Teljesítményelektronikai félvezetők

A teljesítményfélvezetők nagy áramok (akár több 100A), nagy feszültségek (akár kV) fogyasztókra juttatására alkalmasak vezérelhető módon. Kapcsolóüzemben használatosak, azaz vagy nagyon jól vezetnek, vagy nagyon jól szigetelnek az áramkörben, ellenkező esetben túl nagy teljesítményfelvételnek és egyben hőmérsékletnövekedésnek lennének kitéve. A teljesítményszabályozás is kapcsolóüzemben történik, aminél fontos kérdés a gyors be- és kikapcsolás biztosítása. A teljesítményfélvezetőket ezeknek a céloknak megfelelően optimalizálták.

Tirisztor

A tirisztor (thyristor), más néven félvezető vezérelt egyenirányító (silicon controlled rectifier, SCR) egy kétállapotú félvezető, ami alkalmas nagy áramok és feszültségek kapcsolására, egyenirányítására.

Az áramköri modellje és rajzjele a következő:

Az anódra (Q1 emitterére) a katódhoz (Q2 emittere) képest pozitív feszültséget kötve jöhet létre vezetés. Ha kezdetben nem folyik áram a tranzisztorok bázisába, akkor nem jön létre vezetés és ez az állapot fent is marad, nem függ az anód és katód közé között feszültségtől. Ha a gate (G) vezérlő bemenetbe áramot juttatunk, akkor Q2 kollektorárama is megindul, így Q1 is vezetni kezd, a tirisztor vezetési állapotba billen ("begyújt"). Ez az állapot akkor is megmarad, ha megszüntetjük a vezérlő jelet. A tirisztor akkor billen vissza záró állapotba, ha a rajta átfolyó áram egy bizonyos szint alá esik. Jegyezzük meg azt is, hogy a tirisztor bekapcsolhat annak hatására is, ha az anód-katód feszültség meghalad egy küszöbértéket.

A tirisztor így alkalmas DC tápfeszültségre kötött fogyasztó elektronikusan vezérelt bekapcsolására. Kikapcsolás lehetséges például a tirisztorral párhuzamosan kötött kapcsolóval.

Váltóáramú tápforrás esetén a vezérlőjelet szinkronizáljuk a tápfeszültség periódusához, a kikapcsolás a váltófeszültség nullmetszeteinél történik meg. Ezt illusztrálja az alábbi kapcsolás és a hozzá tartozó szimuláció:

Láthatjuk, hogy a tirisztor így alkalmas a fogyasztóra jutó teljesítmény hangolására, amit gyakran használnak többek között világítás erősségének vagy motorok forgási sebességének szabályozására.

Triak

A triak (triac, triode for alternating current) modellezhető két fordítottan párhuzamosan kapcsolt tirisztorral.

Ennek megfelelően a tirisztornál alkalmasabb váltóáram kapcsolására, mivel mindkét áramirány lehetséges. Az alábbi ábra és szimuláció szemlélteti a működést fényerő hangolása esetére ("dimmelés"):

Diak

A diak (diac, diode for alternating current) a triakhoz hasonlóan működik, de nem vezérlőbementi jel hatására billen át szigetelőből vezető állapotba, hanem egy küszöbfeszültség elérésekor. Ha a diakon eső feszültség abszolútértéke meghaladja a küszöbfeszültséget, akkor a dinamikus ellenállás negatívvá válik, a feszültség csökken az áram növekedése mellett, így jó vezetővé válik áramiránytól függetlenül.

A diak egyik tipikus alkalmazását mutatja be az alábbi ábra:

Az R2 és C1 alkatrészek időbeli késleltetést oldanak meg, ami állítható, ha R2 reosztát. Ennek megfelelően a triak bekapcsolása a jel nullmetszetéhez képest időben állítható, ami a fogyasztóra jutó teljesítményt változtatja.

IGBT

Az IGBT (insulated gate bipolar transistor) a MOSFET és a bipoláris tranzisztor előnyeit ötvözi. Áramköri modellje és rajzjele az alábbi:

A nagy teljesítményű bipoláris tranzisztoroknak jelentős bázisáramigénye van, az áramerősítési tényezőjük kicsi. Ezt a hátrányt küszöböli ki a bemeneti MOSFET tranzisztor, ami feszültséggel vezérelve biztosítja a szükséges bázisáramot. A bipoláris tranzisztor alacsony szaturációs feszültsége nagy áramok mellett is kisebb teljesítményveszteséget jelent.

Teljesítménytranzisztorok meghajtása

A teljesítménytranzisztorok (BJT, MOSFET, IGBT) túlnyomó többségben kapcsolóüzemben használatosak, vagy jó vezetőként, vagy jó szigetelőként viselkednek. Mindkét eset a kis teljesítményveszteséghez illeszkedik. Ennek nem csak a jó hatásfok elérése az oka, hanem az is, hogy a tranzisztorok biztonságos határfeltételeken belül (SOA, safe operating area) működjenek.

Ezek közé tartozik a maximális kollektor- vagy draináram, maximális kollektor-emitter vagy drain-source feszültség, a maximális teljesítménydisszipáció.

Gyakran adják meg a biztonságos működési feltételeket logaritmikus léptékű grafikonon, ahol egyenes vonalak határolják a megengedett tartományt. Ezek az említett maximumokat reprezentálják.

A vízszintes vonal az áram-, a függőleges a feszültségkorláthoz tartozik. A ferde vonalak a teljesítménykorlátnak megfelelőek, ami értelemszerűen függ a áramtól és feszültségtől. A meredekebb szakasz a bipoláris tranzisztorok másodfajú letörésének (secondary breakdown) következménye, ami esetén nagy áramsűrűség okozta hőmérsékletmegfutás történik a tranzisztorban.

Az alsó görbe DC jelekre, azaz folyamatos működésre vonatkozik, felette a kapcsolt mód határvonalai látszanak. Az adatlapok több ilyet is tartalmazhatnak ms nagyságrendű bekapcsolási időkhöz társítva.

Meghajtóáramkörök

A kapumeghajtók (gate driver) feladata az, hogy a teljesítménytranzisztorok, elsősorban MOSFET-ek és IGBT-k bemeneti elektródáinak megfelelő vezérlőjeleket biztosítsanak. A nagy teljesítményű tranzisztorok MOSFET-ek és IGBT-k gate bemenete elvileg feszültségbemenet, a bemeneti áram rendkívül kicsi, ugyanakkor jelentős parazita kapacitással és induktivitással kell számolni. A gyors és megbízható kapcsolások ezért nagy áramimpulzusokat igényelnek, akár A nagyságrendben. Így hagyományos logikai kimenettel nem vezérelhetők megfelelően, meghajtóáramkörökre van szükség.

Az alábbi ábra egy teljesítmény MOSFET parazita elemeit mutatja:

A parazita kapacitások jelentős töltésmennyiséget halmozhatnak fel, egyrészt a gate-source feszültség hatására, másrészt a drain-gate feszültség hatására, ami akár több 100V is lehet. Gyors be- és kikapcsoláskor ezért nagy áramra van szükség.

Sokféle meghajtóáramkört gyártanak integrált áramköri formában. A kimeneti fokozat legelterjedtebb megoldása a komplementer emitterkövető:

Ez az elrendezés igen kis kimeneti ellenállást, gyors és szimmetrikus működést biztosít. Rg-vel állítható a be- és kikapcsolási idő, illetve segítségével megszüntethető a parazita L és C elemek okozta túllövés is.

Elrendezési példák

A fogyasztóra többféleképp kapcsolható a tápforrás, ennek megfelelő alapvető elrendezések láthatók az alábbiakban.

Alsó és felső oldali kapcsolók

Sok esetben elegendő egyetlen kapcsolót használni a fogyasztóval sorosan kötve. A kapcsolók lehetnek a negatív tápoldalon (low side switch) vagy a pozitív tápoldalon (high side switch). A tranzisztorok vezérlése is ettől függ, a meghajtóáramkört ezért a feladatnak megfelelően kell kiválasztani.

Félhíd

Ha pozitív és negatív tápfeszültség is rendelkezésre áll, akkor két tranzisztorral kapcsolható a fogyasztóra az egyik vagy másik tápfeszültség. Ezt az úgynevezett félhíd elrendezést elterjedten alkalmazzák szünetmentes tápegységekben, ahol a DC energiaforrásokat PWM jellel kapcsolják a kimeneti LC szűrőre, ezzel a hálózati szinuszos feszültséghez hasonló váltóáramú jelet biztosítva.

Teljeshíd

Egy tápfeszültségű rendszerekben két félhíd ellenütemű vezérlésével teljes híd építhető fel, így is lehet váltófeszültségű energiaforrást létrehozni.

Háromfázisú híd

Háromfázisú motorok meghajtása három félhíd segítségével megoldható az alábbi elrendezéssel:

A háromfázisú motorok döntő többségének meghajtása ezen az elven alapszik. A kapcsolók különböző fajta vezérlésével az alkalmazáshoz optimalizálható a motorok meghajtása.

BLDC motor meghajtása

Szénkefe nélküli DC motorok (brushless DC motor) egytápfeszültségű rendszerekben teljes híddal hajthatók meg.

A motor forgási iránya, nyomatéka és sebessége is hangolható PWM jellel vezérelt teljes híddal.

Szilárdtest relék

Teljesítményfélvezetők alkalmasak úgynevezett szilárdtest relék (solid state relay) készítésére. A szilárdtest relék az elektromechanikus relék alternatívái, DC vagy AC jelek kapcsolását végzik galvanikusan leválasztott bemeneti jellel vezérelve. Az általános felépítést mutatja az alábbi ábra:

A kimeneti kapcsoló lehet MOSFET, tirisztor, triak is. Az AC jelek kapcsolására optimalizált szilárdtest relék gyakran a jelek nullátmeneténél kapcsolnak, így minimális tranziens zavarjel jön létre. A bemeneti galvanikus leválasztást optocsatoló végzi, ami egyszerű vezérlési lehetőséget tesz lehetővé.