy RL erheléskor jelenősen növekednek a ranziszor kapcsolási veszeségei. A bekapcsolási folyama a 0 időpillanaban a kollekoráram növekedésével indul, amely r idő ala éri el az I CM maximális éréké. A kollekoráram válozása lineáris függvénnyel közelíheő, a kollekor-emier feszülség válozása pedig pillanaszerűnek ekinheő. 2-27

28 i C u CE L i i D + U I CM i C u CE i D u BE R i C D u CE U p T P TM U CEsa r cond f P TM =U I CM 3 0 T a) b) ábra. A ranziszor áram, feszülség és veszeségi eljesímény hullámformái soros ohmosindukív erhelés kapcsolásakor A bekapcsolási energiaveszeség a 0 időponban felve koordináarendszerben: W r ICMUr = ICM U d =. on 0 r 2 (2.39) Az állandósul áramvezeési szakaszra a 1 időponban felve koordináarendszerben a Wcond = ICMUCEsa cond (2.40) összefüggéssel számíhaó a veszeségi energia. A kikapcsolási energiaveszeség a 2 időponban felve koordináarendszerben a W f ICMU f = U I 1 d = f 2 off CM 0 (2.41) összefüggéssel adhaó meg. A kapcsolási energiaveszeségek ismereében a eljes veszeségi eljesímény álagéréke: Won + Wcond + Woff PTAV =. (2.42) T A T j réeghőmérsékle álagos éréke: T T = P R. (2.43) j c TAV h jc 2-28

29 A eljesímény ranziszorok szerkezei kialakíása A eljesíményelekronikai áramkörökben alkalmazo kapcsolóüzemű eljesímény ranziszorok szerkezee elér az információelekronikában használ ranziszorokéól. Az elérés elsősorban a felépíésben jelenkezik. Egy npn ípusú eljesímény ranziszor emiere erősen szennyeze n ípusú, a bázisa kevésbé szennyeze p ípusú réeg. A kollekor ké réegből áll; a bázissal szomszédos réeg gyengén szennyeze, majd ez egy erősen szennyeze n ípusú réeg kövei (2.22. ábra). Bázis Emier n + p n Bázis vasagság Kollekor drif aromány n + Kollekor ábra. A eljesímény ranziszor szerkezee Ez a szerkezei kialakíás nagy feszülség haárérékeke bizosí, de az áramerősíési ényező viszonylag kicsi, csak 5-10 körüli érék. Ezér a nagyfeszülségű bipoláris ranziszoroka diszkré elemekből egy okban, vagy egy krisályon belül Darlingon kapcsolásban alakíják ki. Ezeknek ugyan nagyobb a feszülségesésük, de lényegesen nagyobb a nagyjelű áramerősíési ényezőjük. Egy kéfokozaú Darlingon eljesímény ranziszor elvi felépíése a ábrán láhaó. C i C B i B T 2 T 1 D 1 D 2 R 2 R 1 i E ábra. Darlingon ranziszor elvi felépíése A kapcsolási rajzon szereplő D 2 dióda az T 1 főranziszor kikapcsolásának gyorsíásá szolgálja, leheősége bizosíva a negaív bázisáram alkalmazásának. Az R 1 és R 2 ellenállások a záróirányú maradékáramo csökkenik. A D 1 az un. visszavezeő dióda. E 2-29

30 Fonosabb kaalógusadaok U CB0 a kollekor-bázis leörési feszülség (I E = 0). U CE0 a kollekor-emier leörési feszülség nyio bázis-emier eseén (I B = 0). U CER a kollekor-emier leörési feszülség bázis-emier lezáró ellenállás alkalmazásával (R BE = 100 Ω). U CES a kollekor-emier leörési feszülség rövidrezár bázis-emier eseén (U BE = 0). U EB0 a emier-bázis leörési feszülség (I C = 0). I C a kollekor áram maximális középéréke. I CM a kollekor áram csúcséréke. I B a bázis áram maximális középéréke. I B a bázis áram csúcséréke. P o maximális disszipációs eljesímény, ha a okhőmérsékle T C 25 C. T jm a maximális réeg hőmérsékle. R hjc a belső hőellenállás a réeg és a ok közö. I CEV a kollekor-emier maradékáram, a ranziszor kikapcsol állapoában negaív bázis-emier feszülség eseén. U CEsa a kollekor-emier maradékfeszülség (szaurációs feszülség). U CEsus kollekor-emier leörési feszülség. d bekapcsolás késleleési idő. r felfuási idő. s ölésárolási idő. lefuási idő. f lg I C I CM 1 2 p =30µs p = 50µs p = 1ms 3 4 p = 100ms dc lg U CE ábra. A nyióirányú bizonságos működés arománya (FBSOA) FBSOA (Forward biased safe operaing area) a nyióirányú bizonságos működés arománya. A bázis-emier pn ámene nyióirányú igénybevéele eseén a maximálisan megengede áram, a maximális kollekor-emier feszül- 2-30

31 ség, a veszeségi eljesímény és a szekunder leörés haároka adja meg a kimenei karakeriszikában. Az U CE - I C diagramon a ranziszorra maximálisan megengede jellemzők a logarimikus lépékű ábrázolás mia egyenes haárolóvonalaka adnak. Erre az üzemmódra vonakozó haáradaok a ábrán láhaók. 1 a maximálisan megengede kollekoráram. 2 a maximálisan megengedheő hőveszeség. 3 a másodlagos (szekunder) leörés arománya. 4 a maximálisan megengede kollekor-emier feszülség. A diagram a dc egyenáramú erhelésen kívül a különböző p impulzus időkhöz arozó haáradaoka is aralmazza. RBSOA (Reverse biased safe operaing area) a záróirányú bizonságos működés arománya. A ranziszor kikapcsolásakor a bázisáram megszűnése uán álalában záróirányú feszülség kerül a bázis-emier ámenere, a kikapcsolási folyama meggyorsíása mia. Erre az üzemmódra vonakozó haáradaok a ábrán láhaók az U BE bázis-emier feszülség függvényében. lgi C 1 2 U BE = 5V 3 lgu CE ábra. A záróirányú bizonságos működés arománya (RBSOA) 1 a maximálisan megengede kollekoráram (a kikapcsolás elő). 2 másodlagos leörés. 3 a záróirányú bázisfeszülségől függő leörési feszülség. Mind a nyióirányú, mind a záróirányú bizonságos működés arománya állandó okhőmérséklere vonakozik. 2-31

32 2.4. TIRISZTOROK A iriszorok négyréegű félvezeő eszközök. A szilícium egykrisály lapkán kialakío négy réeg felválva p és n ípusú, de különböző mérékben szennyeze. A pn p n sorrendű ámeneek közül a p réeghez az anód, az n réeghez a kaód kivezeés csalakozik, míg a p réeg kivezeése a gae vezérlőelekróda. A iriszor semaikus felépíése és a jelképi jelölése a ábrán láhaó. Anód p n p Gae n Kaód Anód i T u T Gae i G Kaód ábra. A iriszor semaikus felépíése és jelképi jelölése A iriszorok nyióirányú működése visszavezeheő ké komplemener ranziszor működésére, ahol az n p n ranziszor kívülről vezérelheő. A helyeesíés a ábra szemlélei. A p n n p n p G K A G K ábra. A iriszor helyeesíése ranziszorokkal A iriszor az anód és a kaód közé kapcsol külső feszülség polariásáól függően különbözőképpen viselkedik. Záróirányú feszülségigénybevéel Ha az anódra a kaódhoz képes negaív feszülség ju, a iriszoron csak kis érékű záróirányú áram folyik. A záróirányú feszülség-áram jelleggörbe menee gyakorlailag megegyezik a dióda záróirányú karakeriszikájával. A negaív anódfeszülség haására a iriszor szerkezeben az 1-es és a 3-as ámene igénybevéele záróirányú. A zárófeszülség nagyrésze az 1-es ámenere ju, mivel a 3-as réeg záróulajdonsága sokkal rosszabb. A záróirányú áram nagyságá a vezérlőelekródán áfolyó áram is befolyásolja. A vezérlőáram haására a záróirányú áram is megnövekszik és annál nagyobb lesz, minél nagyobb a vezérlőáram. Ilyenkor az egyidőben fellépő nagy záróirányú áram és nagy záróirányú feszülség nagy veszesége okoz, a fejlődő hő kövekezében a iriszor önkremehe. Ez a veszély csökkenheő a iriszor vezérlőjelének leilásával a záróirányú igénybevéel ala. 2-32

33 Nyióirányú feszülségigénybevéel Ha az anódra a kaódhoz képes poziív feszülség ju és a vezérlőelekródán nem folyik áram, ekkor a iriszor középső, 2-es ámeneére ju zárófeszülség, és az elemen kis érékű vezeőirányú záróáram folyik. A poziív anódfeszülsége növelve, az U B0 billenési feszülség haárérékénél az anódáram növekedni kezd, az elemen belüli poziív visszacsaolás mia az anódfeszülség lecsökken és a ovábbiakban az elem úgy viselkedik, min egy vezeőirányban igénybeve dióda. Ez a iriszor bekapcsol állapoa. Ez a bekapcsolási módo leheőleg kerülni kell, mer a iriszor meghibásodásához vezehe. A billenési feszülség hőfokfüggő. A hőmérsékle emelkedésével kezdeben a billenési feszülség kis mérékben növekszik, majd az un. billenési hőmérsékle (T B ) fele meredeken csökken. Ez az jeleni, hogy a iriszor vezérlőjel nélkül, csak a hőmérsékleének növelésével is bekapcsolhaó (2.28. ábra). U B0 T B T ábra. A iriszor billenési feszülségének hőfokfüggése Ez nem okoz közvelen meghibásodás a iriszor szerkezeben, ha a hőmérsékle lecsökken, a iriszor ismé vezérelheővé válik. A billenési hőmérsékle úllépésével mégsem célszerű a iriszor bekapcsolni, mer a bekapcsolás időponjában nagy az anódfeszülség, és a kis kereszmeszeen meginduló áram a félvezeő eleme önkreehei A iriszorok bekapcsolása A iriszor üzemszerű bekapcsolásához az anód-kaód nyióirányú feszülsége melle vezérlőáram is szükséges. Ha a vezérlőelekródára poziívabb feszülség ju a kaódhoz képes, a vezérlőkörön áram folyik. A vezérlőáram haására a 3-as ámenehez arozó p n réegben a öléshordozók száma megnövekszik és rövid idő elelével elérik a 2-es ámenee, ahol a záróirányban igénybeve ámene villamos ere ásodorja azoka az n réegbe. Az álépő elekronok haására lecsökken az ámenere juó feszülség. Az 1-es és a 3-as ámene nyióirányú feszülségigénybevéele mia egyre öbb lesz a öléshordozó, így a 2-es ámene érölése és 2-33