Zaloguj się
Wszystkie
6 marca 2023
814
Temat wykładu dotyczy elementów półprzewodnikowych przeznaczonych do pracy z dużymi mocami. Z reguły chodzi o pracę przełącznikową jako niesterowane lub sterowane klucze, czyli elementy o dwóch stanach pracy: przewodzenie, nieprzewodzenie. Określenie duże moce jest bardzo szerokie, oznacza prądy w stanie przewodzenia od kilku amperów do kiloamperów i napięcia w stanie blokowania od kilkuset woltów do kilowoltów. A moce w obwodach sterowanych tymi kluczami mogą się mieścić w przedziale od watów do setek megawatów. Celem tego wykładu jest uporządkowanie podstawowej wiedzy o rodzajach półprzewodnikowych elementów mocy, w kontekście określonych segmentów ich zastosowań w energoelektronice.
Współczesna elektronika kojarzy nam się przede wszystkim z układami scalonymi zawierającymi miliony, a nawet miliardy tranzystorów. Przyzwyczajeni też jesteśmy do myśli, że postęp w elektronice wyznacza prawo Moore’a, czyli coraz większa skala integracji, coraz mniejszych wymiarowo tranzystorów, pobierających coraz mniejsze moce i zasilanych coraz mniejszym napięciem. W tym kontekście może się wydawać, że temat tego wykładu dotyczy peryferyjnej dziedziny elektroniki, a może nawet już nie elektroniki, ale elektryki. Zgoda, jest to część elektroniki (nazywana energoelektroniką), która operuje dużymi mocami, prądami i napięciami, czyli wkracza na teren elektryki. Nie ma jednak zgody na twierdzenie, że jest to peryferyjna dziedzina elektroniki. Przeciwnie, w świetle wyzwań, jakie stoją przed światem walczącym o zeroemisyjną cywilizację, energoelektronika ma do odegrania kluczową role. Znaczenie elektroniki mocy, opartej na aplikacjach półprzewodnikowych elementów mocy, będzie z roku na rok coraz większe. Ponieważ ten cykl wykładów jest adresowany głównie do studentów i uczniów, przyszłych profesjonalnych elektroników, to temat tego wykładu nie jest dla nich peryferyjny, gdyż dotyczy strategicznie kluczowego sektora gospodarki, w którym wielu z nich znajdzie zatrudnienie.
Zachowamy tradycyjną strukturę wykładu, tj. podział na dwie części: historyczną i merytoryczną. Ze względu na dużą różnorodność elementów ograniczymy się tylko do ich krótkich prezentacji. Jest to wykład przeglądowy, prezentujący półprzewodniki mocy w ujęciu panoramicznym. Na opisy pasjonującego świata elektronów i dziur, na wyjaśnienie jak działają poszczególne elementy mocy, przyjdzie czas innym razem.
Pierwszymi elementami prostującymi prąd przemienny, stosowanymi w sieciach wysokonapięciowych prądu stałego, były lampy rtęciowe. Wynalezione w 1914 roku, dominowały w latach 1920–1940. Koniec ich zastosowań nastąpił dopiero w połowie lat siedemdziesiątych, gdy ostatecznie zostały wyparte przez elementy półprzewodnikowe, głównie tyrystory. Pierwszymi półprzewodnikowymi elementami prostowniczymi znacznej mocy były diody kuprytowe (z tlenku miedzi – 1927 r.) i selenowe (1933 r.). To jednak zamierzchła prehistoria, o diodach kuprytowych i selenowych już dawno nikt nie pamięta. Za punkt startu współczesnej historii elementów półprzewodnikowych mocy możemy uznać rok 1952, gdy pojawiły się na rynku diody germanowe blokujące napięcie do 200 V i przewodzące prądy do 35 A. Od tego momentu zaczynamy kreślić naszą historyczną oś czasu. Daty przypisane poszczególnym wdrożeniom na tym wykresie należy traktować jako przybliżone, gdyż w wielu przypadkach wprowadzenie na rynek nowego produktu to proces rozciągnięty w czasie i wybór konkretnej daty zależy od przyjętego kryterium. Już druga pozycja na osi czasu może być dyskusyjna.
Już w roku 1952 produkowano tranzystory germanowe o prądzie kolektora do 100 mA i taki tranzystor w niektórych zastosowaniach (na przykład we wzmacniaczu słuchawkowym) był nazywany tranzystorem mocy. W naszej opowieści nie o takie moce chodzi, więc przesuwamy datę na osi czasu do roku 1954, gdy pojawiły się tranzystory Ge o mocy 100 W.
Już wtedy wiadomo było, że lepsze pod względem osiąganych mocy będą tranzystory krzemowe, jak tylko zostanie opanowana technologia ich wytwarzania. Wynika to z modelu pasmowego półprzewodników, a dokładniej z szerokości pasma zabronionego Wg. Dla Ge Wg=0,7 eV i maksymalna dopuszczalna temperatura złącza p-n wynosi 85°C, natomiast dla Si Wg=1,12 eV, co przekłada się na znacznie wyższą temperaturę pracy złącza p-n, wynoszącą aż 155°C. Jak już jesteśmy przy tym temacie, to spójrzmy na tablicę 1. Zobaczymy, że są materiały o jeszcze szerszym paśmie zabronionym (tzw. półprzewodniki szerokopasmowe – GaN, SiC), które mogą pracować przy jeszcze wyższych temperaturach złącza p-n. Stąd z tymi materiałami od dziesiątków lat łączono duże nadzieje na postęp w elektronice mocy. W ostatnich latach te nadzieje zaczynają się spełniać. Ale zajmijmy się naszą osią czasu, a do tematu elementów z półprzewodników innych niż krzem jeszcze wrócimy.
Bipolarne tranzystory krzemowe pojawiły się na rynku w roku 1957 i już w latach pięćdziesiątych osiągały większe moce niż tranzystory germanowe. W rozwoju bipolarnych tranzystorów krzemowych mocy odnotujmy na osi czasu dwa wydarzenia: rok 1970 – tranzystor o parametrach 500 V/20 A (firma Delco Electronics) i rok 1975 – Toshiba Giant Transistor o parametrach 300 V/400 A. To prawdziwy gigant.
Wróćmy jeszcze do lat pięćdziesiątych. Pamiętamy zapewne z ostatniego wykładu, że W. Shockley od początku lat pięćdziesiątych intensywnie pracował nad strukturą czterowarstwową n-p-n-p. Wreszcie w roku 1957 firma General Electric wdrożyła do produkcji ten element pod nazwą SCR- Silicon Controlled Rectifier, znany powszechnie jako tyrystor, również w odmianach o nazwach diak, triak. Wadą tyrystora jest „zatrzaskiwanie się” (lutch-on), tj. po przejściu w stan przewodzenia nie może być wyłączony sygnałem podanym na bramkę, wyłącza się dopiero po wyłączeniu napięcia zasilania. W roku 1960 opracowano tyrystor przełączany sterowaniem bramki ze stanu przewodzenia do stanu blokowania. Ten rodzaj tyrystora nazwano GTO (Gate Turn-Off).
Dotychczas opisywaliśmy rozwój elementów mocy wywodzących się ze struktury tranzystora bipolarnego. W latach sześćdziesiątych pojawiła się druga ścieżka rozwoju elementów mocy, wywodząca się ze struktury tranzystora MOS. I to był przełom. Uprościło się sterowanie bramką, wzrosły częstotliwości pracy i otworzyły się możliwości zwiększania zakresu natężenia prądu przez łączenie równoległe elementów. Pierwsze MOSFETy mocy pojawiły się już w latach siedemdziesiątych. Zaznaczmy na osi czasu rok 1978 – International Rectifier wprowadza na rynek MOSFET mocy o parametrach 400 V/25 A.
Z czasem MOSFETy mocy zdominowały rynek. Obecnie są najczęściej stosowanymi elementami mocy. Wielką rolę odgrywa też struktura hybrydowa tranzystora bipolarnego ze sterowaniem bramką odizolowaną od półprzewodnika – IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), obecny na rynku od połowy lat osiemdziesiątych. Dalszy rozwój półprzewodników mocy przebiegał głównie w kierunku opracowywania modułów integrujących w jednej obudowie kilka elementów mocy i układ sterujący – smart modules (moduły inteligentne)oraz w kierunku zastąpienia Si przez półprzewodniki szerokopasmowe SiC, GaN. Pierwsze eksperymentalne tranzystory polowe z GaN zademonstrowano w 1993 r., a na rynku są dostępne od 2010 roku. W tym samym czasie obserwujemy początki elementów mocy z SiC. W roku 1993 opracowano laboratoryjnie diody Schottky z SiC, w 2008 roku pojawiły się na rynku JFET o napięciu 1200 V, a w 2011 były dostępne pierwsze MOSFETy z SiC o napięciu 1200 V.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
