1
Praca dwustanowa półprzewodnikowych
elementów mocy – straty statyczne i dynamiczne.
Tranzystory mocy w układach energoelektronicznych
Tranzystory mocy pracują w układach falowników i przerywaczy prądu stałego
dwustanowo , współpracują one z urządzeniami o mocy do 1500 kVA, a częstotli-
wość ich przełączania osiąga wartość 20 ÷ 50 kHz. Na przykładzie tranzystora bipo-
larnego omówiono przebieg strat statycznych i dynamicznych (przełączania) w ukła-
dach energoelektronicznych.
Straty tranzystorów mocy pracujących dwustanowo
W elementach półprzewodnikowych podczas pracy występują straty mocy
czynnej które powodują grzanie się struktury półprzewodnikowej, co może spowodo-
wać trwałe uszkodzenie elementów w skutek nieodpowiednich warunków termicz-
nych pracy. W warunkach ustalonej wymiany cieplnej w układach tranzystorów mocy
ilość energii cieplnej wydzielonej w strukturze półprzewodnika jest równa ilości tej
energii odprowadzanej do czynnika chłodzącego.
Moc średnia strat tranzystora PAV, pracującego w warunkach równowagi
cieplnej można określić z zależności:
gdzie:
V
j
, V
a
−
odpowiednio, średnia temperatura struktury półprzewodnikowej
i czynnika chłodzącego,
R
thj-a
−
całkowita rezystancja cieplna drogi struktura półprzewodnika
−
czyn-
nik chłodzący
Dla zapewnienia właściwych termicznych warunków pracy tranzystora należy
spełnić warunek :
max
j
j
V
V
≤
AV
a
thj
a
j
P
R
V
V
⋅
+
=
−
gdzie:
V
j max
−
maksymalna dopuszczalna temperatura struktury półprzewodnikowej.
a
thj
a
j
AV
R
V
V
P
−
−
=
2
Wartość średnią mocy strat tranzystora w układzie impulsowym możemy
określić jako:
T
Ł
AV
P
P
P
+
=
gdzie:
P
Ł
−
straty przy przełączaniu tranzystora (straty komutacyjne),
P
T
−
straty statyczne pracy tranzystora.
Tranzystor pełniąc rolę przerywacza prądu stałego może znajdować się w sta-
nie nasycenia, łącznik przewodzi, lub w stanie zatkania, łącznik nie przewodzi. Tran-
zystor w układzie wspólnego emitera WE. Energię strat w stanie przewodzenia i nie-
przewodzenia łącznika tranzystorowego określić można po wyznaczeniu okresów
przewodzenia i nieprzewodzenia w czasie jednego cyklu.
(
) (
)
[
]
w
z
i
i
i
i
i
t
t
T
T
T
+
−
−
+
⋅
=
α
α
1
gdzie:
t
z
+ t
w
−
czas komutacji tranzystora mocy .
Rys.1. Przerywacz tranzystorowy z obciążeniem indukcyjnym RLE
−
D
3
Energia strat przerywacza w czasie pracy statycznej która wynosi:
(
) (
) (
)
[
](
)
BW
cw
w
z
i
i
BZ
cz
i
i
P
P
t
t
T
P
P
T
WE
+
+
−
−
+
+
⋅
=
α
α
1
gdzie:
αααα
=t
p
/T
i
−
współczynnik wypełnienia i-tego cyklu pracy łącznika,
t
p
−
czas przebywania łącznika w stanie przewodzenia,
T
i
−
czas trwania i-tego cyklu pracy łącznika,
P
CZ
, P
CW
−
średnia moc strat obwodu kolektorowego, odpowiednio dla stanu
przewodzenia i nieprzewodzenia łącznika,
P
BZ
, P
BW
−
średnia moc strat obwodu bazy , odpowiednio dla stanu przewo-
dzenia i nieprzewodzenia łącznika ,
t
z
, t
w
−
odpowiednio czasy załączania i wyłączania tranzystora.
Średnie moce strat można zapisać jako:
0
I
U
P
CEsat
CZ
=
0
CE
Z
CW
I
U
P
=
B
BEsat
BZ
I
U
P
=
EBR
EBR
BW
I
U
P
=
gdzie:
U
CE sat
−
napięcie nasycenia złącza kolektor - emiter,
U
BE sat
−
napięcie złącza emiter - baza tranzystora w stanie nasycenia ,
I
CEO
−
prąd zaporowy złącza kolektor - emiter,
U
EBR
, I
EBR
−
napięcie złącza emiter - baza i prąd bazy w czasie wstecznej
polaryzacji obwodu wejściowego tranzystora.
Straty tranzystora w stanie nieprzewodzenia prądu kolektorowego I
c
są pomi-
jalnie małe:
(
)
BZ
CZ
i
i
Ti
P
P
T
E
+
⋅
= α
Straty przewodzenia obwodu wejściowego tranzystora PBZ są znaczne dlate-
go uwzględniamy je w stratach przewodzenia tranzystora mocy PT.
(
)
∑
=
=
+
⋅
=
N
i
i
BZ
CZ
i
i
Ti
P
P
T
T
P
0
1
α
gdzie:
N – ilość cykli pracy przerywacza na jednostkę czasu – T.
4
Dla ustalonych warunków sterowania przerywacza:
const
f
p
=
const
=
α
gdzie:
f
p
– częstotliwość przełączeń przerywacza, wtedy:
(
)
(
)
BZ
CZ
p
BZ
CZ
p
T
P
P
f
P
P
T
P
+
⋅
=
⋅
+
⋅
=
α
α
Średnia moc strat przerywacza tranzystorowego PT jest proporcjonalna do
współczynnika wypełnienia impulsu i nie zależy od częstotliwości przełączeń f
p
.
Straty przełączania PŁ charakteryzujące zjawisko zachodzące w czasie zmiany stanu
pracy łącznika zależą od częstotliwości przełączeń f
g
, sposobu sterowania obwodu
wejściowego łącznika, charakteru obciążenia, prądowo
−
napięciowych warunków
pracy oraz właściwości dynamicznych tranzystora.
Tranzystory mocy pracują w granicznych warunkach prądowo
−
napięciowych, dlatego
współczynnik wzmocnienia prądowego
−
waha się od 5 do 10.
O wartości strat przełączania łącznika decyduje charakter obciążenia tranzystora w
czasie przełączania.
Rys.2. Przebieg prądu kolektora ic i napięcia kolektor
−
emiter u
ce
tranzystora podczas
przełączania
Energię strat przełączania dla obciążenia indukcyjnego E
ŁL
można określić ja-
ko:
( ) ( )
( ) ( )
(
)
∫
∫
+
≈
⋅
+
⋅
=
w
z
t
f
r
z
C
CE
T
C
CE
LŁ
t
t
I
U
dt
t
i
t
u
dt
t
i
t
u
E
0
0
0
2
1
a średnia moc strat przełączania łącznika obciążonego indukcyjnie wynosi:
(
)
p
f
r
z
LŁ
f
t
t
I
U
P
+
=
0
2
1
5
W podany sposób wyznaczyć możemy straty przełączania łącznika z obciążeniem
rezystancyjnym P
ŁR
.
Rys.3. Przełączanie klucza tranzystorowego z obciążeniem rezystancyjnym R
0
.
∫
∫
+
⋅
−
⋅
+
+
⋅
−
⋅
≈
r
f
t
t
f
f
z
z
r
z
r
ŁR
I
t
t
I
t
U
dt
U
t
t
U
t
I
E
0
0
0
0
0
stąd:
(
)
p
f
r
o
z
ŁR
f
t
t
I
U
P
+
≈
6
1
Porównując straty przełączania łącznika przy obciążeniu indukcyjnym P
ŁL
z obciąże-
niem rezystancyjnym P
ŁR
dochodzimy do wniosku iż :
Ł
ŁL
P
P
3
=
Należy także wspomnieć iż straty przełączania występują również w przypad-
ku włączenia elementów biernych do obwodu wyjścia tranzystora. Najczęstszym
współpracującym członem obwodu wyjściowego jest obciążenie pojemnościowe
RCD, gdzie odpowiednia wielkość rezystancji Rc zmniejsza wpływ prądu rozładowa-
nia kondensatora ik na straty tranzystora w czasie załączania.
Rys.4. Przełączanie tranzystora z obciążeniem pojemnościowym RCD
dla dynamicznych stanów pracy.
(
)
f
r
z
ŁR
t
t
I
U
E
+
≈
0
6
1
6
Przebieg prądu kolektora i
c
i napięcia kolektor – emiter U
ce
można opisać jako:
2
=
f
c
ce
t
t
U
U
C
t
I
U
f
c
2
0
⋅
=
−
=
f
c
t
t
I
i
1
0
Stąd energia strat przy wyłączaniu tranzystora E
ŁCwył
, wynosi:
( ) ( )
∫
∫
−
⋅
≈
⋅
=
f
f
t
t
f
f
f
c
ce
ŁCwy
dt
t
t
t
t
C
t
I
dt
t
i
t
U
E
0
0
2
2
0
1
2
f
f
ŁCwy
t
I
U
C
t
I
E
⋅
⋅
=
⋅
=
0
0
2
2
0
12
1
24
Energia strat przełączania wynosi:
r
z
f
ŁCzal
ŁCwy
ŁC
t
I
U
T
I
U
E
E
E
⋅
⋅
+
⋅
⋅
=
+
=
0
0
0
2
1
12
1
Moc strat przełączania dla układu wynosi:
p
r
z
f
ŁC
f
I
t
U
t
U
P
⋅
+
⋅
≈
0
0
2
1
12
1
Zastosowanie członu RCD zmniejsza straty wyłączania łącznika kosztem zmniejsze-
nia maksymalnej częstotliwości przełączania f
p
, którą ogranicza stała czasowa rozła-
dowania kondensatora
τ
= R
c
·C.
Wartość średnią mocy strat tranzystora w układzie impulsowym możemy określić
jako:
T
Ł
AV
P
P
P
+
=
gdzie:
P
Ł
– straty przy przełączaniu (komutacyjne)
P
T
– straty statyczne pracy tranzystora.
7
Rys.5. Zależność mocy strat P
AV
tranzystora pracującego impulsowo dla różnych
obciążeń.
Dla przerywacza tranzystorowego w funkcji częstotliwości przełączania dla
quasi ustalonych warunków pracy częstotliwość graniczną f
0
to wynosi:
(
)
f
r
z
T
L
t
t
I
U
P
f
+
⋅
=
0
0
2
(
)
f
r
z
T
R
t
t
I
U
P
f
+
⋅
=
0
0
6
przy zastosowaniu członu RCD dla obciążenia indukcyjnego:
⋅
+
⋅
=
r
z
f
T
C
t
U
t
U
I
P
f
12
1
12
1
0
0
0
Częstotliwość graniczną f
0
umożliwia określenie przedziału częstotliwości, dla które-
go istnieje konieczność uwzględnienia w ogólnym bilansie strat tranzystora, strat ko-
mutacyjnych. Skuteczną metodą obniżania wartości tych strat jest dołączenie odpo-
wiednich sieci biernych w obwodzie wyjściowym tranzystora zmieniających charakter
jego obciążenia w czasie przełączania.
Literatura
J.Szymański: „Straty tranzystorów mocy podczas pracy impulsowej” Zeszyty Nauko-
we – PR TK nr 5/87