UKŁADY

UKŁADY

ENERGOELEKTRONICZNE

ENERGOELEKTRONICZNE

Właściwości łączników

Właściwości łączników

energoelektronicznych

energoelektronicznych

Przełączanie twarde i miękkie

Przełączanie twarde i miękkie

Właściwości łączników

Właściwości łączników

energoelektronicznych -

energoelektronicznych -

przełączanie twarde i

przełączanie twarde i

miękkie

miękkie

Zastosowanie diod mocy



prostowniki niesterowane, jedno- czy
trójfazowe (jedno- i dwupulsowe),



układy zabezpieczające inne elementy przed
przepięciami pochodzenia indukcyjnego,



powielacze napięcia,



układy odciążające zawory sterowane,



diody zwrotne w falownikach napięcia,



diody przeciwnasyceniowe w przekształtnikach
tranzystorowych,



elementy detekcyjne.

3

Dioda mocy

Dioda mocy

Dioda mocy

Dioda mocy

Dioda mocy ma między obszarem n a obszarem p

dodatkową słabo domieszkowaną warstwę (warstwa i) -

stąd struktura p-i-n:

–

przewodzenie znacznych prądów,

–

duże napięcia wsteczne.

Uproszczony schemat
struktury diody mocy

Charakterystyka diody

Charakterystykę diody mocy można

opisać zależnością analityczną:



gdzie:



I

s

- prąd nasycenia,



Ω - stała fizyczna.

5

Dioda mocy

Dioda mocy

Czasem do celów obliczeniowych stosuje się
odcinkową aproksymacje tej charakterystyki.
Można wtedy charakterystykę w stanie
przewodzenia wyrazić równaniem:



gdzie:



U

p

=U

FTO

– napięcie progowe,



R

d

– rezystancja dynamiczna w stanie

przewodzenia.

6

Dioda mocy

Dioda mocy

Dioda mocy (2)

Dioda mocy (2)

Graniczne parametry:

I

FAVM

= 5000A, U

RRM

= 3000V

(wykonania

specjalne – do 80 kV) [1, 2]

Ważniejsze parametry:

U

RRM

– powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne,

U

RSM

– niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne,

I

FAVM

– maksymalny ciągły prądu przewodzenia

(największa
wartość średnia prądu w kształcie półfali
sinusoidy 50 Hz

w określonych warunkach termicznych),

I

FOV

– dopuszczalny prąd przeciążeniowy (szczytowa

wartość
półfal sinusoidy 50 Hz),


jmin

– minimalna temperatura struktury

półprzewodnikowej

(zwykle –40C).



jmax

– maksymalna temperatura struktury

półprzewodnikowej

(zwykle 150…180C).

I

2

t – określa przeciążalność dla t < 10ms (na

podstawie tego parametru dobiera się bezpieczniki)

8

Dioda mocy (3)

Dioda mocy (3)

I, A

U, V

Charakterystyka prądu granicznego
diody

„

„

Twarde”

Twarde”

załączanie i

załączanie i

wyłą-czanie

wyłą-czanie

diody mocy

diody mocy

Załączanie diody:



Przepięcie, zależne od

di/dt, może być rzędu

kilkudziesięciu woltów

(nie występuje

w diodach

małosygnałowych)

Wyłączanie diody:



„ogon prądowy”

di/dt zwykle

wymuszone przez

indukcyjności

zewnętrzne

„

„

Twarde” wyłączanie diody

Twarde” wyłączanie diody

S

dt

di

Q

I

R

rr

rr





1

2

4

5

t

t

S

Właściwości i parametry

Właściwości i parametry

termiczne diod mocy

termiczne diod mocy

11

Model cieplny przyrządu
półprzewodnikowego dla stanu ustalonego

12

Właściwości i parametry

Właściwości i parametry

termiczne diod mocy

termiczne diod mocy

gdzie:
R

TH(J-C)

- rezystancja termiczna pomiędzy

pastylka półprzewodnika a obudową
przyrządu,
R

TH(C-R)

- rezystancja termiczna przejścia

między radiatorem a obudową,
R

TH(R-A)

- rezystancja termiczna między

radiatorem a czynnikiem chłodzącym,
ΔP

- ogół strat mocy wydzielonych w

półprzewodniku.

13

Właściwości i parametry

Właściwości i parametry

termiczne diod mocy

termiczne diod mocy

gdzie:
ϑ

j

- temperatura struktury

półprzewodnikowej,
ϑ

a

- temperatura czynnika chłodzącego,

ϑ

jmax

- katalogowa wartość maksymalnej

dopuszczalnej temperatury struktury
półprzewodnikowej.

Warunek poprawnej pracy

Diody Schottky’ego

Diody Schottky’ego

14

Struktura
wewnętrzna diody
Schottky’ego

• Charakterystyki

statyczne prądowo
-napięciowe diod
Schottky’ego są zbliżone
do diod ze złączem p-n.

• Niska w porównaniu do

diod krzemowych wartość
napięcia przewodzenia -
od 0,3 do 0,5 V.

• Elementy te posiadają

mniejsze straty w czasie
przewodzenia.

• Złącze metal-

półprzewodnik zapewnia
małą bezwładność przy
przełączaniu ze stanu
przewodzenia do
zaporowego. - najkrótsze
czasy przełączania
spośród wszystkich diod
(czasy wyłączania poniżej
0,1ns) .

Tyrystor

Tyrystor

1. Tyrystor jest elementem energoelektronicznym o

trzech końcówkach (elektrodach), którymi są:

• anoda i katoda - jak w diodzie,

• dodatkowa elektroda sterująca – bramka.

2. Przy podaniu napięcia wstecznego ( + na katodzie,

- na anodzie) tyrystor, podobnie jak dioda, jest w
stanie zaworowym.

3. Przy podaniu napięcia w kierunku przewodzenia

( + na anodzie, - na katodzie):

• tyrystor nie przewodzi prądu – jest to tzw. stan

blokowania.

• warunkiem rozpoczęcia przewodzenia prądu

jest podanie odpowiednio sygnału elektrycznego
na bramkę – wtedy tyrystor przechodzi w stan
przewodzenia (jak dioda)

Szczegóły budowy struktury
krzemowej tyrystora SCR

16

Tyrystor (1)

Tyrystor (1)

Możemy
wyróżnić

trzy

złącza:

•katodowe,

•anodowe,

•środkowe.

Tyrystor (2)

Tyrystor (2)

4. Po załączeniu tyrystor przewodzi dokąd jego prąd

nie spadnie
do zera – nie jest możliwe wyłączenie tyrystora
sygnałem bramkowym.

5. Po tym, jak prąd tyrystora spadnie do zera,

tyrystor musi być spolaryzowany wstecznie przez
czas t

d

, przy czym t

d

> t

q

:

• t

q

– czas odzyskiwania zdolności zaworowych –

podany
w katalogu

Charakterystyka
tyrystora

Charakterystyka
tyrystora:
4 części (czwarta to
charakterystyka
przełączania –
niestabilna
Wyłączanie tyrystora
wymaga przejścia
przez charakterystykę
zaworową

Rodzaje stanów pracy ustalonej

Rodzaje stanów pracy ustalonej

tyrystora

tyrystora



stan zaworowy – występuje jeżeli dołączymy
biegun ujemny źródła zewnętrznego do anody
a dodatni do katody. Podobnie jak w przypadku
diody, między anodą a katodą tyrystora
przepływa prąd nasycenia złącza anodowego,
którego wartość zależy od temperatury złącza
i przyłożonego napięcia. Po przekroczeniu
napięcia przebicia U

BR

prąd wsteczny

gwałtownie wzrasta i może nastąpić
miejscowe uszkodzenie struktury. Jeżeli w
stanie zaworowym zostanie podany impuls
bramkowy, tyrystor nie zostanie załączony, ale
nastąpi wzrost prądu wstecznego.

18



stan blokowania – występuje przy dodatniej
polaryzacji anody względem katody i braku
dopływu ładunków do strefy środkowej
tyrystora. W tym stanie przez złącze środkowe
przepływa prąd nasycenia. Przy zerowym
prądzie bramki I

G

stan blokowania występuje

do momentu osiągnięcia przez napięcie
polaryzujące tyrystor wartości U

BO

noszącego

nazwę napięcia przełączenia. Ten stan pracy
należy traktować jako niedopuszczalny,
ponieważ doprowadza do niekontrolowanego
załączenia tyrystora. Jest to stan awaryjny.

19

Rodzaje stanów pracy ustalonej

Rodzaje stanów pracy ustalonej

tyrystora

tyrystora



stan blokowania – cd.



Wartość napięcia U

BO

zależy silnie od

temperatury struktury półprzewodnikowej,
dlatego ważne jest kontrolowanie i
utrzymywanie dopuszczalnej temperatury
struktury ϑ

jmax

, która może doprowadzić do

szybkiego spadku napięcia U

BO

. Wartości

parametrów granicznych pracy tyrystora są
podawane jako dane katalogowe łącznie dla
obu stanów: zaworowego i blokowania.

20

Rodzaje stanów pracy ustalonej

Rodzaje stanów pracy ustalonej

tyrystora

tyrystora



stan przewodzenia – występuje dodatniej przy
polaryzacji anody względem katody, jeżeli na skutek
doprowadzonego prądu bramki napięcie
przełączenia tyrystora zmalało poniżej wartości
napięcia blokowania. W tym stanie pomiędzy anodą
i katoda płynie prąd przewodzenia I

F

uzależniony od

parametrów zewnętrznych. Spadek prądu bramki I

G

do zera nie powoduje wyłączenia tyrystora, jeśli
prąd płynący przez tyrystor jest większy od pewnej
granicznej wartości nazywanej prądem
podtrzymania tyrystora. W tym stanie tyrystor
charakteryzowany jest dwoma parametrami
katalogowymi: napięciem progowym U

TO

oraz

rezystancja dynamiczną w stanie przewodzenia r

T

.

21

Rodzaje stanów pracy ustalonej

Rodzaje stanów pracy ustalonej

tyrystora

tyrystora



stan przewodzenia – cd.

Raz załączony tyrystor pozostaje w

stanie przewodzenia dopóki płynący
prąd przekracza wartość katalogową
prądu podtrzymania, lub nie zmienia
się biegunowość napięcia
występującego na jego elektrodach.

22

Rodzaje stanów pracy ustalonej

Rodzaje stanów pracy ustalonej

tyrystora

tyrystora

Stany dynamiczne

Stany dynamiczne

tyrystora SCR

tyrystora SCR

Przebiegi prądu oraz napięcia podczas załączania tyrystora SCR

23

Prąd bramkowy w funkcji czasu załączania

tyrystora SCR

24

Stany dynamiczne

Stany dynamiczne

tyrystora SCR

tyrystora SCR

Przebiegi prądu oraz napięcia tyrystora podczas wyłączania

25

Stany dynamiczne

Stany dynamiczne

tyrystora SCR

tyrystora SCR

Chwilowe odzyskanie przez tyrystor SCR zdolności przewodzących
spowodowane przyłożeniem napięcia w kierunku przewodzenia w
trakcie wyłączania przed upływem czasu potrzebnego na odzyskanie
własności zaworowych

26

Stany dynamiczne

Stany dynamiczne

tyrystora SCR

tyrystora SCR

Tyrystor GTO

Tyrystor GTO

Przestrzenna półprzewodnikowa struktura tyrystora GTO

27

28

Schemat prostej przetwornicy obniżającej
wykorzystanej do opisu przełączania GTO
wraz z tzw. układami odciążającymi

Parametry katalogowe tyrystora GTO

Parametry katalogowe tyrystora GTO



powtarzalny szczytowy prąd wyłączalny - I

TQRM

– jest

podstawowym parametrem przy doborze prądowym,



niepowtarzalny szczytowy prąd wyłączalny – I

TQSM

–

arzuca sposób doboru zabezpieczeń prądowych
tyrystora GTO, mających chronić go przy
przeciążeniach prądowych,



maksymalna średnia wartość prądu - I

T(AV)M

– parametr

znany z tyrystora SCR,



maksymalna skuteczna wartość prądu przewodzenia –
I

T(RMS)M

,



niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia – I

TSM

–

umożliwia dobór zabezpieczeń przeciwzwarciowych,



parametr przeciążeniowy - I

2

t – również pomocny przy

doborze zabezpieczeń,

29



prąd podtrzymania – I

H

– pomocny przy projektowaniu

sterowników,



prąd załączania – I

L

,



wartość prądu „ogona” przy wyłączaniu – I

TQT

– informuje nas

o wielkości strat łączeniowych,



napięcie progowe – U

(TO)

– parametr znany z tyrystora SCR,



rezystancja dynamiczna – r

T

– podobnie jak wcześniejszy parametr

wyznaczany jest przy pomocy charakterystyki napięciowo-
prądowej,



maksymalne powtarzalne napięcie blokowania – U

DRM

– parametr

określany przy ujemnym napięciu bramki,



maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne – U

RRM

,



maksymalne dopuszczalne napięcie ujemne na bramce – U

RGB

-

pomocne przy sterowaniu bramki napięciem ujemnym,



wyłączający prąd bramki – I

RG

– parametr określający wymaganą

wydajność obwodów sterowania (należy dodać zapas 50% ze
względu na potrzebę użycia prądu o wartości I

TQSM

w sytuacjach

awaryjnych),



czas opóźnienia - t

d

,



czas opadania - t

gt

,



czas wyłączania - t

gq

.

30

Straty mocy w czasie pracy tyrystora

Straty mocy w czasie pracy tyrystora

GTO

GTO

31

Graniczne znamionowe parametry

Graniczne znamionowe parametry

tyrystorów GTO:

tyrystorów GTO:



I

T

= 1÷2 kA,



U

AK

= 4,5 ÷ 8 kV,



t

on

= 3÷7 s,



t

of

= 12÷22 s,



di

A

/dt = 3 kA/s,



dU

AK

/dt = 1 kV/s.

32

Tranzystor MOSFET

Tranzystor MOSFET

Tranzystor MOSFET jest elementem

energoelektronicznym o trzech końcówkach
(elektrodach), który może być stosowany przy
wielkich częstotliwościach (setki kiloherców i
więcej)

Końcówki tranzystora MOSFET:

• dren D (odpowiednik anody)

• żródło S (odpowiednik katody)

• bramka G (elektroda sterująca)

W tranzystorze MOSFET prąd przewodzą nośniki większościowe

Struktura półprzewodnikowa

Struktura półprzewodnikowa

tranzystora MOSFET

tranzystora MOSFET

Tranzystor MOSFET

Tranzystor MOSFET

Przy spolaryzowaniu tranzystora w kierunku

przewodzenia: (

+

na drenie,

-

na źródle):

• tranzystor jest w stanie blokowania i zaczyna

przewodzić dopiero po podaniu na bramkę
odpowiedniego sygnału elektrycznego,

• tranzystor pozostaje w stanie przewodzenia tak

długo, dopóki nie usunie się tego sygnału z bramki.

Tranzystor jest więc elementem w pełni
sterowalnym:

• przy spolaryzowaniu tranzystora w kierunku
przewodzenia można go włączyć lub wyłączyć w
dowolnym momencie przy użyciu sygnału podanego
na bramkę.

Przy spolaryzowaniu tranzystora w kierunku
wstecznym będzie on przewodził ze względu na
wewnętrzną diodę.

Parametry tranzystora MOSFET

Parametry tranzystora MOSFET

Podstawowe parametry tranzystorów
MOSFET na przykładzie tranzystora IRFP460
(tranzystor z falownika dwutaktowego)

• maksymalne dopuszczalne napięcie dren –
źródło: V

DSS

= 500V

• ciągły prąd drenu w temperaturze 25

C: I

D

= 20

A
• (ciągły prąd drenu w temperaturze 100

C: I

D

=

13 A)
• rezystancja R

DS(on)

w temperaturze 25C: R

DS(on)

=

0,27

• napięcie progowe bramki: V

GS(th)

= 24 V

• maksymalne dopuszczalne napięcie bramki
V

GS(max

= 20V

• maksymalny impulsowy prąd drenu (określa
przeciążalność
prądową): I

DM

= 80A

Moc wydzielana w tranzystorze

Moc wydzielana w tranzystorze

MOSFET

MOSFET

Straty przewodzenia P

T

:









25

007

,

0

1

)

(

2









A

JA

on

DS

T

T

T

T

R

I

P



przy czym
I

T

- skuteczna wartość prądu tranzystora,

R

DS(on)

- rezystancja załączenia przy 25 C,



T

A

- temperatura otoczenia - C,



T

JA

- przyrost temperatury złącza w stosunku do temperatury otoczenia - C.

Współczynnik 0,007 odpowiada wartości typowego
współczynnika wzrostu R

DS(on)

z temperaturą

Straty przełączania P

S

:

f

P

T

S





przy czym



T

- całkowita moc wydzielona podczas przełączania w pojedynczym okresie,

f - częstotliwość łączeń

– 

zależą od przełączanego prądu i napięcia oraz rodzaju obciążenia,

– 

zasadniczo nie zależą od temperatury.

Całkowite straty mocy w tranzystorze:

S

T

P

P

P





Rezystancja

Rezystancja

R

R

DS(on)

DS(on)

tranzystora

tranzystora

Rezystancja

R

DS(on)

:

• rośnie ze wzrostem klasy napięciowej tranzystora,

• rośnie ze wzrostem temperatury struktury
półprzewodnikowej (dodatni współczynnik
temperaturowy)

– umożliwia to równoległe łączenie tranzystorów
MOSFET – wzrost prądu w jednym z tranzystorów
powoduje wzrost jego rezystancji i zmniejszenie
prądu.

Charakterystyki tranzystora

Charakterystyki tranzystora

MOSFET

MOSFET

Rodzina charakterystyk wyjściowych tranzystora MOSFET
z kanałem n [2]

Proces

Proces

załącza-

załącza-

nia

nia

tran-

tran-

zystora

zystora

MOSFET

MOSFET

[2]

[2]

Proces wyłączania tranzystora MOSFET

Proces wyłączania tranzystora MOSFET

[2]

[2]

„

„

Twarde”

Twarde”

przełączanie

przełączanie

łączników

łączników

1. Uproszczony

schemat
twardego
przełączania
łączników (

1*

,

2*

)

2. Twarde

przełączanie
tranzystora
MOSFET

Stany dynamiczne tranzystora

Stany dynamiczne tranzystora

MOSFET

MOSFET

43

Modele elektryczne tranzystora MOSFET:
a)dla tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia
bądź obszarze omowym;
b)dla tranzystora znajdującego się w stanie
aktywnym

Literatura

Literatura

1.

Tondos M.:

Podstawy energoelektroniki - materia
ły dydaktyczne

, strona

http://tsunami.kaniup.agh.edu.pl/dyda
ktyka.html

2.

Tondos M.:

Elementy energoelektroniczne - mater
iały dydaktyczne

, strona

http://tsunami.kaniup.agh.edu.pl/dyda
ktyka.html