Półprzewodnikowe przyrządy mocy

Transkrypt

1 Temat i plan wykładu Półprzewodnikowe przyrządy mocy 1. Wprowadzenie 2. Tranzystor jako łącznik 3. Charakterystyki prądowo-napięciowe 4. Charakterystyki dynamiczne 5. Definicja czasów przełączania 6. Straty mocy

2 Tranzystor MOSFET w układzie łącznika z obciąŝeniem rezystancyjnym

3 Charakterystyki tranzystora MOSFET IRF530

4 Podstawowe parametry tranzystora MOSFET IRF530

5

6 IXUN350N10

7 Przebiegi napięć i prądu podczas przełączania

8 Prosta pracy na tle statycznych charakterystyk wyjściowych zgodnie z rys. b, punkty t 0 i t 1 oraz t 2 t 3 niemal się pokrywają

9 Techniczne definicje parametrów czasowych tranzystora MOSFET mocy t d(on) czas opóźnienia przy załączaniu t r czas narastania t d(off) czas opóźnienia przy wyłączaniu t f czas opadania

10 Straty ppm w stanie przewodzenia

11 Charakterystyka znormalizowanej rezystancji dren-źrodło w stanie załączenia w funkcji temperatury tranzystora MOSFET

12 Straty łączeniowe (dynamiczne) w tranzystorach

13 Straty diody w procesie wyłączania

14 Napięcie przebicia, wytrzymałość napięciowa

15 Napięcie przebicia, wytrzymałość napięciowa

16 Polaryzacja wsteczna

17 Przewodzenia w kierunku wstecznym

18 Parametry znamionowe ppm

19 Tyrystory i triaki Budowa tyrystora

20 Charakterystyka prądowo-napięciowa obwodu głównego tyrystora

21 Układ zastępczy źródła sygnałów sterujących (a), sposób wyznaczania prostej obciąŝenia oraz obszary pracy obwodu bramki (b)

22 Prostownik jednofazowy półokresowy π 1 U m Uśr = U m sin ω t d( ω t) = + cosθ 2π 2π e z ( 1 ) z

23 Tyrystor dwukierunkowy (triak) Stan I + Elektroda A2 ma potencjał dodatni względem A1, elektroda B sterowana jest impulsami dodatnimi. Stan I Elektroda A2 ma potencjał dodatni względem A1, elektroda B sterowana jest impulsami ujemnymi. Stan III + Elektroda A2 ma potencjał ujemny względem A1, sterowanie impulsami dodatnimi. Stan III Elektroda A2 ma potencjał ujemny względem A1, sterowanie impulsami ujemnymi.

24 Zastosowanie tyrystora i triaka do regulacji natęŝenia oświetlenia

25 Tranzystory IGBT Co oznacza IGBT dla inŝyniera Budowa Zasada działania Zastosowania Nowości

26 Co oznacza IGBT dla inŝyniera: IGBT (ang. Insulated Gate Bipolar Transistor) - tranzystor bipolarny z izolowaną bramką. Jest to element półprzewodnikowy mocy uŝywany w przekształtnikach energoelektronicznych o mocach do kilkuset kilowatów. Łączy zalety dwóch typów tranzystorów: łatwość sterowania tranzystorów polowych i wysokie napięcie przebicia oraz szybkość przełączania tranzystorów bipolarnych.

27 Budowa:

28 Zasada działania: Najpopularniejszy sposób oznaczania IGBT to symbol tranzystora bipolarnego npn, w którym emiter oznaczony jest jako kolektor, a połączenie kolektora i drenu nosi nazwę emitera (symbol środkowy z rysunku). Sposób połączenia występujący na schemacie zastępczym przypomina tranzystor bipolarny Darlingtona. Tranzystor MOSFET steruje bazą tranzystora bipolarnego pnp zapewniając szybkie przechodzenie od stanu blokowania do przewodzenia i na odwrót. JednakŜe w odróŝnieniu od układu Darlingtona, w tranzystorze IGBT największa część prądu drenu płynie przez kanał tranzystora MOSFET.

29 Stan blokowania IGBT: Występuje gdy napięcie między bramką a źródłem jest niŝsze od wartości progowej Ugs(th), wielkości znanej z tranzystora MOSFET. Dołączone napięcie dren-źródło powoduje przepływ bardzo małego prądu upływu ( Leakage current ). Kiedy napięcie bramka-źródło przekroczy wartość progową Ugs(th) tranzystora MOSFET struktury IGBT to zaczyna on przewodzić płynie prąd drenu określony napięciem kolektor-emiter oraz wartością napięcia sterującego Uge.

30 Charakterystyka wyjściowa:

31 Zastosowania IGBT: M.in. w falownikach jako łącznik, umoŝliwia załączanie prądów do 1 ka i blokowanie napięć do 6 kv; W samochodach hybrydowych (Toyota Prius); Wiele innych

32 Właściwości IGBT Moduły te posiadają następujące cechy: 1. Niskie napięcie nasycenia VCE(sat); Niską energię włączenia E(on) i wyłączenia E(off), 2. Wysoką odporność zwarciową (bez układu RTC) 3. Zredukowaną pojemność bramki. 4. Niską indukcyjność połączeń wewnętrznych (Rys.8) Rys.8 Stosunek indukcyjności wewnętrznych połączeń modułów 5gen. do 3gen. = 1:2

33 Właściwości IGBT 5. Doskonałą rezystancję termiczną przez zastosowanie jako ceramicznej warstwy izolacyjnej azotku aluminium. 6. Zwiększoną wytrzymałość na cykle temperaturowe DTc obudowy (Rys.10) poprzez kontrolowanie grubości spoiwa pomiędzy podstawą a ceramiczną warstwą izolacyjną (Rys.9a,9b). Rys.10 Wytrzymałość na cykle temperaturowe obudowy Rys.9a W tradycyjnym procesie lutowania stosowanym w poprzednich generacjach, grubość lutu mogła się zmieniać Rys.9b W modułach 5 generacji zmiana grubości lutu b została ograniczona poprzez zastosowanie prętów ograniczających

34 Zastosowania elementów półprzewodnikowych mocy SRC tyrystory konwencjonalne, GTO tyrystory wyłączalne bramką, IGCT tyrystory komutowane zintegrowaną bramką, IGBT tranzystory bipolarne z izolowaną bramką, MOSFET tranzystory polowe z izolowaną bramką

35 Obszary zastosowań półprzewodnikowych przyrządów mocy SRC tyrystory konwencjonalne, GTO tyrystory wyłączalne bramką, IGCT tyrystory komutowane zintegrowaną bramką, IGBT tranzystory bipolarne z izolowaną bramką, MOSFET tranzystory polowe z izolowaną bramką

36 Schemat funkcjonalny systemu generacji rozproszonej zasilanego z odnawialnych źródeł energii

37 Przekształtnik energoelektroniczny AC/DC/AC stosowany w turbinach wiatrowych

38 Przekształtnik AC/DC/AC z wielobiegunowym generatorem synchronicznym z magnesami trwałymi bez przekładni mechanicznej w systemie elektrowni Wave Dragon produkującej energię z fal morskich

39 Moduł fotowoltaiczny (po lewej) sprzęgnięty z siecią, (po prawej) praca wyspowa

40 Przekształtniki łańcuchowe w układach PV; (a) trójfazowy, (b) jednofazowy, (c) widok 11 MW elektrowni fotowoltaicznej w Serpa, Portugalia ( modułów PV)

41 Przykład systemu fotowoltaicznego

42 Toyota Prius

43 Toyota Hybrid System II (THS II)

44 Oscyloskop cyfrowy

45 W oscyloskopie cyfrowym badany sygnał jest przetworzony do postaci cyfrowej za pomoc przetwornika analogowo cyfrowego A/C i zapamiętany w pamięci oscyloskopu. Zastosowanie techniki cyfrowej daje duŝe moŝliwości w dziedzinie przetwarzania i analizy badanego sygnału i umoŝliwia cyfrowy pomiar parametrów sygnału oraz dodatkowe funkcje jak całkowanie lub róŝniczkowanie przebiegu, analizę widmową i uśrednianie. Przetworzony sygnał moŝe by zapamiętany, co umoŝliwia wyświetlenie na ekranie oscyloskopu wielu sygnałów. Na rysunku przedstawiono schemat blokowy typowego oscyloskopu cyfrowego.

46