Image77 (4)

Podstawy

U w, ktorego najwyższa wartość nie może przekroczyć pewnej wartości granicznej zwanej napięciem przebicia Upk Każda dioda mocy określana jest klasą napięciową. Klasa ta to nic innego jak wartość po wytarzał nego maksymalnego napięcia wstecznego U*_p, które może wystąpić na diodzie w każdym okresie napięcia i wyrażone jest w setkach woltów. Innym ważnym parametrem diody jest niepowtarzalne maksymalne napięcie wsteczne Uwi*>. Napięcie to może pojawiać się na diodzie sporadycznie, nie powodując jej uszkodzenia, ale absolutnie nie może być przekraczane.

Dioda mocy znajdująca się w stanie przewodzenia posiada bardzo małą rezystancję (rzędu mfl), wskutek czego przez diodę może płynąć prąd przewodzenia (Ip), którego wartość zależeć będzie głównie od wartości rezystancji odbiornika. Tak jak w stanic zaporowym dioda określana jest przez klasę napięciową, tak w stanie przewidzenia dla każdej diody określa się klasę prądową. Klasę prądową określa maksymalny średni prąd przewodzenia (Ipśt), który określany jest jako prąd znamionowy diody mocy. Poza tym innymi ważnymi parametrami diody w stanie przewodzenia są: niepowtarzalny maksymalny prąd przewodzenia Ipnp oraz skuteczny prąd przewodzenia Ipsk. Jako ciekawostkę warto podać, że dla diod energetycznych o napięciach Uw,> ^> 2,8kV temperaturowy zakres pracy wynosi od -40°C do +15ITC. natomiast dla Uwp < lkV wzrasta do -H90°C.

Spośród wszystkich energoelektronicz-nych półprzewodnikowych przyrządów diody mocy charakteryzują się najw iększymi prądami przewodzenia

Tranzystory mocy

Kolejną grupą przyrządów, które należałoby bliżej poznać, są tranzystory mocy. Należą one do przyrządów sterowalnych, czyli istnieje możliwość zmiany ich stanu za pomocą sygnału sterującego doprowadzonego specjalną elektrodą, i są wykorzystywane w urządzeniach energoelektronicznych jako łączniki. Tranzy stor mocy podobnie jak tranzystor „elektroniczny** może znajdować się w stanie blokowania (wyłączenia, odcięcia) lub przewodzenia (załączenia). We współczesne] energoelektronice znajdują praktyczne zastosowanie cztery podstawowe rodzaje tranzystorów mocy:

-    bipolarny tranzystor mocy BJT,

-    unipolarny tranzystor mocy MOSFET,

-    bipolarny tranzystor z izolowaną bramką IGBT,

-    tranzystor elektrostatyczny SIT.

Każdemu elektronikowi znane są trzy podstawowe układy pracy tranzystora. Jednak w energoelektronice wykorzystywany jest wyłącznie układ ze wspólnym emiterem (OE), w którym prąd kolektora lc jest sterowany prądem bazy Ib. Przerwanie przepływu prądu Ic uzyskuje się przez zanik prądu In.

W przypadku, gdy prąd kolektora Ic jest >100A, wykonuje się kaskadowe połączenia tranzystorów w powszechnie znane układy Darlingtona.

Tranzystor MOSFET charakteryzuje się krótszymi czasami przełączania w porównaniu do BJT. Zatem może on pracować przy częstotliwościach puwyżej 100kHz, ale już przy około 15kHz okazuje się bardziej „oszczędny”, czyli pusiada mniejsze straty mocy niż tranzystor BJT.

Dużą szybkość przełączania i małą rezystancją baza-emiter charakteryzuje się tranzystor bipolarny z izolowaną bramką IGBT. Tranzystor ten ma wiele zalet, takich jak: duża impcdancja wejściowa, duża szybkość przełączania, duża dopuszczalna gęstość prądu oraz duży obszar bezpiecznej pracy. Dzięki temu zaczyna on wypierać z użycia w przekształtnikach takie konwencjonalne przyrządy jak: tyrystory, triaki i tranzystory bipolarne. Zastosowany w przekształtniku energoelektronicz-nym tranzystor IGBT potrzebuje do poprawnej pracy dodatkowej diody bocznikującej jego zaciski kolektor-emiter. Obecnie diodę tę umieszcza się już w strukturze tranzystora IGBT, co nie wymaga od konstruktora przekształtnika jej uw-zględniar.ia na etapie projektu. Podstawową charakterystykę tranzystora IGBT przedstawia rysunek 5.

Ostatnią grupę wśród tranzystorów stanowią tranzystory SIT. W porównaniu z MOSFET mają one znacznie krótsze czasy przełączeń, co umożliwia pracę z częstotliwościami od 30 do 300kHz. Innymi ich zaletami są: duża wartość napięcia wstecznego, korzystna pod względem cieplnym konstrukcja oraz zdolność przenoszenia dużych mocy. Obecnie trwa intensywny rozwój tej grupy tranzysto-

Rys. 4 Charakterystyka główna

energoełektronicznej diody mocy

Rys. 5 Podstawowa charakterystyka tranzystora IGBT

rów i można oczekiwać wzrostu ich zastosowań w niedalekiej przyszłości.

Tyrystory

Przejdźmy do kolejnej grupy przyrządów półprzewodnikowych mocy, jakimi są tyrystory. Opracowano wiele rodzajów' struktur tyrystorowych, jednak w energoelektronice szersze zastosowanie znalazły:

-    tyrystor blokujący wstecznie (SCR) zwany też zwykłym lub konwencjonalnym,

-    asymetryczny tyrystor (ASCR),

-    tyrystor przewodzący wstecznie (RCT),

-    tyrystor wyłaczalny (GTO).

-    tyrystor elektrostatyczny (SITh),

-    tyrystor dwukierunkowy (TRIAK).

-    fototyrystor sterowany sygnałem świetlnym (LTT).

Pierwszy z nich został zastosowany w 1957 roku i zapoczątkował rozwój energoelektroniki. Po dziś dzień dominuje w układach najwyższej mocy pracujących z niedużymi częstotliwościami. Podstawową charakterystykę takiego tyrystora przedstawiono na rysunku 6.

Widać, że tyrystor może znajdować się w następujących stanach pracy:

-    stabilny stan blokowania I - zawarty na charakterystyce między punktem 0 a punktem przełączania P_przci (Up_pi7*ł). Na położenie punktu P_pr,cł na charakterystyce ma wpływ prąd bramki Ir oraz w mniejszym stopniu temperatura złącza Wzrost prądu I» powoduje, że maleje wartość Upptwt.

-    niestabilny stan przełączania II zawarty pomiędzy punktem P_pr2ct a punktem odpowiadającym prądowi załączania 1/

-    stabilny stan przewodzenia III znajdujący się powyżej punktu odpowiadającego prądowi załączenia Iz. W tym stanie tyrystor ma rezystancję rzędu m£i, a zatem prąd przewodzenia płynący przez tyrystor jest praktycznie ograniczony rezystancją odbiornika. Tyrystor pozostaje w stanie przewodzenia, dopóki wartość prądu przewodzenia Ip nic spadnie poniżej wartości prądu wyłączenia Iwył na czas niezbędny do jego wyłączenia

-    stan zaporowy IV zawarty pomiędzy punktem 0 a punktem przebicia Pm-k*). W tym stanic, przy braku prądu bramki tyrystor ma bardzo dużą rezystancję (jak w stanic I) dlatego płynie przez niego bardzo mały prąd wsteczny Iw.

-    stan przebicia lawinowego V - występuje on

Rys. 6 Charakterystyka tyrystora SCR

22 Czerwiec 2006 Elektronika dla Wszystkich