Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie			Grupa 2 Zespół: 6 Marcin Szybowski
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
Ćwiczenie: Nr 1	Temat: Badanie właściwości i układów wyzwalania tyrystorów (SCR , GTO) i tranzystorów (IGBT)
Data wykonania: 21.11.2002			Data oddania: 12.12.2002	Ocena:

1. Cel ćwiczenia :

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi układami energoelektronicznymi wykorzystującymi przyrządy półprzewodnikowe : nie w pełni sterowane - tyrystor SCR, i w pełni sterowane - tranzystory z izolowaną bramką IGBT oraz tyrystor GTO.

2. Wiadomości podstawowe

Przyrządy półprzewodnikowe mocy (skrótowo ppm), inaczej nazywane też zaworami półprzewodnikowymi są to wszystkie elementy półprzewodnikowe, pracujące jako przyrządy dwustanowe (stan włączenia i stan wyłączenia). Jest to podstawowa i najważniejsza cecha różniąca je od typowych elementów elektronicznych. Dzięki pracy dwustanowej uzyskuje się zdecydowanie mniejsze straty mocy na zaworze. Zadaniem ppm jest przetwarzanie oraz sterowanie przepływem energii elektrycznej

3. Wykonanie ćwiczenia :

W trakcie ćwiczenia zapoznawaliśmy się z różnymi elementami półprzewodnikowymi. Oto one :

Tyrystor SCR

Tyrystory nazywane dawniej też diodami krzemowymi sterowanymi są przyrządami półprzewodnikowymi o charakterystycznej strukturze typu p-n-p-n .Charakterystyczną cechą tyrystora jest możliwość załączenia go poprzez podanie impulsu na jego bramkę, natomiast nie ma możliwości wyłączenia tyrystora poprzez obwód bramki tylko w wyniku obniżenia się prądu przewodzenia tyrystora poniżej granicy tzw. prądu podtrzymania tyrystora I_H (ang. Hold - podtrzymanie).

Charakterystyki prądowo-napięciowe oraz parametry katalogowe

W przypadku tyrystora chodzi o zależność prądu płynącego przez anodę w funkcji napięcia panującego między anodą i katodą. Przedstawiono ją na rys.1. W kierunku zaporowym charakterystyka zbliżona jest kształtem do charakterystyki zaporowej diody. Płynący wtedy prąd ma niewielką wartość do granicy po której następuje przebicie lawinowe elementu. Tyrystor może pracować przy wartościach napięcia sięgających 10 [kV]. Przy polaryzacji dodatniej złącza występują dwa stany: blokowania i załączenia - przewodzenia - tyrystora. Oba są widoczne na charakterystyce. Tyrystor może przewodzić wtedy prądy o wartości rzędu 2000-3000 [A], a występujący na złączu spadek napięcia wynosi wtedy zaledwie kilka woltów.

Rys 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa tyrystora SCR

Charakterystyki prądowo-napięciowe przedstawiają ważniejsze parametry tyrystora, dlatego są one ważną częścią not katalogowych. Na ich podstawie łatwo można odczytać podstawowe parametry konkretnego modelu tyrystora. Poniżej przedstawiłem ważniejsze z nich wraz z innymi parametrami katalogowymi:

Parametry graniczne prÄ…dowe:

• maksymalny Å›redni prÄ…d przewodzenia I_T(AV)M ;

• maksymalny prÄ…d skuteczny I_T(RMS) ;

• niepowtarzalny szczytowy prÄ…d przewodzenia I_­TSM ;

• prÄ…d podtrzymania (prÄ…d wyÅ‚Ä…czania) I_H - jest minimalnÄ… wartoÅ›ciÄ… prÄ…du pÅ‚ynÄ…cego przez tyrystor, utrzymujÄ…cÄ… go w stanie przewodzenia. Wartość ta wraz z wielkoÅ›ciÄ… napiÄ™cia podtrzymania U_H - wyznaczajÄ… minimum przy którym tyrystor jeszcze przewodzi;

• minimalny prÄ…d zaÅ‚Ä…czania I_L - minimalna wartość prÄ…du pÅ‚ynÄ…cego przez tyrystor, konieczna do uzyskania stabilnego stanu przewodzenia.

Parametry graniczne napięciowe:

• powtarzalne szczytowe napiÄ™cie wsteczne U_RRM ;

• niepowtarzalne szczytowe napiÄ™cie wsteczne U_RSM ;

• powtarzalne szczytowe napiÄ™cie blokowania U_DRM ;

• niepowtarzalne szczytowe napiÄ™cie blokowania U_DSM ;

• klasa napiÄ™ciowa - liczba odpowiadajÄ…ca iloÅ›ci setek woltów napiÄ™cia wstecznego i blokowania, ponieważ z reguÅ‚y U_RRM=U_DRM ;

Pozostałe wykresy

Rys 2. Charakterystyki bramkowe.

Dzięki nim możemy dowiedzieć się o warunkach załączania tyrystora.

Rys.3 Układ sterowania tyrystorów .

Podczas zajęć omówiliśmy pracę tyrystora SCR o następujących parametrach :

• maksymalne napiÄ™cie blokowania powtarzalne U_DRM = 1200 V ,

• maksymalna wartość prÄ…du bramki I_TGO = 25 A .

Oraz omówiliśmy i obserwowaliśmy budowę i działanie prostownika z tyrystorem SCR , którego schemat przedstawiłem poniżej :

Rys.4 Prostownik sterowany z tyrystorem SCR .

Na oscyloskopie obserwowaliśmy przebieg na odbiorniku oraz tyrystorze .

Tyrystor GTO

Tyrystor GTO jest tyrystorem w pełni sterowalnym ponieważ może być załączany i wyłączany prądem bramki. Charakterystyki statyczne są podobne do charakterystyk SCR z wyjątkiem stanu zaporowego gdyż tyrystory GTO mają wytrzymałość napięciową na napięcia wsteczne do kilkunastu wolt.

Wyłączanie i załączanie GTO

Pod wpływem przepływu dodatniego prądu bramki kolejne elementy tyrystora wchodzą w stan przewodzenia - tyrystor wchodzi w stan załączania. W stanie przewodzenia spadek napięcia między anodą i katodą wynosi od 2,7 do 3,5V. Wyłączenie tyrystora powoduje doprowadzenie do bramki tyrystora ujemnego impulsu prądowego o dużej stromości narastania [ (di/dt)=30÷45 (A/μs) ] i dużej amplitudzie. Należy również pamiętać, że napięcie na tyrystorze nie może przekroczyć napięcia dopuszczalnego przez producenta .

Rys 7. Przebiegi prądowo-napięciowe obwodu anody i bramki w stanach dynamicznych - włączanie i wyłączanie tyrystora GTO.

Podczas zajęć omówiliśmy pracę tyrystora GTO ( SG700 ) następujących parametrach :

• maksymalne napiÄ™cie blokowania powtarzalne U_DRM = 1300 ÷ 2500 V

• maksymalna wartość prÄ…du bramki I_TGO = 700 A ,

Oraz omówiliśmy i obserwowaliśmy budowę i działanie układu przekształtnika impulsowego z tyrystorem GTO .

Obserwujemy impuls załączający i wyłączający na oscyloskopie .

Amplituda stałego przebiegu : 3,5 A . Minimalny czas pomiędzy impulsem załączonym i wyłączonym wynosi 148 μs .

Tabela prezentuje wybrane wartości doświadczalne odpowiednich prądów

główny prąd tyrystora [A]	prąd wyłączenia w obwodzie [A]
50	56,5
60	63,8
85	74,2
125	89,3
250	122,6

Rys.10 Charakterystyka f=I_o(I_t)

Przekształtnik impulsowy
Napięcie [V]	Częstotliwość [Hz]
15	500
20	417
25	250
30	125
40	300

Rys.11 Charakterystyka f=f(U)

Tranzystor bipolarny z izolowanÄ… bramkÄ… - IGBT

Tranzystory IGBT (bipolarne z izolowaną bramką) są intensywnie rozwijającą się grupą tranzystorów przełączających w których występuje sterowanie napięciowe, a przepływ prądu między kolektorem a emiterem odbywa się przy udziale nośników większościowych i mniejszościowych, tak więc IGBT łączą w sobie korzystne właściwości BJT i MOS-FET. W normalnych warunkach pracy IGBT kolektor jest spolaryzowany dodatnie względem emitera. W procesie wyłączania w przebiegu prądu można obserwować zjawisko powolnego opadania prądu resztkowego (ogona), co zwiększa straty wyłączania tyrystora zwłaszcza przy dużych częstotliwościach. Nie występuje natomiast zjawisko 2 przebicia. Dodatkowa zaleta to małe napięcia przewodzenia, nawet przy dużych prądach obciążeniowych.

4. Wnioski :

Podsumowując, tyrystory SCR i GTO oraz tranzystor IGBT są jednymi z wielu elementów występujących w elektroenergetyce. Jednak większość z nich bazuje w większym lub mniejszym stopniu na elementach podstawowych czyli SCR i BJT. Każda z nowszych konstrukcji ma swoje wady i zalety. Np. tyrystor GTO może być wyłączony prądem bramki(plus), ale ma wytrzymałość napięciową na napięcie wsteczne mniejszą(minus).

Stąd wniosek, że starsze elementy półprzewodnikowe będą jeszcze długo współistniały z nowszymi elementami wzajemnie się uzupełniając.

---