2.

Poluprovodničke komponente u
energetskoj elektronici
2.1 Uvod – poluprovodnici

• Koncentracija atoma u poluprovodniku: ∼ 1023 cm-3

• Koncentracija slobodnih nosilaca naelektrisanja:

1) metal: ∼ 1023 cm-3
2) izolator: ∼ 103 cm-3
3) poluprovodnik: od 108 do 1019 cm-3
2.1 Uvod – poluprovodnici

• U kristalu poluprovodnika (npr. Silicijum – 4-valentni element)

formiraju se kovalentne veze.

• Na temperaturama iznad apsolutne nule neke veze se

raskidaju (usljed termičkih oscilacija atoma).

• Dolazi do termičke jonizacije (oslobađaju se elektroni, a ostaju

jonizovani atomi silicijuma - lako pokretljive šupljine ).
2.1 Uvod – poluprovodnici

Raskinuta
veza
+

Oslobođeni
+ elektron
Jonizovani
atom

Kovalentna Neutralni atom

veza silicijuma

• Na sobnoj temperaturi, koncentracija slobodnih elektrona i

šupljina u kristalu silicijuma iznosi:

ni ≈1010 cm-3
2.1 Uvod – poluprovodnici
Dopirani poluprovodnici:
2.1 Uvod – poluprovodnici
Dopirani poluprovodnici:
2.2. Snažne (energetske) diode
2.2. Snažne diode
2.2. Snažne diode
Približna (aproksimativna) karakteristika diode:

Vp - napon praga (≈ 1V)

RD – otpornost diode
2.2. Snažne diode
2.2. Snažne diode
2.2. Snažne diode
•Da bi se povećao probojni napon ubacuje se slabo dopirani n-
epitaksijalni sloj.
•Takve diode se nazivaju i PiN diode (i – engl. Intrinsic)

p + Na=1019 cm-3 ~10µm

Oblast
prostornog
naelektrisanja

Veća dužina - veći

n- probojni naon
Nd=1014 cm-3

n+ Nd=1019 cm-3 ~250 µm

K
2.2. Snažne diode

• Kada je VAK>0 granica oblasti prostornog naelektrisanja

pomjera se prema p+n- spoju.
• Kada je VAK<0 granica se pomjera prema n+n- spoju. Pri
određenom naponu dolazi do granice tog spoja i ne
može se više širiti. Sa daljim povećanjem napona, raste
jačina el. polja i dolazi do proboja.
• Takve diode nazivaju se i PT (engl. punch-through)
diode.
• Postoje i NPT (engl. non punch-through) diode, kod kojih
granica ne dolazi do n-n+ spoja)
2.2. Snažne diode
U cilju povećanja probojnog napona dodaju se dodatni p slojevi (zaštitni prstenovi):

Al. kontakt
SiO2
A

p p
p+ Zaštitni prsten

Granica
n- osiromašene oblasti

n+

K Aluminijumski
kontakt
2.2. Snažne diode
(Napomena: Tehnološki postupci slični navedenim primjenjuju se i pri
izradi ostalih snažnih poluprovodničkih komponenti.)

Dinamičke karakteristike diode:

• Dinamičke karakteristike odnose se na karakteristike u prelaznim
režimima kada, pri skokovitoj pobudi, diodu dovodimo iz
neprovodnog u provodno stanje (uključenje) i obrnuto (isključenje).

• Prilikom uključenja (uključivanja) dioda se najčešće može smatrati

idealnom.

• Međutim, prilikom isključenja (isključivanja) kratkotrajno se javlja

inverzna struja koja može dostići značajne vrijednosti.
2.2. Snažne diode

Struja i napon u toku isključivanja diode:

Qrr≈ Irrm trr / 2

di/dt
IF
trr – vrijeme oporavka diode
trr Vrijeme(t) (eng. reverse recovery time)
0
Ir
Irrm IF i VF – direktna (engl.
forward) struja i direktni
t1 t2 t3 napon
V
Vrijeme(t) IR i VR – inverzna sturja i
0
VF inverzni napon
Vrrm
Vrr VR
2.2. Snažne diode
Prema karakteristikama (oblasti primjene) razlikujemo sljedeće tipove dioda:

1.Šotkijeve diode ( Najčešće metal umjesto p sloja. Na spoju metal-

poluprovodnik n-tipa formira se barijera) – Pad napona je manji nego kod
obične diode – tipično 0,3V, ali je maksimalni napon ograničen ( do 150V), a
struja curenja je veća.

2.Brze diode (engl. fast-recovery diodes) – mogu raditi na visokim

prekidačkim učestanostima (imaju malo vrijeme oporavka trr reda nekoliko
mikrosekundi). Podnose struje i napone do nekoliko stotina apmera odnosno
volti.

3.Mrežne diode (engl. line-frequency diodes) – Izrađuju se da imaju što

manji direktni pad napona (posljedica je veće trr). Podnose napone i struje
reda KV i KA, a mogu se vezati na red ili u paralelu.

U novije vrijeme izrađuju se i diode na bazi galijum-arsenida (GaAs), galijum-

nitrida (GaN) i silicijum-karbida (SiC).
 2.3. Snažni bipolarni tranzistori

Bipolarni tranzistor (BJT – Bipolar Junction Transistor)

(a) Oznaka (b) i-v karakteristike (c) idealizovane karakteristike

• Koristio se intenzivno u prošlosti

• Sada se koristi samo u specifičnim slučajevima
• Zamijenjen MOSFET-om i IGBT-om
2.3. Snažni bipolarni tranzistori
•Snažni BJT ima malo strujno pojačanje
•Zato se koriste Darlington konfiguracije
•Nedostatak ovih konfiguracija: veća kolektorska struja curenja, veći pad
napona kolektor-emitor i nešto manja brzina uključenja i isključenja

(a) DVOSTRUKI DARLINGTON TRANZISTOR

(b) TROSTRUKI DARLINGTON
 2.3. Snažni bipolarni tranzistori
I-V karakteristike snažnog BJT-a
Kvazi zasićenje • BVCEOsus- makismalni napon CE pri
Zasićenje -1 / R
određenoj (znatnoj) struji IC
d Sekundarni proboj
• BVCEO – probojni napon kada je IB=0

I > I B4>....
• BVCBO – probojni napon C-B kada je E
i C
B5
otvoren
I
B5
• BVCBO > BVCEO – moguće proširiti opseg
blokirnog napona dovođenjem negativne
I
B4 struje IB.

Aktivna oblast
• Kvazi saturacija jedinstvena za snažni
Primarni
I B3 proboj BJT (radom u ovoj oblasti smanjuje se
vrijeme nagomilavanja nosilaca –
I
povećava se brzina)
B2
• Sekundarni proboj se mora izbjeći
I
(dolazi do oštećenja BJT-a)
B1
I <0
B
I =0
B

BV
CEO v
BV BV
CEO(sus) CBO
2.3. Snažni bipolarni tranzistori

Sekundarni proboj + J
J
A
V B

J > J
A B

• Ako tranzistor duže vremena radi u tom režimu dolazi do njegovog trajnog
uništenja
•Nastaje pri velikom naponu VCE – najčešće prilikom uključenja i isključenja
• Posljedica je neravnomjerne gustine struje u inverzno polarisanom spoju, zbog
čega se javljaju vruće tačke
•Usljed negativnog temperaturnog koeficijenta, razlike postaju veće tj. dolazi do
termičkog bježanja (thermal runaway). Napon VCE se smanjuje, a struja raste.
•Dolazi do pregrijevanja i uništenja
 2.3. Snažni bipolarni tranzistori
Oblast sigurnog (pouzndanog )rada BJT-a

Oblast sigurnog rada pri direktnoj polarizaciji baza -

emitor (FBSOA -Forward bias safe operating area) Oblast sigurnog rada pri inverznoj
polarizaciji baza-emitor (RBSOA-
log( i C )
Reverse bias safe operating area)
On – Off trajektorija
I
CM i
C
I
-5 CM
10 sec

RBSOA
T j,max
-4
10 sec

V <0
BE,off
Sekund. -3 V =0
2nd
proboj
10 sec BE,off
breakdown

dc BV v
BVCEO CBO CE

BV log ( v )
CEO CE
2.3. Snažni bipolarni tranzistori
OSOBINE:

•DARLINGTON TRANZISTOR

-VELIKO STRUJNO POJAČANJE, VELIKA STRUJA CURENJA,

VEĆI PAD NAPONA (U ODNOSU NA BJT)

•POTREBNA NEGATIVNA POLARIZACIJA SPOJA BAZA-EMITOR

•ASIMETRIČNO BLOKIRANJE NAPONA

•PRISUTAN EFEKAT SEKUNDARNOG PROBOJA

- POTREBNO KORISTITI SNUBBER-E

•PREIDAČKA UČESTANOST – NEKOLIKO kHz

•U POSLJEDNJE VRIJEME SE RIJETKO KORISTE

•TIPIČNA PRIMJENA U:
ČOPERIMA ZA UPRAVLJANJE DC MOTOROM
INVERTORIMA ZA NAPAJANJE (UPRAVLJANJE) AC MOTORA
REGULISANIM DC I AC IZVORIMA NAPAJANJA
UPS SISTEMIMA, itd.
 2.4. Snažni MOSFET
Oznaka (N-kanalni MOSFET) i strujno naponske karakteristike

i
D [v - V = v ]
GS GS(th) DS
Omska oblast
V GS5

Aktivna oblast
V GS4

V GS3

V
GS2

V GS1

v
V < V DS
GS GS(th) BV
DSS
 2.4. Snažni MOSFET
OBLAST SIGURNOG RADA MOSFET-
MOSFET-A (SOA)
log ( i )
D

I
•Nema razlike između FBSOA
DM
i RBSOA.
-5
10 sec
• FB – forward bias
VGS ≥ 0
10 -4 sec
Tj,max • RB - reverse bias
10
-3
sec VGS ≤ 0

• Nema sekundarnog proboja

DC
• Ograničenje: maksimalna
snaga (srednja) gubitaka tj.
BV
DSS temperatura spoja (Tj,max)
log ( v )
DS
2.4. Snažni MOSFET

KATALOŠKI DIJAGRAMI
MOSFETA [Harris IRF140]:
(a) MOSFET sa ugradjenom
diodom,
(b) V-I karakteristike
(c) Oblast sigurnog rada (SOA)

• IRF140 trpi konstantnu struju do

28A, a u impulsnom režimu ID
može imati vršnu vrijednost i do
110A.
 2.4. Snažni MOSFET
OSOBINE SNAŽNOG MOSFET-A
• NAPONOM KONTROLISANI ELEMENT
• ASIMETRIČNO BLOKIRANJE NAPONA
• VISOKI GUBICI U PROVODNOM STANJU - naročito kada se radi o većim naponima (U
novije vrijeme razvijene su tehnološki drugačije verzije MOSFET-a koje imaju i do 20%
manju odtpornost RDS(on). Jedna od najnovijih je COOLMOS razvijen od strane Infineon
Technology)
• MALI GUBICI PRILIKOM UKLJUČENJA I ISKLJUČENJA - VISOKO FREKVENTNA
KOMPONENTA ( može se koristi na preko 100KHz, čak i do nekoliko MHz)
• UNUTRAŠNJA DIODA SPORA (veliko vrijeme oporavka) – često potrebno dodavati
eksterne brze (fast recovery) diode
• SOA OGRANIČENA TERMIČKIM GUBICIMA – nema sekundarnog proboja
• LAKO SE MOGU VEZATI U PARALELU – posljedica pozitivnog temperaturnog koeficijenta
(za razliku od BJT-a struja je posljedica kretanja većinskih nosilaca naelektrisanja)
• PRIMJENA : IMPULSNI IZVORI NAPAJANJA, PORTABL UREĐAJI, UREĐAJI ENERGETSKE
ELEKTRONIKE U AUTOMOBILIMA, itd
 2.5. IGBT tranzistor

• Oznake IGBT-a

Strujno-
Strujno-naponske karakteristike IGBT-
IGBT-a

Drejn

Gejt
Sors
2.5. IGBT tranzistor

Aproksimativno ekvivalentno kolo IGBT-a:

C
otpornost
oblasti drifta
V
V J1
drift

G VCE(on) = VJ1 + Vdrift + IC Rchannel

I R
C channel

E
2.5. IGBT tranzistor
OSOBINE IGBT-A

• HIBRIDNA KOMPONENTA – MOS-GATED BJT

• NESIMETRIČNO BLOKIRANJE NAPONA (pojedini IGBT obezbjeđuju simetrično
blokiranje)
• KVADRATNA SOA – RAD MOGUĆ SA I BEZ SNUBBER KOLA (SOA je ograničena
termičkim gubicima slično kao kod MOSFET-a – nema efekta sekundarnog proboja. Rad
bez snubber-a prouzrokuje veliko dv/dt i di/dt što stvara EMI probleme. Snubber-i osim
što redukuju ove probleme, doprinose manjim prekidačkim gubicima)
• MOGUĆA INTEGRACIJA VIŠE FUNKCIJA -“SMART POWER SWITCH” (Pošto je struja
gejta mala moguće je na komponenti integrisati pobudno kolo. Pored toga mogu se
integrisati i druge funkcije: prekostrujna i prekotemp. zaštita, uprav.logika)
• IZRAĐUJU SE I IGBT MODULI: INTELLIGENT POWER MODULES (IPM) – (IGBT se
proizvodi kao diskretna komponenta ili u obliku IPM-a. U IPM-u se ugrađuje više
komponenti sa pobudnim kolom i zaštitom. Na taj način smanjuju se dimenzije i cijena, a
povećava pouzdanost).
• PRIMJENA (DO NEKOLIKO MW): ČOPERI ZA UPRAVLJANJE DC MOTOROM, INVERTORI
ZA NAPAJANJE AC MOTORA, REGULISANI DC I AC IZVORI NAPAJANJA, SISTEMI
BESPREKIDNOG NAPAJANJA (UPS), KOMPENZATORI REAKT. ENERG., AKTIVNI FILTRI, itd.
 2.6. SCR tiristor

Uslovi da bi se tiristor uključio:

1. UAK > ∆U

2. UGK > UGKmin (IGK > IGKmin)

• Kada se tiristor uključi nastaviće da provodi i nakon uklanjanja pobudnog

napona UGK (odnosno pobudne struje gejta IGK).

• Tiristor će se isključiti kada kroz njega prestane da protiče struja (tačnije

kada se struja IT spusti ispod određena vrijednosti IH – struja držanja).
 2.6. SCR tiristor

Ekvivalentno tranzistorsko kolo SCR tiristora:

• Dva komplementarno spojena tranzistora (p-n-p i n-p-n) obrazuju regenerativni sistem

povratne sprege (tzv. back-to-back sprega).
• Ako je Uak>0, dovođenjem struje gejta (ig>0) dolazi do porasta struje baze tranzistora T2, pa
se povećava i kolektorska struja IC2 .
• Povećava se struja baze tranzistora T1 (IB1=IC2 ), usljed čega raste i struja IC1- što opet dovodi
do novog povećanja struje IB2, itd.
• Ovdje dakle postoji jedan kumulativni - lavinski proces povećanja struja, a samim tim i struja
Ia, odn. Ik.
• Tranzistori provode sve veću struju dok ne uđu u zasićenje
• Da bi se tiristor uključio dovoljan je kratak impuls struje gejta koji inicira lavinski proces.
2.6. SCR tiristor
Proces deblokiranja tiristora

• Upravljačka struja Ig (IGK) je direktna za spoj Jk

• Ona inicira proboj inverzno polarisanog spoja Jc,

tj. proboj potencijalne barijere u jednoj tački
(vruća tačka - hot spot)

• Kao posljedica javlja se direktna struja ventila IF

• Sa porastom struje IF, rušenje potencijalne

barijere se nastavlja i nastaje proces
lavinskog nestajanja ove barijere

• Na kraju se struja IF rasporedi po cijeloj

površini spoja Jc
2.6. SCR tiristor

Načini puštanja tiristira u rad (uključivanja)

1. Najčešće korišćeni (željeni) način puštanja u rad tiristora (tzv. kontrolisani):

UAK> ∆U i primjenom pozitivne struje gejta ig. Ostali načini su najčešće
neželjeni.

2. Dovodjenjem velikog direktnog napona UAK, pri čemu je struja gejta

jednaka nuli. (Tiristori koji se ovako uključuju nazivaju se dinistori.)

3. Dovođenjem napona UAK> ∆U i postavljanjem tiristora u ambijent sa

visokom temperaturom.

4. Brzom promjenom (porastom) napona Ud=UAK

5. Energijom zračenja (svjetlosna energija) usmjerenom na gejt – foto-

tiristori. (Energija zračenja usmjerena na gejt oslobađa veći broj parova
elektron-šupljina. Ako rezultantna struja gejta pređe kritični nivo doći će do
pojave provođenja)
2.6. SCR tiristor

Karakteristike SCR tiristora

Karakteristike tiristora dijelimo na:

1. STATIČKE KARAKTERISTIKE (U-I karakteristike)

2. DINAMIČKE KARAKTERISTIKE

3. UPRAVLJAČKE KARAKTERISTIKE

4. TERMIČKE KARAKTERISTIKE
2.6. SCR tiristor
Statičke karakteristike tiristora
• Kada je tiristor inverzno polarisan (UAK<0) –
velika otpornost (U-I karakteristika slična kao
kod diode)

• Kada je tiristor direktno polarisan (UAK>0) –

velika otpornost (OFF) ili mala otpornost (ON)

• Kada je tiristor u provodnom stanju direktna

struja je ograničena impedansom spoljašnjeg
kola.

IL - struja hvatanja (prihvatanja) (latching current) - predstavlja najmanju vrijednost struje

tiristora koja je potrebna da se održi provođenje, neposredno poslije prelaska iz stanja
blokiranja u stanje provođenja, a poslije otklanjanja pobudnog signala

IH - struja držanja (održavanja) (holding current) - minimalna struja pri kojoj tiristor još uvijek
provodi ( IL:IH ≈2:1)