Energoelektronika

– dział nauki zajmujący się przetwarzaniem energii

elektrycznej o danych parametrach w energię elektryczną o zadanych
parametrach. Energoelektronika w ogólności obejmuje analizę, projektowanie,
sterowanie oraz wytwarzanie układów przekształtnikowych zbudowanych na
bazie elementów półprzewodnikowych mocy.

********************************************************

ELEMENTY ENERGOELEKTRONICZNE

ORAZ ICH WŁASNOŚCI

(półprzewodnikowe przyrządy mocy, łączniki energoelektroniczne, zawory)

Podział półprzewodnikowych elementów energoelektronicznych

1. Elementy niesterowane – diody krzemowe
2. Elementy sterowane:

a. elementy nie w pełni sterowane (tyrystory SCR).
b. elementy w pełni sterowane (tyrystory GTO, tranzystory IGBT, tranzystory

MOSFET ).

*****************************************************************

Diody mocy

Tylko diody krzemowe

Dwa stany pracy:

1) zaporowy: u

D

≤ 0 (i

D

≤ 0),

2) przewodzenia: u

D

> 0 (i

D

> 0).

Rys. 2.2. Charakterystyka prądowo- napięciowa

diody

U

D0

≈ 0,7 V

Rys. 2.1. Symbol diody

Zmiany stanu pracy diody:

• przejście ze stanu zaporowego do przewodzenia następuje prawie natychmiast (z

punktu widzenia potrzeb energoelektroniki),

• przejście ze stanu przewodzenia do zaporowego wymaga pewnego czasu, istotnego w

układach pracujących z częstotliwościami powyżej kilku kHz.

Rys. 2.3. Uproszczony przebieg prądu diody

podczas przejścia ze stanu przewodzenia do

zaporowego

Diody zwykłe: t

wył

> 1 µsec

(prostowniki, regulatory prądu przemiennego, falowniki prądu)


Diody szybkie: t

wył

< 1 µsec

(falowniki napięcia, układy impulsowe)

*****************************************************************

2

Tyrystor SCR

(element nie w pełni sterowany)

Trzy stany pracy:

1. zaporowy: u

T

≤ 0 (i

T

≤ 0),

2. blokowania: u

T

> 0 oraz 0 < i

T

< i

H

,

3. przewodzenia: i

T

> i

H

.

gdzie: i

H

– prąd podtrzymania tyrystora

Rys. 2.4. Symbol tyrystora

U

T0

≈ 1,1 V

Rys. 2.5. Charakterystyka prądowo - napięciowa

tyrystora

Zmiany stanu pracy tyrystora:

• załączenie tyrystora wymaga przepływu w obwodzie bramka G – katoda K impulsu

prądowego. Ten impuls ma trwać tak długo, aż prąd tyrystora narośnie powyżej prądu
podtrzymania i

H

.

• wyłączenie tyrystora wymaga, prąd tyrystora był mniejszy od prądu podtrzymania

przez odpowiednio długi czas; czasy wyłączania tyrystora wynoszą kilkadziesiąt µsec,
a dla tyrystorów najwyższych mocy wynoszą nawet 200 µsec,

Tyrystor jest sterowany prądowo.

Tyrystory charakteryzują się dużą przeciążalnością prądową
(10-15) x I

N

w czasie 10 msec

3

Rys. 2.6. Uproszczone przebiegi napięcia na tyrystorze

oraz prądu tyrystora podczas procesu wyłaczania

Parametry dynamiczne tyrystora:

t

i

T

d

d

–

krytyczna stromość narastania prądu tyrystora; przekroczenie krytycznej stromości

narastania prądu tyrystora może prowadzić do lokalnego przegrzania struktury
półprzewodnikowej.

t

u

T

d

d

–

krytyczna stromość narastania napięcia blokowania tyrystora; przekroczenie

krytycznej stromości narastania napięcia blokowania tyrystora może prowadzić do
niekontrolowanego załączenia tyrystora (wpływ pasożytniczej pojemności między anodą a
bramką tyrystora).


Tyrystory zwykłe: (prostowniki, regulatory prądu przemiennego, falowniki prądu)


Tyrystory szybkie: czasy wyłączania w zakresie 6

–

60 µsec

(tyrystorowe falowniki napięcia, układy impulsowe)

4

Tyrystor dwukierunkowy TRIAK

(element w nie pełni sterowny)

Rys. 2.7. Charakterystyka prądowo -

napięciowa triaka

Połączenie przeciwsobne dwóch
tyrystorów w jednej obudowie.

Triak nie ma stanu zaporowego




Zastosowanie: regulatory prądu
przemiennego małej mocy

*****************************************************************

Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (IGBT)

Rys. 2 8. Symbol tranzystora

bipolarnego z izolowaną bramką

(IGBT)

Stany pracy IGBT

• przewodzenia: U

GE

≈ +15 V,

• nieprzewodzenia: U

GE

≈ –15 V,

Podstawowe właściwości:

• sterowanie napięciowe,

• bramka izolowana od obwodu kolektor – emiter,

• krótkie czasy załączania oraz wyłączania,

przeciętnie rzędu 0,5 – 1,5 µsec,

• napięcie kolektor – emiter U

CE

w stanie przewodzenia

wynosi przeciętnie 1,5 – 2,5 V,

• integralnie dołączona dioda zwrotna,

• częstotliwość pracy nawet do 50 kHz.

Tranzystor IGBT w sposób ciągły może pracować tylko w obszarze nasycenia lub w
obszarze odcięcia charakterystyk i

c

= f(U

CE

).

5

Podstawowy układ sterowania tranzystora IGBT:

Rys. 2.9. Układ sterowania tranzystora IGBT

Tranzystory IGBT sterowane są sygnałem ciągłym.

Charakteryzują się małą (w stosunku do tyrystorów) przeciążalnością prądową;
2 x I

N

w czasie 1 msec

Ochrona tranzystorów IGBT przed przepięciami

Rys. 2.10. Podstawowy układ

ochrony przeciwprzepięciowej

IGBT tranzystora IGBT

L

p

– indukcyjność (pasożytnicza) linii

zasilającej (indukcyjność rozłożona)

L

0

,R

0

– odbiornik,

C

S

, D

S

, R

S

– elementy układu

zabezpieczenia przeciwprzepięciowego

Ochrona tranzystorów IGBT przed przetężeniami i zwarciami

Ze względu na małą przeciążalność prądową tranzystory IGBT zabezpiecza się przed

przetężeniami tylko na drodze elektronicznej. Konieczna jest kontrola prądu tranzystora
(poprzez włączenie dodatkowej rezystancji lub kontrolując napięcie kolektor – emiter w
stanie przewodzenia). Po wykryciu przekroczenia maksymalnej, dopuszczalnej wartości
prądu tranzystor musi zostać wyłączony przez zmianę napięcia sterowania U

GE

w możliwie

najkrótszym czasie.

6