idealnych właściwościach

Przegląd półprzewodnikowych przyrządów mocy



Rozwój przyrządów “siłą napędową” energoelektroniki
Najważniejsze: zdolność do przetwarzania wielkich mocy
(napięcia i prądy znamionowe), szybkość przełączeń, straty
mocy, układy sterowania bramką, cena elementu
Często w analizie działania przekształtników same
przyrządy (łączniki, zawory) mogą być traktowane jako
idealne
SZ_EN- w2
1
Klasyfikacja

DIODY


TYRYSTORY


Zawory niesterowane
załączane impulsem prądu bramki, ale wyłączane przez obwód AK
ŁĄCZNIKI w pełni sterowane

załączanie i wyłaczanie impulsem bramkowym w dowolnym czasie

BJT, MOSFET, IGBT, GTO, IGCT
SZ_EN- w2
2
Półprzewodnikowe diody mocy
(a) symbol



(b)charakterystyka statyczna
(c) charakterystyka idealizowana
Wykorzystanie właściwości półprzewodnikowego złącza p-n
Mały spadek napięcia przewodzenia ≈ 1V
Prąd wsteczny bardzo mały (pomijalny)
SZ_EN- w2
3
Mikroelektroniczny model diody: wykładnicze prawo złącza
(na charakterystyce wykreślonej w zakresie setek woltów spadek napięcia
przewodzenia staje się z trudem zauważalny)
SZ_EN- w2
4
Odcinkowo-liniowe modele diody
a) dioda idealna
b) dioda o stałym spadku napiecia przewodzenia
( w mikroelektronice VF0 ≈ 0.6 V;
w energoelektronice VF0 > 1V )
SZ_EN- w2
5
Załączanie i wyłączanie diody


Załączanie jest bardzo szybkie
Wyłączanie nie jest natychmiastowe – powstaje
krótkotrwały prąd ujemny (straty, przepięcia)
trr – czas odzyskiwania zdolności zaworowych
(reverse recovery time)
Qrr – ładunek przejściowy przy wyłączaniu
IRM – max. przejściowy prąd wsteczny
SZ_EN- w2
6
Typy diod



Diody do urządzeń pracujących przy częstotliwości siieciowej
• niski spadek napięcia ==> relatywnie długi czas trr (do 100us)
• wielkie prądy i napięcia znamionowe (7kV, 5kA)
Diody szybkie
• krótki czas trr, mniejszy zakres mocy (2.5kV, 1.5kA)
Diody Shottky'ego
• (złącze metal – półprzewodnik); bardzo mały spadek napięcia
(≈0.3V); do zastosowań niskonapięciowych
• niskie napięcie wsteczne (50-100V)
SZ_EN- w2
7
Tyrystory - charakterystyki tyrystora SCR
SZ_EN- w2
8
Tyrystor w prostym obwodzie: V~Th-R
Załączanie impulsem iG przy UAK>0; przewodzenie możliwe również przy iG=0
 Wyłączenie gdy i
A jest bliskie zera; niemożliwe od strony bramki

SZ_EN- w2
9
Wyłączanie tyrystora

Aby pewnie wyłączyć – trzeba utrzymać wsteczną polaryzację uAK przez czas
dłuższy niż katalogowy czas wyłączania tyrystora tq
SZ_EN- w2
10
Łączniki w pełni sterowalne

Właściwości łącznika idealnego
 Nieskonczenie duże dopuszczalne napięcia wsteczne i blokowania
 Zerowy prąd upływu (prąd w stanie wyłączenia)
 Mogą przewodzić dowolnie duże prądy , przy zerowym spadku napięcia
 Zerowe czasy załączenia i wyłączenia
 Zerowa moc pobierana z obwodów sterowania bramką
Nowe typy przyrządów energoelektronicznych zbliżają się właściwościami do
cech łącznika idealnego
 W analizie działania przekształtników w pełni uzasadnione jest posługiwanie
się modelami w postaci łączników idealnych
 Cechy realnych zaworów trzeba uwzględniać przy projektowaniu
przekształtnika (dopuszczalne prądy i napięcia, straty mocy,..)

SZ_EN- w2
11
Straty mocy przy przełączaniu (obciążenie indukcyjne)
Schemat zastępczy
• indukcyjność zastąpiona
źródłem prądowym
• dioda zwiera indukcyjność
w czasie gdy łącznik jest
otwarty; brak diody spowodowałby natychmiastowe
zniszczenie łącznika przy
pierwszej próbie jego otwarcia
Załączanie:
• po czasie opóźnienia przy załączaniu td(on) prąd łącznika narasta w czasie tri, a następnie
• napięcie na łączniku opada do zera w czasie tfv
• energia stracona jest równa powierzchni trójkąta o podstawie tc(on) = tri + tfv
SZ_EN- w2
12
Straty energii i średnie straty mocy (c.d.)
Straty w stanie przewodzenia:
• Wywołane są spadkiem napiecia przewodzenia
• Energia tracona w 1 cyklu pracy:
Won = U on I on ton
• Średnia moc strat przewodzenia:
Pon = U on I o
ton
Ts
Średnia moc strat spowodowanych przełączaniem:
1
Ps = U d I o f s (tc ( on ) + tc ( off ) )
2
• Czas załączenia ton jest zwykle znacznie dłuższy
niż suma czasów przełaczeń, ale:
• Dla dużych częstotliwości fs, straty łączeniowe przeważają nad
stratami przewodzenia
SZ_EN- w2
13
Straty mocy przy przełączaniu - ćwiczenie iPES
SZ_EN- w2
14
Tranzystory bipolarne
• Wymagają dużych prądów bazy (wzmocnienie prądowe tranzystorów
mocy jest niskie (10)
• Obecnie zastępowane są innymi typami łączników:
• Dla napięć niższych od 500V – przez tranzystory MOSFET
• Dla napięć wyższych od 500V przez tranzystory IGBT
SZ_EN- w2
15
Energoelektroniczne tranzystory polowe
• Stosowane dla niskich napięć i dużych prądów
• Szybkie przełączanie ( fs = 30 kHz – 500 kHz )
• Rezystancja przewodzenia rośnie ze wzrostem dopuszczalnego napięcia
• Proste obwody sterowania, sterowanie czysto napięciowe, prąd
potrzebny tylko do ładowania i rozładowania poemności bramki
SZ_EN- w2
16
Tyrystory wyłączalne GTO (gate turn-off thyristor)
• Załaczanie jak w zwykłych tyrystorach, wyłaczanie możliwe dużym
ujemnym prądem bramki
• Stosowane gdy potrzebne są bardzo duże napięcia i prądy (kV, kA)
• Niewielkie szybkości przełączeń (fs < 10 kHz)
• Konieczne obwody odciążające przy wyłączaniu
SZ_EN- w2
17
Wyłączanie tyrystora GTO
• Konieczne obwody odciążające przy wyłączaniu (odprowadzają
energię z indukcyjności obwodu, ograniczają przepięcia i szybkość
narastania napięcia przy wyłączaniu)
SZ_EN- w2
18
Tyrystory bipolarne z izolowaną bramką IGBT
• Mniejsze niż w MOSFETach napiecie przewodzenia (dla dużych napięć)
• Obecnie dominują w zakresie mocy 1-1000kW przy napięciach 500-1700V
• Są produkowane w gotowych zestawach (modułach) tranzystorowodiodowych, z elementami sterowania i zabezpieczeń
• Typowe częstotliwości łączeń fs 3-30 kHz
• Szybki rozwój technologiczny, zapowiadane serie do 4.5 kV
SZ_EN- w2
19
Polowo sterowany tyrystor MCT
• Podobny do GTO, ale tylko niewielki prąd potrzebny do wyłączania
• Spadki napięcia przewodzenia mniejsze niż w BJT , IGBT
• Rzadko stosowany, na razie przegrywa konkurencję z IGBT
SZ_EN- w2
20
Tyrystor z zinterowanym obwodem komutacji bramką IGCT
• Jeden z najnowszych przyrządów, 4.5kV, 4kA
• Niepotrzebne obwody odciążające
• Szybsze niż GTO
• Mają zintegrowany obwód sterowania bramką – niepotrzebne
duże prądy jak w GTO
Szczegółowy opis IGCT i innych, nie omawianych na wykładzie
typów zaworów, można znaleźć w skrypcie:
L.Frąckowiak, S.Januszewski: Energoelektronika, cz.1
SZ_EN- w2
21
Zestawienie zakresów stosowalności przyrządów
SZ_EN- w2
22