Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie zjawiska zatrzasku: przyczyn fizycznych, zastosowań, zagrożeń i sposobów wyłączania.

Podstawy fizyczne

Efekt tyrystorowy pojawia się w czterowarstwowej strukturze pnpn (obszary skrajne zwane są obszarami emiterowymi, a środkowe bazowymi). Dopóki którekolwiek z trzech złączy jest spolaryzowane w kierunku zaporowym struktura praktycznie nie przewodzi prądu. Na schemacie elektrycznym można wyobrazić sobie tyrystor w stanie zaworowym lub blokowania jako trzy diody, z których niezależnie od polaryzacji elektrod któraś jest spolaryzowana w kierunku zaporowym (rys 1).

Rys 1:Tyrystor – model dla stanu blokowania i zaworowego katoda anoda

Bliskość złącz w jednej strukturze jest przyczyną dodatkowych efektów tranzystorowych. Nośniki ładunku wstrzykiwane przez obszary emiterowe rekombinują w bazie, bądź są wymiatane z bazy do obszaru kolektora (drugiej bazy). Po dostaniu się do drugiej bazy modulują przepływ nośników wstrzykiwanych przez drugi emiter, tak jak to się dzieje w zwykłym tranzystorze. Jest oczywistym, że w strukturze pnpn znajdują się sprzężone ze sobą dwa tranzystory bipolarne. Oba tranzystory nie mogą jednocześnie pracować w obszarze aktywnym, gdyż silne dodatnie sprzężenie pomiędzy prądem baz i kolektorów przy większych od 1 współczynnikach wzmocnienia prądowego uniemożliwia powstanie stanu stabilnej pracy.

Obserwujemy dwa stany stabilne: gdy jeden z tranzystorów (NPN ) znajduje się w odcięciu (blokowanie rys. 2) lub gdy oba tranzystory są w stanie nasycenia (przewodzenie rys. 3).

Struktura czterowarstwowa łatwo przechodzi ze stanu blokowania do przewodzenia. Jest to spowodowane dodatnim sprzężeniem pomiędzy współczynnikami wzmocnienia α obu tranzystorów a prądem anodowym. Zwiększenie prądu powoduje wzrost współczynników (a to powoduje dalszy wzrost prądu) i jeżeli ich suma przekroczy krytyczną wartość 1 następuje przełączenie, czyli zatrzask. Jest wiele przyczyn takiego zjawiska wynikających z fizyki półprzewodników (1).

(1)

ICO	– prąd nasycenia złącza środkowego

M	– współczynnik przebicia złącza

załączenie prądem bramki (IG↑)

ze względu na powtarzalność wyników ten sposób wyzwalania jest zalecany i najczęściej wykorzystywany. Nawet niewielki prąd bramki (zależny od napięcia anoda - katoda) dostarcza nadmiar nośników naruszających stabilny stan blokowania.

załączenie napięciowe (M↑)

Każde złącze spolaryzowane w kierunku zaporowym ma graniczną wartość blokowanego napięcia powyżej której ulega przebiciu (na ogół lawinowemu). Podobnie jest z strukturą tyrystorową. Przebicie złącza blokującego napięcie oznacza natychmiastowy zatrzask struktury. Zjawisko to wykorzystuje się w tyrystorach bez elektrody bramkowej - dynystorach i diakach – pracujących zazwyczaj jako ograniczniki napięcia.

załączenie światłem (ISO↑)

Prąd nasycenia złącza pn zależy od wielu czynników. W fototyrystorach wykorzystuje się zależność tego prądu od szybkości generacji par dziura elektron zależnej z kolei od oświetlenia przyrządu. Światło padające na element powoduje zwiększoną generację nośników ładunku w zaporowo spolaryzowanym obszarze złącza i w konsekwencji wzrost prądu nasycenia.

załączenie temperaturą (ISO↑)

Podobnie jak w poprzednim przypadku zatrzask jest wywoływany wzrostem prądu nasycenia złącza. Prąd nasycenia zależy w przybliżeniu proporcjonalnie od trzeciej potęgi temperatury. Jest to poważna wada tyrystorów (zwykłych i pasożytniczych) ograniczająca maksymalną temperaturę ich pracy i zmieniająca parametry sterowania.

załączenie stromością napięcia

Obecność pojemności złączowych w strukturze tyrystora jest powodem zatrzaskiwania elementu przez zbytnią stromość narastającego napięcia (zjawisko du/dt). Prądy przeładowujące pojemności mogą zatrzasnąć element. Dzieje się to zwłaszcza przy wyłączaniu tyrystora. Struktura po wyjściu z zatrzasku zaczyna zbyt szybko przejmować na siebie napięcie blokowane i ponownie się zatrzaskuje.

Wychodzenia z zatrzasku

Przejście ze stanu przewodzenia do blokowania nie jest już takie proste. Zanik czynnika powodującego zatrzask nie prowadzi do wyjścia z zatrzasku (stąd taka nazwa zjawiska). Nie jest więc możliwe sterowanie identyczne jak dla tranzystorów. Wyłączenie elementu wymaga specjalnych często uciążliwych środków.

wyłączenie zasilania

sposobem najprostszym stosowanym w tradycyjnych tyrystorach jest zmniejszenie napięcia na przewodzącym elemencie. Prąd spada aż do granicznej wartości IH. Po jej przekroczeniu następuje przełączenie do stanu blokowania. Sam proces jej stosunkowo złożony. Z obszaru tyrystora należy usunąć wszystkie nadmiarowe nośniki i odsłonić profil domieszkowania. Usuwanie ładunku powoduje przepływ często dużego prądu wstecznego. Proces wyłączania trwa dłużej niż sam zanik prądu i napięcia na elemencie. Zbyt szybkie ponowne przyłożenie napięcia grozi, że element ponownie znajdzie się w przewodzeniu.

ujemny prąd bramki

Duży prąd ujemny płynący w obwodzie bramki wysysa z obszaru bazy tranzystora NPN dziury i doprowadza do wstecznej polaryzacji złącza. Jest to cecha wszystkich tyrystorów jednak wymagana wartość wyłączającego prądu bramki jest na ogół porównywalna (30%) z prądem obwodu głównego. Dla typowego tyrystora nie jest możliwe uzyskanie takiej wartości w obwodzie bramki bez jednoczesnego zniszczenia elementu. Jedynie specjalnie wykonane struktury (GTO) są w stanie wytrzymać prąd wyłączający.

zwarcie emitera z bazą

Gdy jeden z tranzystorów zostaje odcięty na skutek zmian polaryzacji jednego ze złącz – tyrystor przechodzi ze stanu przewodzenie do blokowania. Sposób wymaga stosowania sterowanych kluczy w obwodzie bramki i stał się podstawą powstania tranzystora MCT.

Tyrystor

N+ P N P P+ G A K Rys 5: Tyrystor N+

model bezinercyjny

Najprostszym podejściem do modelowania zjawiska zatrzasku jest wykorzystanie kluczy sterowanych.

Model powinien uwzględniać kilka typowych dla tyrystora zjawisk :

blokowanie napięć gdy brak impulsów wyzwalających na bramce

przejście w stan przewodzenia gdy pojawi się impuls wyzwalający

utrzymanie się w stanie zatrzaśnięcia mimo zaniku impulsu wyzwalającego, aż do zaniku napięcia zasilania

wpływ napięcia zasilania na minimalną wartość amplitudy impulsu wyzwalającego

Gdy klucze są zamknięte, a dioda spolaryzowana w kierunku zaporowym (przez napięcie zewnętrzne i napięcia na źródłach V1 i Vs1) cały prąd płynie przez bardzo dużą rezystancję Rblok, a tyrystor pracuje w stanie blokowania. Gdy dioda przechodzi w stan przewodzenia ( napięcie wejściowe jest odpowiednio duże (VAK> V1+0,7V)) przez źródło sterujące kluczem prądowym przepływa prąd. Jeżeli przekroczy on graniczną wartość to klucz 1 załączy się i przez tyrystor popłynie prąd zależny jedynie od rezystancji obwodu zewnętrznego. Prąd ten będzie przepływał przez źródło sterujące kluczami,tak więc tyrystor pozostanie w stanie przewodzenia dopóki napięcie zewnętrzne nie spadnie prawie do zera. Drugą metodą wyzwolenia tyrystora jest odpowiedni prąd bramki. Steruje on źródłem Vs1 zmniejszającym niezbędne napięcie wejściowe do załączenia tyrystora.

model dwu-tranzystorowy

Większość używanych w SPICE modeli ma charakter ładunkowy. Istotą modelu ładunkowego jest powiązanie gromadzonego ładunku na danym obszarze z prądem przepływającym przez dany obszar. Rozkład przestrzenny ładunku jest nieistotny. Modele diod, tranzystorów uni- i bipolarnych są tworzone w oparciu o tą zasadę.

Tyrystor nie posiada własnego modelu w SPICE i wymaga zbudowania go z elementów prostszych. Jeśli model ma być oparty na zależnościach ładunkowych nie można wykorzystać w tym celu kluczy. Rozwiązaniem jest tu model dwu-tranzystorowy oddający zasadę działania przyrządu i umożliwiający opracowanie jego dynamiki. Problemem jest identyfikacja parametrów obu tranzystorów bipolarnych:

Triak (tyrystor dwukierunkowy)

W najprostszym podejściu triak można rozpatrywać jako antyrównoległe połączenie dwóch tyrystorów. Przyrząd może przewodzić prąd w obu kierunkach i jest wyzwalany zarówno ujemnym jak i dodatnim impulsem bramki. W praktyce elementy te nie wykazują już takiej symetrii. Triaki z bramką boczną (rys 8) największa czułość wykazują dla sposobów I+ i III- a najgorszą dla III+ (rys 9). Dzieje się tak ze względu na słabe działanie inicjujące bramki oddalonej typu p. Lepszą symetrię posiadają triaki z bramką centralną.

N N N N N P P Rys 8: Topologia triaka z bramką boczną bramka anoda I anoda III

Rys 9: Sposoby sterowania triakiem N N N N N P P I+ + + – + – N N N N N P P I- + + – – – N N N N N P P III- + – + – – N N N N N P P III+ + – + + –

Zatrzask tranzystora IGBT

Zjawisko zatrzasku jest wykorzystywane w elementach takich jak diaki, triaki, tyrystory i wielu innych przyrządach. Zjawisko to nie zawsze jest korzystne. W przyrządach w pełni sterowalnych (tranzystorach) zatrzaśnięcie uniemożliwia kontrolę nad działaniem elementu. Ponowne wyłączenie jest możliwe dopiero po wyłączeniu całego zasilania. Klasycznym przykładem jest tu tranzystor IGBT. Jak to wynika ze schematu na (rys 10) w jego strukturze wbudowany jest pasożytniczy tyrystor.

Zatrzaskiwaniu tego tyrystora częściowo zapobiega mała wartość rezystora RS. By tyrystor mógł się zatrzasnąć oba tranzystory powinny przejść w stan nasycenia. Jak to wynika z zasady działania przyrządu gdy tranzystor IGBT jest w stanie przewodzenia tranzystor PNP pracuje w nasyceniu. Nasycenie tranzystora NPN jest możliwe jeśli napięcie na rezystorze RS przekroczy wartość około 0,7 V. By otrzymać element zdolny pracować przy dużych prądach należy technologicznie zmniejszyć wartość rezystancji RS. Z tej przyczyny wewnątrz struktury umieszcza się silnie domieszkowany obszar p+ bocznikujący złącze emiterowe pasożytniczego tranzystora NPN. Przez rezystor RS przepływa bipolarna składowa prądu tranzystora IGBT. Oznacza to, że można obliczyć maksymalny prąd struktury, który nie powoduje jeszcze zatrzasku (2). Niekorzystną cechą prądu zatrzaskowego jest jego zmniejszanie przy pracy dynamicznej lub przy wzroście temperatury przyrządu.

(2)

Tyrystor MCT i GTO

(3) Korzystne cechy tyrystorów (najmniejsze spośród wszystkich przyrządów straty przy przewodzeniu) sprawiają, że próbowano zrekompensować ich największą wadę czyli zbyt trudne wyłączanie. Konstrukcją która znalazła zastosowanie w elektronice jest tyrystor GTO czyli wyłączalny prądem bramki. Specjalna konstrukcja elektrod umożliwia mu wytrzymanie ujemnego, zwiększonego prądu bramki. Główny wysiłek konstruktorów poszedł na uzyskanie jak największego wzmocnienia prądowego przy wyłączaniu (3):

N N N N+ N+ N+ N P P P P P A G K a) N N N b) N+ N P P A G K Rys 11: GTO: a) ze zwarciem anodowym, b) z dodatkową warstwą

Zgodnie ze wzorem (3) w celu poprawy parametrów GTO należy zwiększać αnpn i zmniejszać

αpnp. W tym celu wykonuje się konstrukcje zwarć anodowych lub dodaje w złączu anodowym silnie domieszkowaną N+ warstwę buforową (podobnie jak w asymetrycznym tranzystorze IGBT). Uniemożliwia to w oczywisty sposób blokowanie napięcia w kierunku wstecznym. Tyrystory GTO są wykorzystywane zwłaszcza w układach bardzo wielkich mocy gdzie przewyższają wszystkie inne przyrządy pod względem wytrzymałości prądowej. Ich największą wadą są duże trudności w sterowaniu.

Inną próbą tworzenia wyłączalnego tyrystora był MCT. W tranzystorach MCT został w pełni wykorzystany wpływ rezystora bocznikującego złącze emiterowe tranzystora NPN. Zamiast stałej rezystancji umieszcza się tam tranzystor MOS którego rezystancją można sterować przy pomocy potencjału bramki. Załączenie tranzystora powoduje zwarcie emitera tranzystora NPN i przejście tego elementu w stan odcięcia. Tyrystor MCT zostaje w ten sposób wyłączony. Na ogół w strukturze umieszcza się drugi tranzystor MOS umożliwiający załączanie i wyprowadza na zewnątrz wspólną dla obu MOS-ów elektrodę sterującą (rys 12).

Zadania do wykonania

wykonać i przetestować w SPICE model bezinercyjny tyrystora o parametrach podanych przez prowadzącego.

wykonać i przetestować model triaka (nie załączającego w ćwiartce III+) o parametrach podanych przez prowadzącego

wykonać i przetestować model dwutranzystorowy tyrystora

wykonać i przetestować model z zatrzaskiem tranzystora IGBT

wykonać i przetestować model tyrystora MCT

Co w sprawozdaniu

odpowiednia netlista

właściwie wykonana charakterystyka statyczna (prąd w funkcji napięcia)

obliczone wartości napięcia zatrzaskowego i minimalnego prądu w przewodzeniu iL

odpowiednia netlista

właściwie wykonana charakterystyka statyczna

obliczone przy wybranej wartości napięcia na triaku załączające prądy bramki w każdej ćwiartce

odpowiednia netlista

właściwie wykonana charakterystyka statyczna

wykres pokazujący załączanie napięciem (podać wartość napięcia)

wykres pokazujący załączanie stromością napięcia

wykres pokazujący wyłączanie prądem bramki

wnioski

odpowiednia netlista

tabela pokazująca wpływ temperatury, wzmocnienia prądowego tranzystorów bipolarnych i rezystancji Rs na prąd zatrzaskowy

wnioski

odpowiednia netlista

wykresy pokazujące pracę elementu jako klucza

Pytania

na czym polega zjawisko zatrzasku?

jaki jest warunek na stan blokowania i przewodzenia?

w jaki sposób załączyć tyrystor

w jaki sposób wyjść z zatrzasku

jak wyglądają modele tyrystora: bezinercyjny i dwu-tranzystorowy?

jakie są odmiany tyrystora?

co jest przyczyną zatrzasku w tranzystorze IGBT?

warunek na zatrzaśniecie tranzystora IGBT?

od czego zależy prąd zatrzaskowy tranzystora IGBT?

jak zbudowany jest tyrystor GTO i MCT. Jaka jest podstawa ich działania?

Tranzystor PNP, jeśli struktura ma blokować napięcie również powinien znajdować się wtedy w odcięciu. Zdarza się jednak, że tyrystor jest elementem pasożytniczym struktury (np. IGBT) i tranzystor PNP pracuje w stanie aktywnym bądź nasycenia. Wtedy tyrystor oczywiście nie blokuje napięcia jednak przy odciętym tranzystorze NPN nie jest w stanie zatrzasku.

Kaminski

2003-07-12T11:46:00