UKŁADY

UKŁADY

ENERGOELEKTRONICZNE

ENERGOELEKTRONICZNE

Wykład
II

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

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 [2]

Charakterystyka diody [2]

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)

„

„

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

[2] (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

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)

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 [1]

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

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

Tranzystor MOSFET (2)

Tranzystor MOSFET (2)

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

„

„

Miękkie” przełączanie

Miękkie” przełączanie

łączników

łączników

Przełączanie przy zerowym prądzie (ZCS – zero current switching)

Przełączanie przy zerowym napięciu (ZVS – zero voltage switching)

Literatura

Literatura

1.

Tondos M.:

Podstawy energoelektroniki - materiały
dydaktyczne

, strona

http://tsunami.kaniup.agh.edu.pl/

dydaktyka.html

2.

Tondos M.:

Elementy energoelektroniczne - materiał
y dydaktyczne

, strona

http://tsunami.kaniup.agh.edu.pl

/dydaktyka.html