1. Tranzystory mocy.

1
Praca dwustanowa półprzewodnikowych
elementów mocy – straty statyczne i dynamiczne.
Tranzystory mocy w układach energoelektronicznych
Tranzystory mocy pracują w układach falowników i przerywaczy prądu stałego
dwustanowo , współpracują one z urządzeniami o mocy do 1500 kVA, a częstotliwość ich przełączania osiąga wartość 20 ÷ 50 kHz. Na przykładzie tranzystora bipolarnego omówiono przebieg strat statycznych i dynamicznych (przełączania) w układach energoelektronicznych.
Straty tranzystorów mocy pracujących dwustanowo
W elementach półprzewodnikowych podczas pracy występują straty mocy
czynnej które powodują grzanie się struktury półprzewodnikowej, co może spowodować trwałe uszkodzenie elementów w skutek nieodpowiednich warunków termicznych pracy. W warunkach ustalonej wymiany cieplnej w układach tranzystorów mocy
ilość energii cieplnej wydzielonej w strukturze półprzewodnika jest równa ilości tej
energii odprowadzanej do czynnika chłodzącego.
Moc średnia strat tranzystora PAV, pracującego w warunkach równowagi
cieplnej można określić z zależności:
PAV =
V j − Va
Rthj − a
gdzie:
Vj, Va − odpowiednio, średnia temperatura struktury półprzewodnikowej
i czynnika chłodzącego,
Rthj-a − całkowita rezystancja cieplna drogi struktura półprzewodnika − czynnik chłodzący
Dla zapewnienia właściwych termicznych warunków pracy tranzystora należy
spełnić warunek :
V j ≤ V j max
V j = Va + Rthj − a ⋅ PAV
gdzie:
Vj max − maksymalna dopuszczalna temperatura struktury półprzewodnikowej.
2
Wartość średnią mocy strat tranzystora w układzie impulsowym możemy
określić jako:
PAV = PŁ + PT
gdzie:
PŁ − straty przy przełączaniu tranzystora (straty komutacyjne),
PT − straty statyczne pracy tranzystora.
Tranzystor pełniąc rolę przerywacza prądu stałego może znajdować się w stanie nasycenia, łącznik przewodzi, lub w stanie zatkania, łącznik nie przewodzi. Tranzystor w układzie wspólnego emitera WE. Energię strat w stanie przewodzenia i nieprzewodzenia łącznika tranzystorowego określić można po wyznaczeniu okresów
przewodzenia i nieprzewodzenia w czasie jednego cyklu.
Ti = α i ⋅ Ti + [(1 − α i Ti ) − (t z + t w )]
gdzie:
tz + tw − czas komutacji tranzystora mocy .
Rys.1. Przerywacz tranzystorowy z obciążeniem indukcyjnym RLE−D
3
Energia strat przerywacza w czasie pracy statycznej która wynosi:
WE = αi ⋅Ti (Pcz + PBZ ) + [(1−αi )Ti − (t z + tw )](Pcw + PBW )
gdzie:
α=tp/Ti − współczynnik wypełnienia i-tego cyklu pracy łącznika,
tp − czas przebywania łącznika w stanie przewodzenia,
Ti − czas trwania i-tego cyklu pracy łącznika,
PCZ, PCW − średnia moc strat obwodu kolektorowego, odpowiednio dla stanu
przewodzenia i nieprzewodzenia łącznika,
PBZ, PBW − średnia moc strat obwodu bazy , odpowiednio dla stanu przewodzenia i nieprzewodzenia łącznika ,
tz, tw − odpowiednio czasy załączania i wyłączania tranzystora.
Średnie moce strat można zapisać jako:
PCZ = U CEsat I 0
PCW = U Z I CE 0
PBZ = U BEsat I B
PBW = U EBR I EBR
gdzie:
UCE sat − napięcie nasycenia złącza kolektor - emiter,
UBE sat − napięcie złącza emiter - baza tranzystora w stanie nasycenia ,
ICEO − prąd zaporowy złącza kolektor - emiter,
UEBR, IEBR − napięcie złącza emiter - baza i prąd bazy w czasie wstecznej
polaryzacji obwodu wejściowego tranzystora.
Straty tranzystora w stanie nieprzewodzenia prądu kolektorowego Ic są pomijalnie małe:
ETi = α i ⋅ Ti (PCZ + PBZ )
Straty przewodzenia obwodu wejściowego tranzystora PBZ są znaczne dlatego uwzględniamy je w stratach przewodzenia tranzystora mocy PT.
1 i= N
PTi = ∑ α i ⋅ Ti (PCZ + PBZ )
T i =0
gdzie:
N – ilość cykli pracy przerywacza na jednostkę czasu – T.
4
Dla ustalonych warunków sterowania przerywacza:
f p = const
α = const
gdzie:
fp – częstotliwość przełączeń przerywacza, wtedy:
PT = α ⋅ T p (PCZ + PBZ ) ⋅ f p = α ⋅ (PCZ + PBZ )
Średnia moc strat przerywacza tranzystorowego PT jest proporcjonalna do
współczynnika wypełnienia impulsu i nie zależy od częstotliwości przełączeń fp.
Straty przełączania PŁ charakteryzujące zjawisko zachodzące w czasie zmiany stanu
pracy łącznika zależą od częstotliwości przełączeń fg, sposobu sterowania obwodu
wejściowego łącznika, charakteru obciążenia, prądowo−napięciowych warunków
pracy oraz właściwości dynamicznych tranzystora.
Tranzystory mocy pracują w granicznych warunkach prądowo−napięciowych, dlatego
współczynnik wzmocnienia prądowego−waha się od 5 do 10.
O wartości strat przełączania łącznika decyduje charakter obciążenia tranzystora w
czasie przełączania.
Rys.2. Przebieg prądu kolektora ic i napięcia kolektor−emiter uce tranzystora podczas
przełączania
ko:
Energię strat przełączania dla obciążenia indukcyjnego EŁL można określić jaTz
tw
1
E LŁ = ∫ u CE (t )⋅ iC (t )dt + ∫ u CE (t )⋅ iC (t )dt ≈ U z I 0 (t r + t f
2
0
0
a średnia moc strat przełączania łącznika obciążonego indukcyjnie wynosi:
1
PLŁ = U z I 0 (t r + t f ) f p
2
)
5
W podany sposób wyznaczyć możemy straty przełączania łącznika z obciążeniem
rezystancyjnym PŁR.
Rys.3. Przełączanie klucza tranzystorowego z obciążeniem rezystancyjnym R0.
tr
E ŁR
stąd:
I   U

≈ ∫  0  ⋅  − z ⋅ t + U z dt +
tr

0  tr  
tf
U z
∫  t f
0
1
E ŁR ≈ U z I 0 (t r + t f
6
  I0

 ⋅− ⋅t + I0 
  t

  f

)
1
PŁR ≈ U z I o (t r + t f ) f p
6
Porównując straty przełączania łącznika przy obciążeniu indukcyjnym PŁL z obciążeniem rezystancyjnym PŁR dochodzimy do wniosku iż :
PŁL = 3PŁ
Należy także wspomnieć iż straty przełączania występują również w przypadku włączenia elementów biernych do obwodu wyjścia tranzystora. Najczęstszym
współpracującym członem obwodu wyjściowego jest obciążenie pojemnościowe
RCD, gdzie odpowiednia wielkość rezystancji Rc zmniejsza wpływ prądu rozładowania kondensatora ik na straty tranzystora w czasie załączania.
Rys.4. Przełączanie tranzystora z obciążeniem pojemnościowym RCD
dla dynamicznych stanów pracy.
6
Przebieg prądu kolektora ic i napięcia kolektor – emiter Uce można opisać jako:
U ce
 t
= Uc
t
 f
Uc =




2
I0 ⋅ t f
2C

t
i c = I 0 1 −
 t
f





Stąd energia strat przy wyłączaniu tranzystora EŁCwył, wynosi:
tf
E ŁCwy
tf
I 02 ⋅ t f 
1 − t
= ∫ U ce (t )⋅ ic (t )dt ≈ ∫
2C  t f
0
0
E ŁCwy =
I 02 ⋅ t 2f
24C
=
 t

 t
 f
2

 dt


1
U0 ⋅ I0 ⋅ t f
12
Energia strat przełączania wynosi:
E ŁC = E ŁCwy + E ŁCzal =
1
1
U 0 ⋅ I 0 ⋅ T f + U z ⋅ I 0 ⋅ tr
12
2
Moc strat przełączania dla układu wynosi:
1
1

PŁC ≈  U 0 ⋅ t f + U z t r  I 0 ⋅ f p
2
 12

Zastosowanie członu RCD zmniejsza straty wyłączania łącznika kosztem zmniejszenia maksymalnej częstotliwości przełączania fp, którą ogranicza stała czasowa rozładowania kondensatora τ = Rc·C.
Wartość średnią mocy strat tranzystora w układzie impulsowym możemy określić
jako:
PAV = PŁ + PT
gdzie:
PŁ – straty przy przełączaniu (komutacyjne)
PT – straty statyczne pracy tranzystora.
7
Rys.5. Zależność mocy strat PAV tranzystora pracującego impulsowo dla różnych
obciążeń.
Dla przerywacza tranzystorowego w funkcji częstotliwości przełączania dla
quasi ustalonych warunków pracy częstotliwość graniczną f0 to wynosi:
f 0L =
2 PT
U z ⋅ I 0 (t r + t f
)
f 0R =
6 PT
U z ⋅ I 0 (t r + t f
)
przy zastosowaniu członu RCD dla obciążenia indukcyjnego:
f 0C =
PT
1

1
I 0  U 0 ⋅t f + U z ⋅tr 
12
 12

Częstotliwość graniczną f0 umożliwia określenie przedziału częstotliwości, dla którego istnieje konieczność uwzględnienia w ogólnym bilansie strat tranzystora, strat komutacyjnych. Skuteczną metodą obniżania wartości tych strat jest dołączenie odpowiednich sieci biernych w obwodzie wyjściowym tranzystora zmieniających charakter
jego obciążenia w czasie przełączania.
Literatura
J.Szymański: „Straty tranzystorów mocy podczas pracy impulsowej” Zeszyty Naukowe – PR TK nr 5/87