शक्ति अर्धचालक उपकरण
एक शक्ति अर्धचालक उपकरण एक अर्धचालक उपकरण है जिसका उपयोग शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स में स्विच या रेक्टिफायर के रूप में किया जाता है (उदाहरण के लिए स्विच-प्रणाली विद्युत की आपूर्ति में)। इस तरह के उपकरण को शक्ति उपकरण भी कहा जाता है या जब एक एकीकृत परिपथ में उपयोग किया जाता है, तो एक शक्ति आईसी होती है।
एक शक्ति अर्धचालक उपकरण प्राय: विनिमय प्रणाली में उपयोग किया जाता है (यानी यह या तो चालू या बंद है) और इसलिए इस तरह के उपयोग के लिए एक डिज़ाइन अनुकूलित है। यह प्राय: रैखिक संचालन में उपयोग नहीं किया जाना चाहिए। रैखिक विद्युत परिपथ वोल्टेज नियामकों, ऑडियो एम्पलीफायरों और रेडियो फ्रीक्वेंसी एम्पलीफायरों के रूप में व्यापक हैं।
शक्ति अर्धचालक एक हेडफ़ोन एम्पलीफायर के लिए कुछ दसियों मिलीवाट जितना कम देने वाले सिस्टम में पाए जाते हैं, जो एक उच्च वोल्टेज प्रत्यक्ष धारा संचरण रेखा में एक गीगावाट तक होता है।
इतिहास
विद्युत परिपथों में उपयोग किया जाने वाला पहला इलेक्ट्रॉनिक उपकरण इलेक्ट्रोलाइटिक सुधारक था - एक प्रारंभिक संस्करण का वर्णन एक फ्रांसीसी प्रयोगकर्ता, ए. नोडोन ने 1904 में किया था। ये शुरुआती रेडियो प्रयोगकर्ताओं के साथ संक्षिप्त रूप से लोकप्रिय थे क्योंकि उन्हें एल्यूमीनियम शीट और घरेलू रसायनों से सुधारा जा सकता था। उनके पास कम वोल्टेज और सीमित दक्षता थी।[1]
पहले सॉलिड-स्टेट पॉवर अर्धचालक उपकरण कॉपर ऑक्साइड रेक्टिफायर थे, जिनका इस्तेमाल शुरुआती बैटरी चार्जर्स और रेडियो उपकरणों के लिए विद्युत की आपूर्ति में किया जाता था, जिसकी घोषणा 1927 में L.O. Grundahl और P. H. Geiger।[2]
पहला जर्मेनियम शक्ति अर्धचालक उपकरण 1952 में रॉबर्ट एन. हॉल|आर.एन. द्वारा शक्ति डायोड की शुरुआत के साथ दिखाई दिया। बड़ा कमरा। इसमें 200 वोल्ट की रिवर्स वोल्टेज अवरोधक क्षमता और 35 एम्पीयर की धारा रेटिंग थी।
1952 के आसपास पर्याप्त शक्ति संचालन क्षमताओं (100 mA कलेक्टर धारा ) के साथ जर्मेनियम द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर प्रस्तुत किए गए थे; अनिवार्य रूप से सिग्नल उपकरण के समान निर्माण के साथ, लेकिन बेहतर हीट सिंकिंग। शक्ति हैंडलिंग क्षमता तेजी से विकसित हुई, और 1954 तक जर्मेनियम मिश्र धातु जंक्शन ट्रांजिस्टर 100 वाट अपव्यय के साथ उपलब्ध थे। ये सभी अपेक्षाकृत कम आवृत्ति वाले उपकरण थे, जिनका उपयोग लगभग 100 kHz तक और 85 डिग्री सेल्सियस जंक्शन तापमान तक किया जाता था।[3] सिलिकॉन शक्ति ट्रांजिस्टर 1957 तक नहीं बनाए गए थे, लेकिन जब उपलब्ध थे तो जर्मेनियम उपकरणों की तुलना में बेहतर आवृत्ति प्रतिक्रिया थी, और 150 सी जंक्शन तापमान तक काम कर सकते थे।
thyristor 1957 में दिखाई दिया। यह बहुत उच्च रिवर्स ब्रेकडाउन वोल्टेज का सामना करने में सक्षम है और उच्च धारा को ले जाने में भी सक्षम है। हालाँकि, स्विचिंग परिपथ में थाइरिस्टर का एक नुकसान यह है कि एक बार यह कंडक्टिंग अवस्था में 'लैच्ड-ऑन' हो जाता है; इसे बाहरी नियंत्रण से बंद नहीं किया जा सकता है, क्योंकि थाइरिस्टर टर्न-ऑफ निष्क्रिय है, यानी, उपकरण से विद्युत काट दी जानी चाहिए। थायरिस्टर्स जिन्हें बंद किया जा सकता था, जिन्हें गेट टर्न-ऑफ थाइरिस्टर (जीटीओ) कहा जाता था, 1960 में प्रस्तुत किए गए थे।[4] ये साधारण थाइरिस्टर की कुछ सीमाओं को पार कर जाते हैं, क्योंकि इन्हें लागू सिग्नल के साथ चालू या बंद किया जा सकता है।
शक्ति MOSFET
1959 में बेल लैब्स में मोहम्मद ओटाला और डॉन काहंग द्वारा MOSFET (मेटल-ऑक्साइड- अर्धचालक फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर) के आविष्कार के साथ शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स में एक सफलता मिली। MOSFET ट्रांजिस्टर की पीढ़ी ने शक्ति डिजाइनरों को प्रदर्शन और घनत्व स्तर प्राप्त करने में सक्षम बनाया जो संभव नहीं था। द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर के साथ।[5] MOSFET प्रौद्योगिकी में सुधार के कारण (शुरुआत में एकीकृत परिपथ का उत्पादन करने के लिए उपयोग किया जाता था), 1970 के दशक में MOSFET शक्ति उपलब्ध हो गई।
1969 में, Hitachi ने पहला वर्टिकल पॉवर MOSFET प्रस्तुत किया,[6] जिसे बाद में VMOS (V-groove MOSFET) के नाम से जाना जाएगा।[7] 1974 से, Yamaha Corporation, JVC, Pioneer Corporation, Sony और Toshiba ने शक्ति MOSFETs के साथ ऑडियो एंप्लिफायर का निर्माण शुरू किया।[8] अंतर्राष्ट्रीय सुधारक ने 1978 में 25 ए, 400 वी शक्ति एमओएसएफईटी प्रस्तुत किया।[9] यह उपकरण द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर की तुलना में उच्च आवृत्तियों पर संचालन की अनुमति देता है, लेकिन कम वोल्टेज अनुप्रयोगों तक ही सीमित है।
विद्युत रोधित गेट द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर (IGBT) 1980 के दशक में विकसित किया गया था, और 1990 के दशक में व्यापक रूप से उपलब्ध हो गया। इस घटक में द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर की शक्ति से निपटने की क्षमता और विद्युत MOSFET के पृथक गेट ड्राइव के फायदे हैं।
सामान्य उपकरण
कुछ सामान्य विद्युत उपकरण हैं शक्ति MOSFET, शक्ति डायोड, थाइरिस्टर और IGBT। शक्ति डायोड और शक्ति एमओएसएफईटी अपने कम-शक्ति समकक्षों के समान सिद्धांतों पर काम करते हैं, लेकिन बड़ी मात्रा में धारा ले जाने में सक्षम होते हैं और प्राय: एक बड़े पूर्वाग्रह वोल्टेज का सामना करने में सक्षम होते हैं। ऑफ-स्टेट में रिवर्स-बायस वोल्टेज।
उच्च धारा घनत्व, उच्च शक्ति अपव्यय, और / या उच्च रिवर्स ब्रेकडाउन वोल्टेज को समायोजित करने के लिए संरचनात्मक परिवर्तन अक्सर एक विद्युत उपकरण में किए जाते हैं। असतत घटक (यानी, गैर-एकीकृत) विद्युत उपकरणों का विशाल बहुमत एक ऊर्ध्वाधर संरचना का उपयोग करके बनाया गया है, जबकि छोटे-सिग्नल उपकरण एक पार्श्व संरचना का उपयोग करते हैं। ऊर्ध्वाधर संरचना के साथ, उपकरण की धारा रेटिंग उसके क्षेत्र के लिए आनुपातिक है, और मरने की ऊंचाई में वोल्टेज अवरोधन क्षमता हासिल की जाती है। इस संरचना के साथ, उपकरण का एक कनेक्शन डाई (एकीकृत परिपथ ) के तल पर स्थित है।
शक्ति एमओएसएफईटी दुनिया में सबसे आम विद्युत उपकरण है, इसकी कम गेट ड्राइव शक्ति , तेज स्विचिंग गति और उन्नत समांतर क्षमता के कारण।[10] इसमें शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है, जैसे पोर्टेबल सूचना उपकरण, विद्युत एकीकृत परिपथ , सेल फोन, नोटबुक कंप्यूटर और इंटरनेट को सक्षम करने वाली संचार अवसंरचना।[11] 2010 तक, विद्युत MOSFET विद्युत ट्रांजिस्टर बाजार के बहुमत (53%) के लिए खाता है, उसके बाद IGBT (27%), फिर आरएफ एम्पलीफायर (11%), और फिर द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर (9%)।[12]
सॉलिड-स्टेट उपकरण
| उपकरण | विवरण | रेटिंग |
|---|---|---|
| डायोड | यूनी-पोलर, अनियंत्रित, स्विचिंग डिवाइस का उपयोग सुधार और सर्किट दिशात्मक धारा नियंत्रण जैसे अनुप्रयोगों में किया जाता है। रिवर्स वोल्टेज ब्लॉकिंग डिवाइस, प्राय:वोल्टेज स्रोत के साथ श्रृंखला में एक स्विच के रूप में तैयार किया जाता है, प्राय: 0.7 VDC। धारा प्रवाह के संबंध में डायोड में डायोड वोल्टेज ड्रॉप की सटीक भविष्यवाणी करने के लिए, जंक्शन प्रतिरोध को सम्मिलित करने के लिए मॉडल को बढ़ाया जा सकता है। | एक सिलिकॉन डिवाइस में 3000 एम्पीयर और 5000 वोल्ट तक। उच्च वोल्टेज के लिए कई श्रृंखला सिलिकॉन उपकरणों की आवश्यकता होती है। |
| सिलिकॉन नियंत्रित करनेवाला (SCR) | यह अर्ध-नियंत्रित उपकरण तब चालू होता है जब एक गेट पल्स स्थित होता है और कैथोड की तुलना में एनोड सकारात्मक होता है। जब गेट पल्स स्थित होता है, तो डिवाइस मानक डायोड की तरह काम करता है। जब कैथोड की तुलना में एनोड नकारात्मक होता है, तो डिवाइस बंद हो जाता है और स्थित सकारात्मक या नकारात्मक वोल्टेज को ब्लॉक कर देता है। गेट वोल्टेज डिवाइस को बंद करने की अनुमति नहीं देता है। | एक सिलिकॉन डिवाइस में 3000 एम्पीयर, 5000 वोल्ट तक। |
| thyristor | थाइरिस्टर तीन-टर्मिनल उपकरणों का एक परिवार है जिसमें एससीआर, जीटीओ और एमसीटी सम्मिलित हैं। अधिकांश उपकरणों के लिए, गेट पल्स डिवाइस को चालू करता है। डिवाइस की विशेषताओं द्वारा निर्धारित मान (कैथोड के सापेक्ष) से नीचे एनोड वोल्टेज गिरने पर डिवाइस बंद हो जाता है। बंद होने पर, इसे रिवर्स वोल्टेज ब्लॉकिंग डिवाइस माना जाता है। | |
| गेट टर्न-ऑफ थाइरिस्टर (जीटीओ) | गेट टर्न-ऑफ थाइरिस्टर, एक एससीआर के विपरीत, गेट पल्स के साथ चालू और बंद किया जा सकता है। डिवाइस के साथ एक समस्या यह है कि गेट वोल्टेज बंद करें प्राय:बड़े होते हैं और स्तरों को चालू करने की तुलना में अधिक धारा की आवश्यकता होती है। यह टर्न ऑफ वोल्टेज गेट से स्रोत तक एक नकारात्मक वोल्टेज है, प्राय:इसे केवल थोड़े समय के लिए उपस्थित होने की आवश्यकता होती है, लेकिन एनोड धारा के 1/3 के क्रम पर परिमाण। इस उपकरण के लिए प्रयोग करने योग्य स्विचिंग कर्व प्रदान करने के लिए एक स्नबर सर्किट की आवश्यकता होती है। स्नबर सर्किट के बिना, आगमनात्मक भार को बंद करने के लिए GTO का उपयोग नहीं किया जा सकता है। आईजीसीटी प्रौद्योगिकी के विकास के कारण ये उपकरण बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्र में बहुत लोकप्रिय नहीं हैं। उन्हें नियंत्रित, एक-ध्रुवीय और द्वि-ध्रुवीय वोल्टेज अवरोधक माना जाता है। | |
| triac | त्रिक एक उपकरण है जो अनिवार्य रूप से एक ही चिप पर व्युत्क्रम-समानांतर में जुड़े चरण-नियंत्रित थायरिस्टर्स की एक एकीकृत जोड़ी है। एससीआर की तरह, जब गेट टर्मिनल पर एक वोल्टेज पल्सस्थित होता है, तो डिवाइस चालू हो जाता है। SCR और Triac के बीच मुख्य अंतर यह है कि सकारात्मक या नकारात्मक गेट पल्स का उपयोग करके सकारात्मक और नकारात्मक चक्र दोनों को एक दूसरे से स्वतंत्र रूप से चालू किया जा सकता है। एससीआर के समान, डिवाइस चालू होने के बाद डिवाइस को बंद नहीं किया जा सकता है। इस उपकरण को द्वि-ध्रुवीय और रिवर्स वोल्टेज अवरोधक माना जाता है। | |
| द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर (BJT) | BJT का उपयोग उच्च शक्ति पर नहीं किया जा सकता है; MOSFET प्रकार के उपकरणों की तुलना में वे धीमे होते हैं और अधिक प्रतिरोधक नुकसान होते हैं। उच्च धारा ले जाने के लिए, BJT में अपेक्षाकृत बड़ी आधार धाराएँ होनी चाहिए, इस प्रकार MOSFET उपकरणों की तुलना में इन उपकरणों में उच्च शक्ति हानि होती है। MOSFETs के साथ BJTs को भी एकध्रुवीय [ स्पष्ट ] माना जाता है और रिवर्स वोल्टेज को बहुत अच्छी तरह से ब्लॉक नहीं करता है, जब तक कि सुरक्षा डायोड के साथ जोड़े में स्थापित नहीं किया जाता है। आम तौर पर, BJTs का उपयोग शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स स्विचिंग सर्किट में नहीं किया जाता है क्योंकि प्रतिरोध और आधार धारा आवश्यकताओं से जुड़े I 2 R नुकसान होते हैं। बीजेटी के पास उच्च शक्ति पैकेज में कम धारा लाभ है, इस प्रकार उन्हें डार्लिंगटन कॉन्फ़िगरेशन में स्थापित करने की आवश्यकता होती हैबिजली इलेक्ट्रॉनिक सर्किट द्वारा आवश्यक धाराओं को संभालने के लिए। इन एकाधिक ट्रांजिस्टर विन्यासों के कारण, स्विचिंग समय सैकड़ों नैनोसेकंड से माइक्रोसेकंड में होते हैं। उपकरणों में वोल्टेज रेटिंग होती है जो अधिकतम लगभग 1500 V और काफी उच्च धारा रेटिंग होती है। शक्ति हैंडलिंग बढ़ाने के लिए उन्हें समानांतर भी किया जा सकता है, लेकिन धारा साझाकरण के लिए लगभग 5 उपकरणों तक सीमित होना चाहिए। | |
| र एमओएसएफईटी | बीजेटी की तुलना में शक्ति एमओएसएफईटी का मुख्य लाभ यह है कि एमओएसएफईटी एक कमी चैनल डिवाइस है और इसलिए वोल्टेज, धारा नहीं, नाली से स्रोत तक एक चालन पथ बनाने के लिए आवश्यक है। कम आवृत्तियों पर यह गेट धारा को बहुत कम कर देता है क्योंकि स्विचिंग के दौरान केवल गेट कैपेसिटेंस को चार्ज करने की आवश्यकता होती है, हालांकि जैसे-जैसे फ्रीक्वेंसी बढ़ती है यह लाभ कम हो जाता है। MOSFETs में अधिकांश नुकसान ऑन-प्रतिरोध के कारण होते हैं, डिवाइस के माध्यम से अधिक धारा प्रवाह के रूप में बढ़ सकते हैं और उन डिवाइसों में भी अधिक होते हैं जो एक उच्च अवरोधक वोल्टेज प्रदान करते हैं। बीवी डीएसएस ।
स्विचिंग का समय दसियों नैनोसेकंड से लेकर कुछ सौ माइक्रोसेकंड तक होता है। MOSFET स्विचिंग उपकरणों के लिए नाममात्र वोल्टेज कुछ वोल्ट से लेकर 1000 V से थोड़ा अधिक होता है, जिसमें लगभग 100 A या इससे अधिक की धाराएँ होती हैं, हालाँकि MOSFETs स्विचिंग धारा को बढ़ाने के लिए समानांतर हो सकते हैं। MOSFET डिवाइस द्वि-दिशात्मक नहीं हैं, न ही वे रिवर्स वोल्टेज ब्लॉकिंग हैं। | |
| इंसुलेटेड-गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर (आईजीबीटी) | इन उपकरणों में MOSFETs और BJTs की सर्वोत्तम विशेषताएँ हैं। एमओएसएफईटी उपकरणों की तरह, इन्सुलेटेड गेट द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर में उच्च गेट प्रतिबाधा होती है, इस प्रकार कम गेट धारा आवश्यकताएं होती हैं। BJTs की तरह, इस डिवाइस में स्टेट वोल्टेज ड्रॉप कम है, इस प्रकार ऑपरेटिंग मोड में स्विच में कम बिजली की हानि होती है। जीटीओ के समान, आईजीबीटी का उपयोग सकारात्मक और नकारात्मक वोल्टेज दोनों को अवरुद्ध करने के लिए किया जा सकता है। ऑपरेटिंग धाराएं काफी अधिक हैं, 1500 A से अधिक और स्विचिंग वोल्टेज 3000 V तक। IGBT ने MOSFET उपकरणों की तुलना में इनपुट कैपेसिटेंस को कम कर दिया है जो उच्च dv/dt चालू और बंद होने के दौरान मिलर फीडबैक प्रभाव में सुधार करता है। | |
| एमओएस-नियंत्रित थाइरिस्टर (एमसीटी) | MOS-नियंत्रित थाइरिस्टर थाइरिस्टर की तरह होता है और इसे MOSFET गेट पर पल्स द्वारा चालू या बंद किया जा सकता है। चूंकि इनपुट एमओएस तकनीक है, इसलिए बहुत कम विद्युत प्रवाह होता है, जिससे बहुत कम बिजली नियंत्रण संकेत मिलते हैं। डिवाइस का निर्माण दो MOSFET इनपुट और BJT आउटपुट चरणों की एक जोड़ी के साथ किया गया है। इनपुट MOSFETs को सकारात्मक और नकारात्मक आधे चक्रों के दौरान नियंत्रण चालू करने की अनुमति देने के लिए कॉन्फ़िगर किया गया है। आउटपुट BJT को द्विदिश नियंत्रण और लो वोल्टेज रिवर्स ब्लॉकिंग की अनुमति देने के लिए कॉन्फ़िगर किया गया है। एमसीटी के कुछ लाभ तेजी से स्विचिंग फ्रीक्वेंसी, काफी उच्च वोल्टेज और मध्यम धारा रेटिंग (लगभग 100 ए या तो) हैं। | |
| इंटीग्रेटेड गेट-कम्यूटेटेड थाइरिस्टर (IGCT) | जीटीओ के समान, लेकिन लोड चालू या बंद करने के लिए उच्च धारा आवश्यकताओं के बिना। IGCT का उपयोग छोटे गेट धारा के साथ त्वरित स्विचिंग के लिए किया जा सकता है। MOSFET गेट ड्राइवरों के कारण बड़े पैमाने पर उपकरण उच्च इनपुट प्रतिबाधा। उनके पास कम प्रतिरोध आउटपुट हैं जो बिजली बर्बाद नहीं करते हैं और बीजेटी के प्रतिद्वंद्वी के बहुत तेजी से क्षणिक समय हैं। एबीबी ग्रुप कंपनी ने इन उपकरणों के लिए डेटा शीट प्रकाशित की हैं और आंतरिक कार्यप्रणाली का विवरण प्रदान किया है। डिवाइस में एक वैकल्पिक रूप से पृथक इनपुट के साथ एक गेट होता है, प्रतिरोध BJT आउटपुट ट्रांजिस्टर पर कम होता है, जो कम वोल्टेज ड्रॉप और डिवाइस में काफी उच्च स्विचिंग वोल्टेज और धारा स्तरों पर कम बिजली की हानि का कारण बनता है।
एबीबी के इस नए डिवाइस का एक उदाहरण दिखाता है कि शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स अनुप्रयोगों में हाई वोल्टेज और हाई धारा स्विच करने के लिए यह डिवाइस जीटीओ तकनीक में कैसे सुधार करता है। एबीबी के अनुसार, आईजीसीटी डिवाइस बहुत उच्च आवृत्तियों पर 5000 वीएसी और 5000 ए से अधिक स्विच करने में सक्षम हैं, जीटीओ उपकरणों के साथ कुशलतापूर्वक ऐसा करना संभव नहीं है। |
वर्गीकरण
[[image:Power devices family.png|thumb|450px|चित्र 1: विद्युत उपकरणों का परिवार, प्रमुख विद्युत स्विच दिखा रहा है।
एक विद्युत उपकरण को निम्नलिखित मुख्य श्रेणियों में से एक के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है (चित्र 1 देखें):
- एक दो-टर्मिनल उपकरण (जैसे, एक डायोड), जिसकी स्थिति पूरी तरह से उस बाहरी शक्ति परिपथ पर निर्भर है जिससे यह जुड़ा हुआ है।
- एक तीन-टर्मिनल उपकरण (उदाहरण के लिए, एक ट्रायोड), जिसका राज्य न केवल इसके बाहरी शक्ति परिपथ पर निर्भर है, बल्कि इसके ड्राइविंग टर्मिनल पर सिग्नल भी है (इस टर्मिनल को गेट या बेस के रूप में जाना जाता है)।
- एक चार टर्मिनल उपकरण (जैसे सिलिकॉन नियंत्रित स्विच -एससीएस)। SCS एक प्रकार का थाइरिस्टर है जिसमें चार परतें और चार टर्मिनल होते हैं जिन्हें एनोड, एनोड गेट, कैथोड गेट और कैथोड कहा जाता है। टर्मिनल क्रमशः पहली, दूसरी, तीसरी और चौथी परत से जुड़े होते हैं।[13] एक और वर्गीकरण कम स्पष्ट है, लेकिन उपकरण के प्रदर्शन पर इसका गहरा प्रभाव है:
- एक बहुसंख्यक वाहक उपकरण (जैसे, एक स्कॉटकी डायोड, एक MOSFET, आदि); यह केवल एक प्रकार के आवेश वाहकों का उपयोग करता है।
- एक माइनॉरिटी कैरियर उपकरण (जैसे, एक थाइरिस्टर, एक बाइपोलर ट्रांजिस्टर, एक IGBT, आदि); यह बहुसंख्यक और अल्पसंख्यक दोनों वाहकों (यानी, इलेक्ट्रॉनों और इलेक्ट्रॉन छिद्रों) का उपयोग करता है।
बहुसंख्यक वाहक उपकरण तेज होता है, लेकिन अल्पसंख्यक वाहक उपकरणों का चार्ज इंजेक्शन बेहतर ऑन-स्टेट प्रदर्शन की अनुमति देता है।
डायोड
एक आदर्श डायोड में निम्नलिखित विशेषताएं होनी चाहिए:
- अग्र-अभिनत होने पर, डायोड के अंत टर्मिनलों पर वोल्टेज शून्य होना चाहिए, इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि धारा (ऑन-स्टेट) प्रवाहित होता है।
- रिवर्स-बायस्ड होने पर, लीकेज धारा शून्य होना चाहिए, चाहे वोल्टेज (ऑफ-स्टेट) कोई भी हो।
- ऑन-स्टेट और ऑफ-स्टेट के बीच संक्रमण (या रूपांतरण) तात्कालिक होना चाहिए।
हकीकत में, डायोड का डिज़ाइन ऑन-स्टेट, ऑफ-स्टेट और विनिमय में प्रदर्शन के बीच एक व्यापार-बंद है। दरअसल, उपकरण के एक ही क्षेत्र को ऑफ-स्टेट में ब्लॉकिंग वोल्टेज को बनाए रखना चाहिए और ऑन-स्टेट में धारा प्रवाह की अनुमति देनी चाहिए; चूंकि दो राज्यों की आवश्यकताएं पूरी तरह से विपरीत हैं, एक डायोड को या तो उनमें से एक के लिए अनुकूलित किया जाना चाहिए, या समय को एक राज्य से दूसरे राज्य में स्विच करने की अनुमति दी जानी चाहिए (यानी, रूपांतरण की गति कम होनी चाहिए)।
ये ट्रेड-ऑफ सभी विद्युत उपकरणों के लिए समान हैं; उदाहरण के लिए, एक Schottky डायोड में उत्कृष्ट स्विचिंग गति और ऑन-स्टेट प्रदर्शन होता है, लेकिन ऑफ-स्टेट में उच्च स्तर का लीकेज धारा होता है। दूसरी ओर, एक पिन डायोड व्यावसायिक रूप से विभिन्न विनिमय गति (जिसे तेज और अल्ट्राफास्ट रेक्टिफायर कहा जाता है) में उपलब्ध है, लेकिन गति में कोई भी वृद्धि आवश्यक रूप से ऑन-स्टेट में कम प्रदर्शन से जुड़ी है।
स्विच
[[image:Switches domain.svg|thumb|350px|चित्र 2: मुख्य शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स स्विच के धारा /वोल्टेज/स्विचिंग फ्रीक्वेंसी डोमेन।
एक स्विच के लिए वोल्टेज, धारा और फ्रीक्वेंसी रेटिंग के बीच ट्रेड-ऑफ भी स्थित है। वास्तव में, वोल्टेज को बनाए रखने के लिए कोई भी शक्ति अर्धचालक एक पिन डायोड संरचना पर निर्भर करता है; यह चित्र 2 में देखा जा सकता है। शक्ति MOSFET में बहुसंख्यक वाहक उपकरण के फायदे हैं, इसलिए यह बहुत उच्च परिचालन आवृत्ति प्राप्त कर सकता है, लेकिन इसका उपयोग उच्च वोल्टेज के साथ नहीं किया जा सकता है; चूंकि यह एक भौतिक सीमा है, इसकी अधिकतम वोल्टेज रेटिंग के संबंध में सिलिकॉन एमओएसएफईटी के डिजाइन में कोई सुधार अपेक्षित नहीं है। हालांकि, कम वोल्टेज अनुप्रयोगों में इसका उत्कृष्ट प्रदर्शन इसे 200 V से कम वोल्टेज वाले अनुप्रयोगों के लिए पसंद का उपकरण (वास्तव में एकमात्र विकल्प, धारा में) बनाता है। कई उपकरणों को समानांतर में रखकर, स्विच की धारा रेटिंग को बढ़ाना संभव है। एमओएसएफईटी विशेष रूप से इस कॉन्फ़िगरेशन के लिए उपयुक्त है, क्योंकि प्रतिरोध के सकारात्मक थर्मल गुणांक के परिणामस्वरूप अलग-अलग उपकरणों के बीच धारा संतुलन होता है।
IGBT एक हालिया घटक है, इसलिए जैसे-जैसे तकनीक विकसित होती है, इसके प्रदर्शन में नियमित रूप से सुधार होता है। यह पहले से ही विद्युत अनुप्रयोगों में द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर को पूरी तरह से बदल चुका है; एक शक्ति मॉड्यूल उपलब्ध है जिसमें कई आईजीबीटी उपकरण समानांतर में जुड़े हुए हैं, जो इसे कई मेगावाट तक विद्युत के स्तर के लिए आकर्षक बनाता है, जो उस सीमा को आगे बढ़ाता है जिस पर थायरिस्टर्स और गेट टर्न-ऑफ थाइरिस्टर एकमात्र विकल्प बन जाते हैं। मूल रूप से, एक आईजीबीटी एक द्विध्रुवीय ट्रांजिस्टर है जो एक शक्ति एमओएसएफईटी द्वारा संचालित होता है; इसमें MOSFET के उच्च इनपुट प्रतिबाधा के साथ अल्पसंख्यक वाहक उपकरण (ऑन-स्टेट में अच्छा प्रदर्शन, यहां तक कि उच्च वोल्टेज उपकरणों के लिए अच्छा प्रदर्शन) होने के फायदे हैं (इसे बहुत कम मात्रा में विद्युत के साथ चालू या बंद किया जा सकता है) .
निम्न वोल्टेज अनुप्रयोगों के लिए IGBT की प्रमुख सीमा उच्च वोल्टेज ड्रॉप है जो इसे ऑन-स्टेट (2-से-4 V) में प्रदर्शित करता है। MOSFET की तुलना में, IGBT की ऑपरेटिंग आवृत्ति अपेक्षाकृत कम है (प्राय: 50 kHz से अधिक नहीं), मुख्य रूप से टर्न-ऑफ़ के दौरान एक समस्या के कारण धारा -टेल के रूप में जाना जाता है: टर्न-ऑफ परिणामों के दौरान कंडक्शन धारा का धीमा क्षय चालन के दौरान बड़ी संख्या में वाहकों के धीमे पुनर्संयोजन से आईजीबीटी के मोटे 'बहाव' क्षेत्र में बाढ़ आती है। शुद्ध परिणाम यह है कि टर्न-ऑफ switching loss एक IGBT का टर्न-ऑन नुकसान की तुलना में काफी अधिक है। प्राय: , डेटाशीट्स में, टर्न-ऑफ एनर्जी को मापे गए पैरामीटर के रूप में वर्णित किया जाता है; टर्न-ऑफ नुकसान का अनुमान लगाने के लिए उस संख्या को इच्छित एप्लिकेशन की स्विचिंग आवृत्ति के साथ गुणा करना होगा।
बहुत उच्च शक्ति स्तरों पर, एक थाइरिस्टर-आधारित उपकरण (जैसे, एक सिलिकॉन-नियंत्रित दिष्टकारी, एक GTO, एक MOS-नियंत्रित थाइरिस्टर, आदि) अभी भी अक्सर उपयोग किया जाता है। इस उपकरण को एक ड्राइविंग परिपथ द्वारा प्रदान की गई पल्स द्वारा चालू किया जा सकता है, लेकिन पल्स को हटाकर इसे बंद नहीं किया जा सकता है। एक थाइरिस्टर बंद हो जाता है जैसे ही इसके माध्यम से कोई और धारा प्रवाहित नहीं होती है; यह स्वचालित रूप से प्रत्येक चक्र पर एक वैकल्पिक चालू प्रणाली में होता है, या उपकरण के चारों ओर धारा को डायवर्ट करने के लिए एक परिपथ की आवश्यकता होती है। इस सीमा को पार करने के लिए एमसीटी और जीटीओ दोनों विकसित किए गए हैं, और विद्युत वितरण अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं।
स्विच प्रणाली में शक्ति अर्धचालको के कुछ अनुप्रयोगों में लैंप मद्धम्स, स्विच प्रणाली विद्युत की आपूर्ति, इंडक्शन कुकर, ऑटोमोटिव ज्वलन प्रणाली और सभी आकारों के एसी और डीसी इलेक्ट्रिक मोटर ड्राइव सम्मिलित हैं।
एम्पलीफायर
एम्पलीफायर सक्रिय क्षेत्र में काम करते हैं जहां उपकरण धारा और वोल्टेज दोनों गैर-शून्य हैं। नतीजतन शक्ति लगातार छितरी हुई है और अर्धचालक उपकरण से अतिरिक्त गर्मी को हटाने की आवश्यकता पर इसका डिजाइन हावी है। शक्ति एम्पलीफायर उपकरणों को अक्सर उपकरणों को माउंट करने के लिए उपयोग किए जाने वाले ताप सिंक द्वारा पहचाना जा सकता है। कई प्रकार के शक्ति अर्धचालक एम्पलीफायर उपकरण स्थित हैं जैसे कि बाइपोलर जंक्शन ट्रांजिस्टर, वर्टिकल एमओएस फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर और अन्य। व्यक्तिगत एम्पलीफायर उपकरणों के लिए विद्युत का स्तर सैकड़ों वाट तक होता है और आवृत्ति सीमा कम माइक्रोवेव बैंड तक होती है। एक पूर्ण ऑडियो शक्ति एम्पलीफायर दो चैनलों के साथ और दसियों वाट के क्रम पर एक शक्ति रेटिंग एक छोटे एकीकृत परिपथ पैकेज में डाला जा सकता है जिसे कार्य करने के लिए केवल कुछ बाहरी निष्क्रिय घटकों की आवश्यकता होती है।
सक्रिय-प्रणाली एम्पलीफायरों के लिए एक अन्य महत्वपूर्ण अनुप्रयोग रैखिक विनियमित विद्युत आपूर्ति में है, जब एक एम्पलीफायर उपकरण को वांछित सेटिंग पर लोड वोल्टेज बनाए रखने के लिए वोल्टेज नियामक के रूप में उपयोग किया जाता है। हालांकि इस तरह की विद्युत आपूर्ति स्विच्ड प्रणाली विद्युत आपूर्ति की तुलना में कम ऊर्जा कुशल हो सकती हैऔर आवेदन की सादगी उन्हें लोकप्रिय बनाती है खासकर धारा श्रेणी में लगभग एक amp तक।
पैरामीटर
- ब्रेकडाउन वोल्टेज : अक्सर, ब्रेकडाउन वोल्टेज रेटिंग और ऑन-प्रतिरोध के बीच एक ट्रेड-ऑफ होता है, क्योंकि मोटे और निचले डॉप्ड ड्रिफ्ट क्षेत्र को सम्मिलित करके ब्रेकडाउन वोल्टेज को बढ़ाने से उच्च ऑन-प्रतिरोध होता है।
- ऑन-प्रतिरोध : एक उच्च धारा रेटिंग समानांतर कोशिकाओं की अधिक संख्या के कारण ऑन-प्रतिरोध को कम करती है। यह समग्र समाई को बढ़ाता है और गति को धीमा कर देता है।
- उठने और गिरने का समय : ऑन-स्टेट और ऑफ-स्टेट के बीच स्विच करने में लगने वाला समय।
- सुरक्षित-संचालन क्षेत्र : यह एक थर्मल अपव्यय और "लैच-अप" विचार है।
- थर्मल प्रतिरोध : व्यावहारिक डिजाइन के दृष्टिकोण से यह अक्सर उपेक्षित लेकिन अत्यंत महत्वपूर्ण पैरामीटर है; एक अर्धचालक ऊंचे तापमान पर अच्छा प्रदर्शन नहीं करता है और फिर भी बड़े धारा प्रवाहकत्त्व के कारण एक शक्ति अर्धचालक उपकरण हमेशा गर्म होता है। इसलिए ऐसे उपकरणों को उस गर्मी को लगातार हटाकर ठंडा करने की आवश्यकता होती है। पैकेजिंग और ताप सिंक तकनीक एक अर्धचालक उपकरण से गर्मी को बाहरी वातावरण में ले जाने के लिए एक साधन प्रदान करती है। प्राय:ए क बड़े धारा उपकरण में एक बड़ा डाई और पैकेजिंग सतह क्षेत्र और कम तापीय प्रतिरोध होता है।
अनुसंधान और विकास
पैकेजिंग
पैकेजिंग की भूमिका है:
- एक डाई को बाहरी परिपथ से कनेक्ट करें।
- उपकरण द्वारा उत्पन्न गर्मी को दूर करने का एक तरीका प्रदान करें।
- डाई को बाहरी वातावरण (नमी, धूल, आदि) से बचाएं।
विद्युत उपकरण की विश्वसनीयता के कई मुद्दे या तो अत्यधिक तापमान या थर्मल साइकलिंग के कारण थकान से संबंधित हैं। अनुसंधान धारा में निम्नलिखित विषयों पर किया जाता है:
- ठंडा प्रदर्शन।
- पैकेजिंग के थर्मल विस्तार के गुणांक को सिलिकॉन के साथ निकटता से मिलान करके थर्मल साइकलिंग का प्रतिरोध।
- पैकेजिंग सामग्री का अधिकतम ऑपरेटिंग तापमान।
पैकेजिंग के परजीवी संस्थापन को कम करने जैसे विद्युत के मुद्दों पर भी अनुसंधान चल रहा है। यह संस्थापन ऑपरेटिंग आवृत्ति को सीमित करता है क्योंकि यह रूपांतरण के दौरान नुकसान उत्पन्न करता है।
एक लो-वोल्टेज MOSFET भी इसके पैकेज के परजीवी प्रतिरोध द्वारा सीमित है क्योंकि इसका आंतरिक ऑन-स्टेट प्रतिरोध एक या दो मिली ओएचएम जितना कम है।
कुछ सबसे सामान्य प्रकार के शक्ति अर्धचालक पैकेज में TO-220, TO-247, TO-262, TO-3, D2 पाक आदि सम्मिलित हैं।।
संरचनाओं में सुधार
आईजीबीटी डिजाइन अभी भी विकास के अधीन है और ऑपरेटिंग वोल्टेज में बढ़ोतरी की उम्मीद की जा सकती है। सीमा के उच्च-शक्ति अंत में, MOS-नियंत्रित थाइरिस्टर एक आशाजनक उपकरण है। सुपर जंक्शन चार्ज-बैलेंस सिद्धांत को नियोजित करके पारंपरिक MOSFET संरचना पर एक बड़ा सुधार प्राप्त करना: अनिवार्य रूप से, यह एक शक्ति MOSFET के मोटे बहाव क्षेत्र को भारी रूप से डोप करने की अनुमति देता है, जिससे ब्रेकडाउन वोल्टेज से समझौता किए बिना इलेक्ट्रॉन प्रवाह के विद्युत प्रतिरोध को कम किया जा सकता है। यह एक ऐसे क्षेत्र के साथ जुड़ा हुआ है जो समान रूप से विपरीत वाहक ध्रुवीयता (छिद्रों) के साथ डोप किया गया है लेकिन विपरीत रूप से डोप किए गए क्षेत्र प्रभावी रूप से अपने मोबाइल चार्ज को रद्द कर देते हैं और एक 'क्षीण क्षेत्र' विकसित करते हैं जो ऑफ-स्टेट के दौरान उच्च वोल्टेज का समर्थन करता है। दूसरी ओर ऑन-स्टेट के दौरान अभिप्राय क्षेत्र का उच्च डोपिंग वाहकों के आसान प्रवाह की अनुमति देता है, जिससे ऑन-प्रतिरोध कम हो जाता है। इस सुपर जंक्शन सिद्धांत पर आधारित वाणिज्यिक उपकरण, Infineon (CoolMOS उत्पाद) और इंटरनेशनल रेक्टिफायर (IR) जैसी कंपनियों द्वारा विकसित किए गए हैं।
वाइड बैंड-गैप अर्धचालक्स
शक्ति अर्धचालक उपकरणों में बड़ी सफलता की उम्मीद एक विस्तृत बैंड-गैप अर्धचालक द्वारा सिलिकॉन के प्रतिस्थापन से की जाती है। धारा में सिलिकन कार्बाइड (SiC) को सबसे आशाजनक माना जाता है। 1200 V के ब्रेकडाउन वोल्टेज वाला एक सिलिकन कार्बाइड (SiC) Schottky डायोड व्यावसायिक रूप से उपलब्ध है जैसा कि 1200 V JFET है। चूंकि दोनों बहुसंख्यक वाहक उपकरण हैं, वे उच्च गति से काम कर सकते हैं। उच्च वोल्टेज (20 kV तक) के लिए एक द्विध्रुवी उपकरण विकसित किया जा रहा है। इसके फायदों में सिलिकॉन कार्बाइड उच्च तापमान (400 डिग्री सेल्सियस तक) पर काम कर सकता है और इसमें सिलिकॉन की तुलना में कम थर्मल प्रतिरोध होता है जिससे बेहतर शीतलन की अनुमति मिलती है।
यह भी देखें
- ऑडियो शक्ति एम्पलीफायर
- एलडीएमओएस
- विद्युत प्रबंधन एकीकृत परिपथ
- शक्ति एमओएसएफईटी
- आरएफ सीएमओएस
- आरएफ शक्ति एम्पलीफायर
नोट्स और संदर्भ
टिप्पणियाँ
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- ↑ Peter Robin Morris, A History of the World Semiconductor Industry, IET 1990 ISBN 0863412270 pages 39-41
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These active electronic components, or power semiconductor products, from Siliconix are used to switch and convert power in a wide range of systems, from portable information appliances to the communications infrastructure that enables the Internet. The company's power MOSFETs — tiny solid-state switches, or metal oxide semiconductor field-effect transistors — and power integrated circuits are widely used in cell phones and notebook computers to manage battery power efficiently
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संदर्भ
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