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