Kompensator udarów mocy czynnej w sieci 3-fazowej.zep.isep.pw.edu.pl/wp-content/uploads/Przedm/Elem/E_E_2.pdf · ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH 3. Przegląd właściwości
Post on 28-Feb-2019
214 Views
Preview:
Transcript
ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH
3. Przegląd właściwości łączników mocy
3.1 Dioda
3.2 Tranzystor bipolarny BJT
3.3 Tyrystor SCR
Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny
I S EP
P W
Czerwiec/lipiec 2009Instytut Sterowania i
Elektroniki Przemysłowej
Mieczysław Nowak
ISEP-PW
I S EP
P W
3/1M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
Przyrządy półprzewodnikowe – łączniki mocy - stosowane do budowy wysokosprawnych
przekształtników cechują konkretne właściwości użytkowe wynikające ze zjawisk
charakterystycznych dla złączowych struktur półprzewodnikowych ( Rozdział 2).
3. Przegląd właściwości łączników mocy
Analizując a także projektując konkretny układ przekształtnika w pierwszym
przybliżeniu łączniki traktujemy jako idealne tak jak to przedstawia rysunek tzn o
pomijalnie małym spadku napięcia w stanie przewodzenia ( załączenie) i pomijalnie
małym prądzie w stanie blokowania lub zaworowym ( wyłączenie). W modelu
idealnym zmiana stanu załączenie lub wyłączenie przebiega w czasie nieskończenie
krótkim i nie wiąże się ze stratą energii .
Konkretyzując projekt układu należy odwołać się do
specyficznych właściwości łączników których
parametry i charakterystyki statyczne a także
właściwości dynamiczne odpowiadają założeniom i
wymaganiom które ma spełniać przekształtnik.
Wyidealizowane charakterystyki podstawowych
półprzewodnikowych łączników mocy, które znajdują
powszechne zastosowanie podano obok. Ich graniczne
parametry zamieszczono w tablicy ( R.2. slajd .2/16.)
Dla dokonania ostatecznej weryfikacji funkcji i parametrów przekształtnika należy skonfrontować parametry
układu z dokładnymi parametrami i charakterystykami łączników. W dalszym ciągu zaprezentowane będą
właściwości podstawowych typów łączników z uwzględnieniem dwóch grup parametrów i charakterystyk
• charakterystyki i parametry statyczne ( w ustalonym stanie przewodzenia lub blokowania)
• właściwości i parametry dynamiczne ( załączania i wyłączania)
Wiadomości ogólne
ISEP-PW
I S EP
P W
3/2M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
• Charakterystyki i parametry statyczne
są w najprostszej a powszechnie stosowanej wersji
uwzględniane w sposób podany a rysunku
W stanie przewodzenia liniowa charakterystyka napięciowo
-prądowa odpowiada reprezentacji łącznika przez obwód
złożony z źródła o napięciu UTO (napięcie progowe) i
rezystancje rF (rezystancja dynamiczna)
W stanie blokowania czy zaworowym również stosowana
jest liniowa reprezentacja ch-ki napięciowo-prądowej
odpowiadająca źródło prądu IRD oraz równolegle włączoną
rezystancję rRD. Najistotniejszym krytycznym parametrem
w stanie zaworowym i blokowania jest napięcie przebicia
lawinowego UBR
2
)(0
)()()(1
RMSF
T
FAVFTOFstrpP IrIUdttituT
P
Moc strat, podstawowa wielkość wyznaczana
dla łącznika to straty energii mierzone mocą
strat. Zasadnicza część tej mocy odpowiada
stratom w stanie przewodzenia wyznaczanym
z wzoru uwzględniającego parametry UTO i rF
oraz wartość średnią IF(AV) i skuteczną IF(RMS)
prądu płynącego w okresie T
Wiadomości ogólne3. Przegląd właściwości łączników mocy
ISEP-PW
I S EP
P W
3/3M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
• Właściwości i parametry dynamiczne
Opis właściwości dynamicznych łączników dokonuje się
na podstawie przebiegów czasowych napięcia i prądu
podczas załączania ( „on”) oraz wyłączania („off”) .
Poza charakterystycznymi wartościami czasów opóźnienia
narastania i opadania prądu oraz narastania i opadania
napięcia w zmieniającym stan łączniku w danych
firmowych określane są wartości energii tracone j w
procesie przełączania. Do określenia energi Eon i Eoff
należy obliczyć wartość całki z chwilowej mocy strat
(iloczyn chwilowych wartości napięcia i prądu łącznika ).
Całkowita średnia moc strat łączeniowych występująca w
łączniku -PS - jest określona na podstawie sumy strat
występujących przy pojedynczym załączeniu i wyłączeniu
i częstotliwości łączeń - fS zgodnie z wzorem
)( offonSS EEfP Poza określeniem wartością mocy strat PS, której udział w
całkowitej mocy strat wydzielanej w łączniku może w
układach o dużej częstotliwości łączeń przekraczać 50%,
proces łączeniowy wymaga dogłębnej analizy z uwagi na
szczególne narażenie łączników na uszkodzenie wynikające
ze stanów przejściowych prowadzące np. do przepięć
Wiadomości ogólne
3. Przegląd właściwości łączników mocy
ISEP-PW
I S EP
P W
3/4M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
• Właściwości termiczne przyrządów półprzewodnikowych
Ponieważ temperatura ma decydujący wpływ na właściwości
łączników półprzewodnikowych zarówno przy opisie w danych
katalogowych jak i przy analizie funkcjonowania układu
niezbędne jest jej uwzględnienie. Temperatura panująca w
strukturze półprzewodniko- wej łącznika z jednej strony jest
zależna od wartości strat energii (mocy strat) w niej wydzielanych
a z drugiej od efektywności odprowadzania ciepła ze struktury
do czynnika chłodzącego. Można to ująć w uproszczonej
zależności w której przyrost temperatury struktury Tj jest
proporcjonalny do całkowitej mocy strat i rezystancji termicznej
Rth odzwierciedlającej efektywność chłodzenia. A zatem
thstrj RPTaTWłaściwości termiczne elementów stosowanych w
energoelektronice a w pierwszym rzędzie łączników
półprzewodnikowych są przedstawione w odrębnym paragrafie-
prezentacji
W dalszej części wykładów zostaną w punktach 3.1 – 3.6 omówione szczegółowo właściwości i
informacje katalogowe o najważniejszych przyrządach półprzewodnikowych:
diodzie, tranzystorze bipolarnym, tyrystorze, GTO i GCT, MOS, IGBT
Wiadomości ogólne
3. Przegląd właściwości łączników mocy
3/5M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.1 Dioda
Napięcie niedopuszczalne to napięcie przebicia U(BR)
W znacznych odstępach czasu na diodzie może pojawiać się
napięcie bliskie napięciu przebicia URSM – tzw wsteczne jednokrotne
maksymalne
Jako napięcie robocze dopuszczalne cyklicznie przyjmuje się
wartość oznaczoną jako URRM - wsteczne, powtarzalne maksymalne
.
Prąd wsteczny IR definiowany dla typowej temperatury roboczej
struktury(np. 125˚C) i nominalnego napięcia URRM ma niewielkie
wartości i nie jest zwykle konieczne jej uwzględnianie ( np. przy
wyznaczaniu mocy strat. Wartość IR ma znaczenie przy rozkładzie
napięć przy szeregowym łączeniu diod.
Dioda to najprostszy lecz nie zastąpiony we wszelkich zastosowaniach przyrząd. Najbardziej rozpowszechnionym typem jest
dioda warstwowa PiN ( ze strefą zubożoną – strefą dryftu) . W zastosowaniach niskonapięciowych często stosowana jest dioda
Schottky’ego ( metal – półprzewodnik). Wprowadzane są obecnie diody mieszane (Merged PiN Schottky) MPS które cechuje
mniejszy niż diody PiN spadek napięcia przy przewodzeniu przy znacznych napięciach wstecznych.
W zastosowaniach do wielkich mocy jako podstawowe parametry należy wskazać dopuszczalne napięcie wsteczne (tzw klasa
napięciowa) i spadek napięcia przy przewodzeniu. W pierwszym rzędzie przy doborze diod zwraca się uwagę na napięcie
wsteczne wynikające z charakterystyki U-I dla kierunku wstecznego
ISEP-PW
I S EP
P W
Napięcie tzw robocze które może pojawiać się na diodzie nie
powinno przekraczać 50% URRM
Ch-ki statyczne diody – stan zaworowy
3/6M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.1 Dioda
Charakterystyki napięciowo-prądowe w stanie przewodzenia
niekiedy są podawane w katalogu w sposób jak na rysunku
tzn. w współrzednych logarytmicznych. Może wtedy okazać
się potrzebne wyznaczenie tych charakterystyk w skali
liniowej tak jak to pokazano na rysunku w ramce. W skali
liniowej można w prosty sposób wyznaczyć parametry
charakteryzujace ten stan : napięcie progowe i rezystancję
dynamiczną prowadząc na wykresie prostą przez punkty
odpowiadające prądom o wartości 0,5 i 1,5 wartości prądu
definiowanej jako znamionowa.
ISEP-PW
I S EP
P W
Na podstawie tych parametrów można wyznaczyć wartość
mocy strat przewodzenia ( slaid. 3.2) .
Ważna cechą diody jak i innych pokrewnych przyrządów jest przeciążalność prądowa. Obrazuje ją charakterystyka przeciążalności granicznej .podającą wartość dopuszczalnego prądu w funkcji czasu trwania przeciążenia
W odniesieniu do czasów krótszych niż 10 ms dla określenia przeciążalności podaje się niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia IFSM oraz tzw parametr przeciążeniowy I2tsłużący do doboru zabezpieczeń.
Ch-ki statyczne diody – stan przewodzenia
3/7M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.1 Dioda
Proces załączania i wyłączania diody scharakteryzowany przez właściwości dynamiczne jest taki sam jak w
złączu energetycznym ( Patrz. slaid. 2.11) . Podczas załączania przy szybkim narastaniu prądu w diodzie
pojawia się na napięcie UFmax znacznie wyższe niż wynika to z charakterystyki U-I w stanie przewodzenia..
ISEP-PW
I S EP
P WWłaściwości dynamiczne – załączanie i wyłączanie
To opóźnienie przy załączaniu diody nie ma większego
praktycznego znaczenia i nie powoduje znaczącego zwiększenia
strat energii w diodzie.
Znacznie ważniejszym dla charakteryzacji właściwości diody –
szczególnie w zastosowaniach do układów o dużej
częstotliwości łączeń jest proces wyłączania dlatego wymaga
dokładniejszego opisu niż podany w sl.2.11.
Prąd w wyłącznej diodzie zmniejsza się z szybkością di/dt
wymuszoną przez czynniki zewnętrzne ( napięcie i indukcyjność
w obwodzie komutacji, dynamika narastania prądu w łączniku
sterowanym współpracującym z diodą)Wsteczny prąd pojawiający się w diodzie z uwagi na ładunek nadmiarowy występujący w strefie dryftu
narasta do wartości maksymalnej IrrM. Po usunięciu ładunku nadmiarowego QS reszta ładunku Qf zanika w
szybkim procesie rekombinacji z czym wiąże się szybkie zmniejszanie prądu wstecznego- di(rec)/dt. W tym
czasie na diodzie pojawia się napięcie zwykle wyższe od napięcia komutacyjnego ( przepięcie
komutacyjne). Podstawowe parametry stosowane przy opisie procesu wyłączania to ładunek przejściowy
Qrr=QS+Qf, maksymalny wsteczny prąd przejściowy - IrrM oraz czas trwania przepływu prądu wstecznego –
trr.
3/8M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.1 Dioda
Parametry Qrr, IrrM oraz trr pozostając wzajemnie powiązane przy czym są one zależne od stromości zmian
prądu ( di/dt) , wartości prądu przewodzenia przed wyłączaniem (IF) i oczywiście temperatury struktury
złączowej. Odpowiednie diagramy odwzorowujące te zależności są podawane w katalogach.
ISEP-PW
I S EP
P WWłaściwości dynamiczne – załączanie i wyłączanie
Przykładowe zależności Qrr, IrrM oraz trr od di/dt
Proces wyłączania diod jest związany z stratami energii -
niewielkimi lecz przy wysokich częstotliwościach łączenia
wymagającymi uwzględnienia. Znaczne straty energii związane
z wyłączaniem diody występują też w łącznikach sterowanych
współpracujących z diodą w większości nowoczesnych
przekształtników impulsowych.( Problem ten bardzo ważny dla
praktycznych aspektów konstrukcji przekształtników zostanie
przedstawiony na kolejnym wykładzie. ).
„Diody szybkie” o małych wartościach Qrr i trr są kluczo-
wym elementem w układach o dużej częstotliwości łączeń.
Oddzielnym zagadnieniem związanym z zastosowaniem szybkich diod jest
stopień emisji zakłóceń radioelektrycznych związany z procesem
rekombinacji w drugiej fazie załączania. Przy dużej stromości zmniejszania
przejściowego prądu wstecznego powstają znaczne przepięcia oraz
pobudzane są oscylacje powodujące emisję zakłóceń. Dlatego opracowane są
specjalne typy diod „miękko wyłączający” ( soft recovery) w których proces
rekombinacji jest spowolniony tak że czas tf tS.
3/9M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.1 Dioda
Diody zbudowane jako złącze metal – półprzewodnik ( slaid .2/12) w przypadku krzemu jako materiału
podstawowego cechuje niewielki spadek napięcia przy przewodzeniu ale również niewielkie dopuszczalne
napięcie wsteczne (<200V). Dzięki wprowadzeniu jako podstawowy materiał półprzewodnikowy węglika
krzemu od kilku lat dostępne są diody Schottky’ego na napięcia powyzej 1000V. Oto podstawowe ch-ki
napięciowo-prądowe diod Schottky,ego krzemowej ( Si) i węglikowo-krzemowej ( SiC).
ISEP-PW
I S EP
P WDioda Schottky’ego
SiC – 10A/ 1200V
Si
20A
200V
Podstawowa zaleta diody tego rodzaju to brak ładunku
nadmiarowego w strefie dryftu a w związku z tym z brak
prądu wstecznego przy wyłączaniu ( Qrr i trr bliskie zeru) w
związku z czym doskonale nadają sie do wielkich
częstotliwości.
3/10M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.2 Tranzystor bipolarnyISEP-PW
I S EP
P W
Nazwa tranzystor bipolarny BJT (Bipolar Junction Transistor) pochodzi od dwojakiego typu
nośników ładunków biorących udział w przewodzeniu prądu, a mianowicie elektronów i dziur. Stosowane
jest też określenie „tranzystor złączowy”. Najpełniejsze określenie odpowiada angielskiemu skrótowi BJT (z
ang. bipolar junction transistor), co oznacza bipolarny tranzystor złączowy. Tranzystor jest pierwszym w
historii techniki półprzewodnikowej przyrządem sterowanym, w którym za pomocą sygnału o stosunkowo
małej mocy - doprowadzonym za pośrednictwem specjalnej elektrody (bazy) - można nastawiać wartość
prądu w obwodzie tworzonym przez elektrody główne (emiter i kolektor). W pierwszych swych zastosowa-
niach tranzystor służył jako element wzmacniający lub przełączający sygnały przy stosunkowo małych
dopuszczalnych wartościach napięć oraz prądów i nie nadawał się do szerokiego wprowadzenia jako łącznik
energoelektroniczny. Dopiero po ponad 25 latach doskonalenia struktury złączowej udało się skonstruować
tranzystory mogące pracować przy napięciach przekraczających 1000 V i prądach do 1000 A rozwiązując
przy tym wiele problemów związanych z budową i zasadami działania przyrządów bipolarnych. W latach
dziewięćdziesiątych XX i początku XXI wieku tranzystor bipolarny radykalnie utracił znaczenie w
praktycznych zastosowaniach zastąpiony głównie przez tranzystor IGBT (będący integracją w strukturze
tranzystorów MOS z BJT).
Zasada działania tranzystora w wielkim uproszczeniu przedstawiona na slaidzie
2.13... polega na wzajemnym oddziaływaniu usytuowanych w niewielkiej
odległości przeciwstawnych złącz Możliwe są tu dwa warianty odpowiadające
typom n-p-n i p-n-p. W zastosowaniach przeważał zdecydowanie pierwszy z tych
typów w którym dominowało przewodnictwo za pośrednictwem elektronów 2 razy
bardziej ruchliwych od dziur.
Wiadomości ogólne
3/11M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.2 Tranzystor bipolarnyISEP-PW
I S EP
P W
Stosunek między wartością prądu kolektora i prądu bazy odzwierciedla jeden z najważniejszych
konstrukcyjnych oraz użytkowych parametrów tranzystora, mianowicie wzmocnienie prądowe = IC/IB.
W odniesieniu do łącznika tranzystorowego chodzi tu o wzmocnienie wyznaczone dla składowych stałych w
stanie tzw. nasycenia, przy którym na tranzystorze występuje tylko niewielki spadek napięcia (1 3V). Jest
oczywiste dążenie do uzyskania dużych wartości współczynnika przy nominalnych wartościach
przewodzonego prądu. Wymaga to zapewnienia stosunkowo wąskiej i słabo domieszkowanej warstwy bazy, co
jest sprzeczne z koniecznością uzyskania dostatecznie dużej wytrzymałości napięciowej złącza kolektor-baza.
To ostatnie jest warunkiem nadrzędnym i dlatego w tranzystorach wysokonapięciowych warstwa bazy jest
dosyć szeroka, a wzmocnienie prądowe mieści się w przedziale 5 20.
Specyficznym zjawiskiem występującym w tranzystorach jest
zjawisko skupiania się linii prądu w wiązki w warunkach gdy na
tranzystorze występuje znaczne napięcie ( taki stan ma miejsce
przy każdym załączeniu i wyłączeniu tranzystora) a wydzielająca
się punktowo energia prowadzi do wzrostu temperatury i
termicznego zniszczenia struktury złączowej tzw „ drugie
przebicie” ang: second breakdown. Rozwiązanie tego problemu
dopiero po 25 latach od wynalezienia tranzystora warstwowego
było możliwe dzięki wprowadzeniu budowy segmentowej w
której cała struktura złącza emiterowego została podzielona na
fragmenty ( komórki) ograniczające zjawisko skupiania się prądu.
Budowa - podstawy
3/12M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.2 Tranzystor bipolarnyISEP-PW
I S EP
P W
Ponieważ taka wartość jest w praktyce niezadowalająca, opracowana została w monolitycznej pastylce krzemu
bardziej złożona struktura odpowiadająca połączeniu dwóch (a niekiedy trzech) tranzystorów w układzie
Darlingtona,. Dzięki takiemu rozwiązaniu wzmocnienie prądowe rozbudowanej struktury zwiększa się do
wartości równej w przybliżeniu iloczynowi wzmocnień każdego z występujących w niej pojedynczych
tranzystorów. .
Kaskadowe połączenie
tranzystorów w układzie
Darlingtona w jednej strukturze
Uklad Darlingtona - Charakterystyki U-I
Podstawowe charakterystyki napięciowo-
prądowe tranzystora bipolarnego
3/13M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.2 Tranzystor bipolarnyISEP-PW
I S EP
P W
Wytrzymałość napięciowa tranzystora w stanie blokowania zależy od stanu polaryzacji bazy. Jeżeli obwód
bazy jest całkowicie rozwarty (rys. a), to przez tranzystor płynie prąd w przybliżeniu -krotnie większy niż prąd
nasycenia samego złącza. W konsekwencji zwiększonego dopływu nośników zmniejsza się wytrzymałość
napięciowa złącza i tranzystor w takich warunkach określa napięcie graniczne UCEO. Jeżeli natomiast baza jest
połączona zewnętrznie z emiterem przez rezystor R, to prąd blokowania tranzystora zmniejsza się. Powoduje to
wzrost wartości maksymalnego dopuszczalnego napięcia UCER, W granicznym przypadku, gdy złącze baza-
emiter jest zwarte (R=0), wytrzymałość napięciowa złącza wzrasta do wartości UCBO (rys.c), która może być
wyższa nawet o kilkadziesiąt procent od UCEO. Pewien dodatkowy wzrost wytrzymałości napięciowej tranzystora
do wartości UCEV uzyskuje się polaryzując jego złącze baza-emiter w kierunku wstecznym. W krótkotrwałych
stanach dynamicznych na tranzystorze może występować wysokie napięcie w czasie gdy przez niego płynie prąd
kolektora. Maksymalna dopuszczalna wartość tego napięcia jest oznaczana jako UCE(sus)0
Różne warunki
polaryzacji
obwodu bazy –
wpływ na
napięcie
blokowania
Dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
3/14M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.2 Tranzystor bipolarnyISEP-PW
I S EP
P W
W stanie przewodzenia tranzystor jako łącznik powinien pracować przy niewielkim spadku napięcia. Z
charakterystyk wynika, że najmniejsza wartość spadku napięcia na tranzystorze odpowiada charakterystyce tzw.
twardego nasycenia. Dalsze zmniejszenie napięcia UCE nie jest możliwe. Praca przy najmniejszym możliwym
spadku napięcia nie jest z zasady zalecana, wiąże się ona bowiem z występowaniem dużego ładunku
nadmiarowego w obszarze dryftu słabo domieszkowanej warstwy złączowej kolektora. Zwykle przewiduje się
pracę w obszarze tzw. quasi-nasycenia, gdy spadki napięcia na przewodzącym tranzystorze są nieco większe od
minimalnych. Uproszczoną ilustrację stanu tranzystora w quasi-nasyceniu przedstawia rysunek ( b i c) . Przy
zwiększanym prądzie bazy zwiększony dopływ ładunku do strefy dryftu powoduje zmniejszenie jej rezystancji.
Rozprzestrzenienie się ładunku aż do granic warstwy zubożonej oznacza osiągnięcie minimalnej rezystancji
zastępczej obwodu kolektor-emiter i tym samym początek twardego nasycenia. Dalsze zwiększanie prądu bazy
zwiększa ładunek zmagazynowany w obszarze dryftu bez zmniejszenia napięcia kolektor-emiter i utrudnia
wyłączenie tranzystora
Rozprzestrzenianie się
ładunku nadmiarowego
w tranzystorze w
różnych stanach pracy
(obszarach ch-k)
Stan
aktywny Stan quasi -
nasycenia
Stan twardego-
nasycenia
Napięcie w stanie przewodzenia
3/15M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.2 Tranzystor bipolarnyISEP-PW
I S EP
P W
Do wyjaśnienia procesów łączeniowych tranzystora bipolarnego posłuży
układ pokazany na rysunku w którym indukcyjny charakter umieszczonego
w kolektorze odbiornika powoduje, że przy krótko trwających przełącze-
niach można traktować go jako źródło prądu o stałej wartości Io . Dioda
bocznikująca indukcyjne obciążenie kolektorowe tranzystora stanowi
element nierozłącznie związany z procesami łączeniowymi, a jej właściwości
wywierają istotny wpływ na proces załączania tranzystora.
Właściwości dynamiczne tranzystora ( „on” – „off”)
Proces załączania ( „on”) . Ilustrują go przebiegi napięć i prądów w
tranzystorze pokazane na rys Sygnałem wiodącym jest prąd bazy
nastawiany przez zewnętrzny sterownik. Począwszy od tej chwili zaczyna
narastać prąd kolektora, przy czym stromość narastania zależy od wartości
prądu bazy i cech konstrukcyjnych struktury. Z uwagi na obecność diody
zwrotnej, prąd kolektora narasta nie tylko do wartości prądu obciążenia Io
lecz do sumy Io + IrrM , (IrrM -przejściowy prąd wsteczny diody). W czasie
gdy dioda pozostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia (przedział
t2 t3) na załączanym tranzystorze występuje napięcie zasilania pomniejszo-
ne o spadek napięcia na indukcyjności występującej w obwodzie zasilania
(LodiC!dt). Dopiero po przejściu diody do stanu zaworowego następuje
szybkie zmniejszenie się napięcia na przewodzącym tranzystorze. W
ostatnim przedziale procesu załączania, następuje dalsze, lecz już wolniej-
sze, zmniejszenie napięcia do wartości typowej dla stanu quasi-nasycenia.
Zwykle stosuje się uproszczenie polegające na określeniu całego czasu załączania
za pomocą jednej wartości ton będącej sumą czasu opóźnienia td = t2-t1 oraz czasu
narastania prądu do wartości nominalnej tr = t3 - t2.
3/16M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.2 Tranzystor bipolarnyISEP-PW
I S EP
P WWłaściwości dynamiczne tranzystora ( „on” – „off”)
Proces wyłączania ( „off”) . Do wyjaśnienia zjawisk związanych z
wyłączeniem tranzystora posłużą przebiegi. Uwzględniają one dwa
przypadki, które różnią się sposobem sterowania prądem bazy. W
pierwszym z nich (rys.a) prąd bazy jest zmniejszany z ograniczoną
stromością do zera, a następnie zmienia kierunek i narasta do pewnej
niezbyt dużej wartości ujemnej. Gdy po czasie ts = t2-t1 zwanym
czasem magazynowania, odprowadzony zostanie ładunek
nadmiarowy z obszaru strefy kolektorowej złącza, tranzystor zaczyna
przechodzić ze stanu quasi-nasycenia do stanu aktywnego. Napięcie
narasta na nim najpierw wolno (przedział t2 t3) a potem z większą
stromością, aż osiągnie wartość równą napięciu zasilania (chwila t4).
Dopiero wtedy zaczyna się proces szybkiego zmniejszania prądów
bazy i kolektora do zera. Jest to tzw. czas opadania tf=t5-t4 Odmien-
nie przebiega wyłączanie wówczas, gdy prąd bazy zostanie bardzo
szybko zmieniony z dodatniego na ujemny (rys.b), przy czym jego
wartość ujemna może być znaczna. W takim przypadku na skutek
prawie natychmiastowego spolaryzowania wstecznego złącza baza--
emiter, nie ma możliwości stopniowego wyprowadzenia tranzystora
ze stanu quasi-nasycenia do obszaru aktywnego. Cały ładunek
nadmiarowy w strefie kolektora musi zostać odprowadzony przez
prąd bazy, który jednocześnie jest prądem kolektora, tworzącym tzw.
ogon prądowy. Proces ten jest stosunkowo długotrwały, a straty mocy wynikłe z przedłużonego
przepływu prądu, w czasie gdy występuje na nim pełne napięcie zasilania, są większe
niż w przypadku wyłączania przy prądzie bazy o mniejszej stromości zmian i mniejszej
maksymalnej wartości ujemnej. Dlatego należy unikać dużego ujemnego prądu bazy
przy wyłączaniu, a także celowo ograniczyć stromość jego narastania.
3/17M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.2 Tranzystor bipolarnyISEP-PW
I S EP
P WKatalogowe informacje o tranzystorach BJT
Podstawowym parametrem który jest uwzględniany przy tzw charakteryzacji innych podstawowych
parametrów jest temperatura struktury złączowej Tj.
Charakterystyka napięciowo-prądowa ( tzw.
wyjściowa jest określana w zakresie napięć
odpowiadających stanowi nasycenia i quasi-
nasycenia
Główna charakterystyka – tzw obszar bezpiecznej pracy
: a) polaryzacji bazy dla stanu przewodzenia ( 1-czas do
1ms, 2- czas do 100 s, 3 czas do 10 s; b) polaryzacja
bazy do stanu blokowania
3/18M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.2 Tranzystor bipolarnyISEP-PW
I S EP
P WKatalogowe informacje o tranzystorach BJT
Niezwykle ważny parametr tranzystora-
wzmocnienie prądowe zależy w charakterysty-
czny sposób od prądu kolektora
Także parametry dynamiczne -czasy charakteryzujące proces
załączania i wyłączania są funkcją prądu kolektora i temperatury Tj
W praktyce stosowania tranzystorów BJT jak i innych sterowanych łączników na duże napięcia i prądy i
przeznaczonych do pracy z częstotliwością powyżej 500 Hz jako ważny parametr umożliwiający obliczenie
strat łączeniowych jest wartość energii traconej w strukturze podczas standardowego procesu załączania i
wyłączania. Wartość tych parametrów w danych katalogowych nie była jeszcze definiowana i można je
wyznaczyć je na podstawie zdefiniowanych przebiegów napięcia i prądu w trakcie załączania. Ponieważ
wartości energii tracone przy przełączaniu BJT były stosunkowo znaczne konieczne było zmniejszenie tych
strat poprzez wprowadzenie tzw obwodów odciążających _ zewnętrznie dołączanych obwodów RLC i diod
dzięki którym warunki przełączania tranzystorów były znacznie łagodniejsze.
3/19M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.3 Tyrystor ISEP-PW
I S EP
P W
Tyrystor jest przyrządem półprzewodnikowym znajdującym szerokie zastosowanie w przekształtnikach o sterowaniu
fazowym, takich jak sterowniki napięcia przemiennego, prostowniki sterowane bądź falowniki o komutacji napięciem
odbiornika. Mimo utraty swojego znaczenia na rzecz układów o sterowaniu przez modulację szerokości impulsów, z uwagi na
małe osiągane częstotliwości przełączeń (praktycznie do 1 kHz), tyrystory wciąż są niezastąpione w układach wielkiej mocy.
Cechuje je wytrzymałość napięciowa do 10000 V, a jednocześnie mogą przewodzić prąd o wartości średniej sięgającej kilku
kiloamperów. Są nadal stosowane w sterowanych prostownikach do napędów przekształtnikowych wielkiej mocy, w sprzęgach
i liniach przesyłowych sieci elektroenergetycznych z obwodami prądu stałego, a także w falownikach rezonansowych wielkiej
mocy do grzania indukcyjnego oraz jako energetyczne łączniki mocy..
Wiadomości ogólne
Zasada działania tyrystora:
Tyrystor to struktura czterowarstwowa, trójzłączowa tak jak to przedstawiono na rysunku Dla
polaryzacji wstecznej ( - ujemny potencjał anody wzgl katody) złącze J1 nie dopuszcza do
przepływu prądu. Przy polaryzacji zgodnej złącze J2 blokuje przewodzenie ale tylko wtedy gdy nie
dopływają do niego ładunki z obszarów złączy zewnętrznych. Jeżeli w jakikolwiek sposób takie
ładunki dopłyną złącze traci swe właściwości i prąd może swobodnie przepływać. Przyczyną
dopłynięcia ładunków w strefę J3 może być zjawisko lawinowego powielania, lub co dla tyrystora
jest typowe, doprowadzony impuls prądu za pośrednictwem elektrody bramki
Dobrze wyjaśnia właściwości tranzystora model tyrystora jako połączenie dwóch tranzystorów: p-n-p
oraz n-p-n. Wzmocnienia prądowe tych tranzystorów 1 i 2 są funkcją przepływającego przez nie
prądu. Jeżeli na skutek impulsu prądu bramki prąd IA przepływający przez strukturę wzrośnie to
zgodnie z wzorem:
)(1 21
02 III G
A
suma ( 1+ 2) zbliża sie do 1 i przyrząd przechodzi w stan
w którym bliska 0 wartość licznika oznacza, że prąd nie
jest ograniczany przez strukturę a jedynie przez obwód
zewnętrzny. Tyrystor ze stanu blokowania dodatniego
napięcia przechodzi do stanu przewodzenia.
3/20M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.3 Tyrystor ISEP-PW
I S EP
P W
Charakterystyka napięciowo prądowa dla stanu
blokowania odwzorowująca podstawową funkcję tyrystora –
zależność napięcia blokowania przy którym następuje
przejście do stanu przewodzenia od prądu doprowadzonego
do bramki przedstawiona poniżej
Wiadomości ogólne - Charakterystyki U-I
Po załączeniu tyrystor utrzymuje się w stanie przewodzenia
bez dopływu prądu bramki o ile prąd anodowy podtrzymywany
przez obwód zewnętrzny nie zmaleje poniżej pewnej wartości
(prąd podtrzymania IH) .
Właściwości statyczne tyrystora w stanie przewodzenia opisuje
charakterystyka napięciowo-prądowa identyczna z
charakterystyką przewodzenia diody ( patrz slaid. 3.6) .
Tyrystor cechuje w porównaniu z innymi przyrządami na duże
napięcia i wielkie prądy najmniejszy możliwy spadek napięcia
w stanie przewodzenia
Pełna charakterystyka napięciowo- prądowa dla stanu
zaworowego i blokowania przedstawiona poniżej wykazuje
w typowych rozwiązaniach symetrię . Dla napięcia
dodatniego po przekroczeniu wartości UD(BO) następuje
przełączenie do stanu przewodzenia . W stanie zaworowym
po przekroczeniu napięcia UR(BR) następuje niszczące
przebicie lawinowe
Istotnym problemem w przypadku tyrystora jest zależność
charakterystyk i parametrów od temperatury. Z uwagi na
silne dodatnie prądowe sprzężenie występujące w
strukturze tyrystor już przy temperaturze nieznacznie
przekraczającej 125 C traci wytrzymałość napięciową.
3/21
M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.3 Tyrystor ISEP-PW
I S EP
P W
Proces załączania tyrystora
impulsem prądu bramki
Wyłączenie tyrystora zwykłego impulsem prądu bramki nie jest
możliwe. Konieczne jest przerwanie prądu za pośrednictwem
akcji w obwodzie zewnętrznym ( rys.a) i zwykle krótkotrwałe
spolaryzowanie struktury napięciem zewnętrznym przez
dostatecznie długi czas ( tq) . Proces ten zobrazowany
przebiegami na rys. b) odzwierciedla komplementarne w
stosunku do procesu załączania właściwości dynamiczne
a) b)
Właściwości dynamiczne
Proces załączenia przebiega w pojedynczych mikrosekundach. Konieczny do
załączenia impuls prądu nie przekracza nawet w dużych tyrystorach kilkaset mA
jednak dla przyspieszenia tego procesu stosuje się często znaczne forsowanie Czas
trwania kilkuamperowych impulsów bramkowych to kilkadziesiąt s ale niekiedy
sterowanie wymaga zastosowania przedłużonych impulsów bramkowych o minimalnej
potrzebnej do załączenia wartości ( np 0,5 A). Istotnym parametrem przy załączaniu jest
krytyczna stromość narastania prądu ( di/dt)crit ktora nie powinna być przekraczana
gdyż grozi zniszczeniem tyrystora z uwagi na przegrzanie struktury w pobliżu
doprowadzenia bramki.
Przy wyłączaniu poza wartością minimalnego niezbędnego czasu utrzymywania tyrystora w stanie bezprądowym ( i zwykle
przy wstecznej polaryzacji anody wzgl katody) – tzw. czasem wyłączania tq istotna jest stromość narastania dodatniego
napięcia na tyrystorze. Jeżeli jest ona zbyt duża to z uwagi na prąd pojemnościowy wynikający z pojemności złącza ( Cdi/dt )
może nastąpić ponowne , nie kontrolowane załączenie tyrystora. Krytyczna stromość narastania napięcia - (duD/dt )crit iest
istotnym parametrem charakteryzującym właściwości dynamiczne tyrystora.
3/22M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.3 Tyrystor ISEP-PW
I S EP
P WInformacje katalogowe o tyrystorach
Podobnie jak w przypadku diody energetycznej są określone wartości charakteryzujące obciążalność
prądową, a mianowicie: IT(AV)m - maksymalny średni prąd przewodzenia (prąd graniczny); IT(RMS) - maksymalny dopuszczalny prąd
skuteczny; ITMS - niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia. Takie samo znaczenie jak w diodzie ma w odniesieniu do tyrystora
parametr przeciążeniowy I2t.
Oprócz wymienionych wielkości, w przypadku tyrystora określa się wartość minimalną prądu, przy której tyrystor pozostaje w
stanie przewodzenia, tzw. prąd podtrzymania (prąd wyłączania) IH. Niekiedy uzupełnieniem tej wielkości jest minimalny prąd
załączania IL (minimalna wartość niezbędna przy załączaniu w celu uzyskania stabilnego stanu przewodzenia).
W przypadku napięć granicznych w odróżnieniu od diody - poza wielkościami odniesionymi do stanu zaworowego jak:
powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne URRM i niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne URSM - konieczne jest uwzględnienie
analogicznych parametrów dla stanu blokowania a mianowicie powtarzalnego szczytowego napięcia blokowania UDRM i
niepowtarzalnego szczytowego napięcia blokowania UDSM. Warto nadmienić, że przeważnie URRM = UDRM, a tzw. klasa napięciowa
tyrystora odpowiada wartości powtarzalnej napięcia wstecznego i blokowania; podana w setkach woltów. Odpowiednio do tych
parametrów napięciowych podawana jest wartość prądów: wstecznego IR i blokowania ID.
Pewna grupa parametrów typowa dla tyrystora dotyczy obwodu bramki. Jako
podstawowe wielkości należy wymienić minimalne wartości prądu bramki IGT (prąd
bramki przełączający) i napięcia bramki UGT (napięcie bramki przełączające), przy
których zapewnione jest załączenie każdego egzemplarza tyrystora danego typu.
Znaczące jest też maksymalne napięcie nieprzełączające bramki UGD i maksymalna
dopuszczalna wartość prądu IFGM i napięcia UFGM bramki. Charakterystyki
napięciowo-prądowe wejścia sterującego tyrystora (bramka-katoda) cechuje duża
rozbieżność, nawet w przypadku tyrystorów tego samego typu. W katalogu
przedstawia się je zwykle w układzie współrzędnych (UG, IG) jako ograniczony
dwoma liniami obszar, w którym musi przebiegać charakterystyka U-I bramki
tyrystora
3/23M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.3 Tyrystor ISEP-PW
I S EP
P WInformacje katalogowe o tyrystorach
Właściwości dynamiczne tyrystora, zgodnie z przedstawionym opisem i ilustrującymi go przebiegami napięć i prądów przy
załączaniu i wyłączaniu). są w katalogach określone przez zbiór następujących parametrów:
Qrr - ładunek przejściowy określający właściwości
dynamiczne w pierwszej fazie wyłączania, tzn. przy
przejściu ze stanu przewodzenia do stanu zaworowego;
jest określony jako wartość całki przejściowego prądu
wstecznego w czasie jego przepływu i oznaczany jako tr,;
wartość ładunku Qrr zależy od stromości zmian prądu przy
wyłączaniu dirr/dt oraz wartości przewodzonego prądu IT,
IrrM - wartość szczytowa przejściowego
prądu wstecznego pozostaje w związku z wartością
ładunku Qrr; w katalogu podawany jest zwykle wykres
zależności IrrM = f(dirr/dt, IT),.
tgt - czas załączania - będący sumą czasu
opóźnienia td i czasu opadania napięcia tr
tq - czas wyłączania określony jako
minimalny niezbędny przedział czasu między
przejściem prądu anodowego przez zero a
ponownym pojawieniem się dodatniego
napięcia anodowego, po upływie którego
tyrystor nie załączy samoczynnie ponownie;
wartość czasu wyłączania zależy nie tylko od
temperatury struktury złączowej Tj, lecz także
od wartości napięcia wstecznego przy
wyłączaniu, stromości narastania napięcia
blokowania oraz wartości wyłączanego prądu
IT; przykładowe wykresy takich zależności
pokazano na rys.
3/24M. Nowak Elementy
Energoelektroniki
3.3 Tyrystor ISEP-PW
I S EP
P WSpecjalne typy tyrystorów
Dioda Shockley'a (dynistor)
jest tyrystorem bez wyprowadzonej
bramki.
Dwukierunkowa
dioda
Shockley'a
(diak) .
Tyrystor dwukierunkowy (triak)
przeciwstawne (odwrotnie
równoległe) połączenie w jednej
strukturze 2 tyrystorów zwykłych
Tyrystor asymetryczny (ASCR)
jest strukturą pięciowarstwową.
Tyrystor przewodzący
wstecznie (RCT)
powstał jako
konsekwencja
doskonalenia tyrystorów
asymetrycznych .
Tyrystor o wspomaganym
wyłączaniu (GATT)
Tyrystor wyłączany przy
zerze prądu (ZTO)
Tyrystor wyłączany
prądem bramki GTO
Tyrystor komutowany
bramką - GCT
cdn.
top related