Energoelektronika  dział nauki zajmujący się przetwarzaniem energii
elektrycznej o danych parametrach w energiÄ™ elektrycznÄ… o zadanych
parametrach. Energoelektronika w ogólności obejmuje analizę, projektowanie,
sterowanie oraz wytwarzanie układów przekształtnikowych zbudowanych na
bazie elementów półprzewodnikowych mocy.
********************************************************
ELEMENTY ENERGOELEKTRONICZNE
ORAZ ICH WA
ASNOÅšCI
(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: uD d" 0 (iD d" 0),
2) przewodzenia: uD > 0 (iD > 0).
Rys. 2.1. Symbol diody
UD0 H" 0,7 V
Rys. 2.2. Charakterystyka prądowo- napięciowa
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 prÄ…du diody
podczas przejścia ze stanu przewodzenia do
zaporowego
Diody zwykÅ‚e: twyÅ‚ > 1 µsec
(prostowniki, regulatory prÄ…du przemiennego, falowniki prÄ…du)
Diody szybkie: twyÅ‚ < 1 µsec
(falowniki napięcia, układy impulsowe)
*****************************************************************
2
Tyrystor SCR
(element nie w pełni sterowany)
Trzy stany pracy:
1. zaporowy: uT d" 0 (iT d" 0),
2. blokowania: uT > 0 oraz 0 < iT < iH ,
3. przewodzenia: iT > iH .
gdzie: iH  prÄ…d podtrzymania tyrystora
Rys. 2.4. Symbol tyrystora
UT0 H" 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 iH.
" wyłączenie tyrystora wymaga, prąd tyrystora był mniejszy od prądu podtrzymania
przez odpowiednio dÅ‚ugi czas; czasy wyÅ‚Ä…czania tyrystora wynoszÄ… kilkadziesiÄ…t µsec,
a dla tyrystorów najwyższych mocy wynoszÄ… nawet 200 µsec,
Tyrystor jest sterowany prÄ…dowo.
Tyrystory charakteryzują się dużą przeciążalnością prądową
(10-15) x IN w czasie 10 msec
3
Rys. 2.6. Uproszczone przebiegi napięcia na tyrystorze
oraz prądu tyrystora podczas procesu wyłaczania
Parametry dynamiczne tyrystora:
diT
 krytyczna stromość narastania prądu tyrystora; przekroczenie krytycznej stromości
dt
narastania prądu tyrystora może prowadzić do lokalnego przegrzania struktury
półprzewodnikowej.
duT
 krytyczna stromość narastania napięcia blokowania tyrystora; przekroczenie
dt
krytycznej stromości narastania napięcia blokowania tyrystora może prowadzić do
niekontrolowanego załączenia tyrystora (wpływ pasożytniczej pojemności między anodą a
bramkÄ… tyrystora).
Tyrystory zwykłe: (prostowniki, regulatory prądu przemiennego, falowniki prądu)
Tyrystory szybkie: czasy wyÅ‚Ä…czania w zakresie 6  60 µsec
(tyrystorowe falowniki napięcia, układy impulsowe)
4
Tyrystor dwukierunkowy TRIAK
(element w nie pełni sterowny)
Połączenie przeciwsobne dwóch
tyrystorów w jednej obudowie.
Triak nie ma stanu zaporowego
Zastosowanie: regulatory prÄ…du
przemiennego małej mocy
Rys. 2.7. Charakterystyka prÄ…dowo -
napięciowa triaka
*****************************************************************
Tranzystor bipolarny z izolowanÄ… bramkÄ… (IGBT)
Stany pracy IGBT
" przewodzenia: UGE H" +15 V,
" nieprzewodzenia: UGE H"  15 V,
Rys. 2 8. Symbol tranzystora
bipolarnego z izolowanÄ… bramkÄ…
Podstawowe właściwości:
(IGBT)
" sterowanie napięciowe,
" bramka izolowana od obwodu kolektor  emiter,
" krótkie czasy załączania oraz wyłączania,
przeciÄ™tnie rzÄ™du 0,5  1,5 µsec,
" napięcie kolektor  emiter UCE 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 ic = f(UCE).
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 IN w czasie 1 msec
Ochrona tranzystorów IGBT przed przepięciami
Lp  indukcyjność (pasożytnicza) linii
zasilającej (indukcyjność rozłożona)
L0,R0  odbiornik,
CS, DS, RS  elementy układu
zabezpieczenia przeciwprzepięciowego
Rys. 2.10. Podstawowy układ
ochrony przeciwprzepięciowej
IGBT tranzystora IGBT
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 UGE w możliwie
najkrótszym czasie.
6