Elementy elektroniczne Wykład 9: Elementy przełączające

Transkrypt

1 Elementy elektroniczne Wykład 9: Elementy przełączające

2 Tyrystory konwencjonalne - wprowadzenie A I A p 1 p 1 j 1 + G n 1 G n 1 j C - p 2 p 2 j 2 n 2 n 2 K I K SRC silicon controlled rectifier

3 Tyrystory konwencjonalne - wprowadzenie A I A p 1 n 1 n 1 p 2 p 2 I G G n 2 I K K

4 Tyrystory konwencjonalne schemat równoważny

5 Tyrystory konwencjonalne równania W przypadku gdy I G = 0: I A I C0 1 N1 N 2 Gdy nastąpi powielanie lawinowe: I A MI C0 1 M N1 N 2 M wsp. Powielania lawinowego Kiedy I A wzrośnie??? Gdy: M 1 N 1 N 2

6 Tyrystory konwencjonalne równania Wpływ prądu bramki: N N G N C A I I I Wsp. wzmocnienia prądowego: G A G A I I i i

7 Tyrystory konwencjonalne charakterystyki wyjściowe

8 Tyrystory konwencjonalne charakterystyki wejściowe Charakterystyki bramkowe: 1 - obszar nieprzełączania, 2 obszar możliwych przełączeń, 3 obszar pewnych przełączeń, 4 obszar szkodliwych przełączeń

9 Tyrystory konwencjonalne praca impulsowa Krytyczna stromość narastania napięcia blokowania (a co za tym idzie prądu): du AK [ V / s dt ] jest to największa dopuszczalna wartość stromości narastania napięcia anoda katoda, o wartość maksymalnej mniejszej pd danego U B, nie powodująca przełączania tyrystora w stan przewodzenia. i A C duak C jc dt 1 jc C 1 C 2 jc1 jc 2 Występuje efekt Millera zwiększający prąd: eff 1 i A W konsekwencji: duak Ceff dt C C 1 jc 2

10 Tyrystory konwencjonalne praca impulsowa

11 Tyrystory konwencjonalne parametry - graniczne napięcie przełączania U B0 - graniczny prąd przewodzenia I C0max przy U B0 - dopuszczalne napięcię anoda katoda w stanie nieprzewodzenia (około 0.8U B0 ) - dopuszczalny prąd anododwy w stanie przewodzenia I T(AV) - prąd anodowy w stanie przewodzenia (dla U AK = 1V) - prąd podtrzymania I H - maksymalne napięcię wsteczne U RSM - dopuszczalne wsteczne napięcie anodowe U RRM (równe 0.8U RSM ) - maksymalna moc admisyjna - napięcie przełączające bramki U GT - prąd przełączający bramki I GT

12 Tyrystory konwencjonalne model R1 wpływa na część ch-ki U-I o ujemnym nachyleniu R2 wpływa na wartośc prądu podtrzymania I H R3 wpływa na wartość U B0

13 Tyrystory konwencjonalne rodzaje Sieciowe najstarszy typ, stosowane w układach o częstotliwościach pracy 50, 60 Hz jako sterowane prostowniki i włączniki. Szybkie przystosowane do pracy przy częstotliwościach 2 10 khz, budowa z wykorzystaniem tzw. bramki wzmacniającej: dwie struktury pnpn: pomocnicza i główna. Po podaniu impulsu bramkowego włącza się struktura pomocnicza, wywołany w niej przepływ prądu anodowaego włącza strukturę główną. Stosowane jako przełączniki mocy Impulsowe - o bardzo krótkich czasach przełączania, dużych wartościach chwilowego prądu szczytowego i małych średniego, stosowane np. w urządzeniach radarowych

14 Tyrystory konwencjonalne rodzaje Czasy wyłączania tyrystorów wynoszą: - dla napięcia U B0 równych ok. 1kV (12 20) s - dla napięcia U B0 równych ok. 2kV (40 60) s - dla napięć U B0 równych ok. 3 kv (80 100) s Prądy znamionowe nie przekraczają zwykle 2 ka.

15 Tyrystor wyłączany prądem bramki GTO Gate Turn off Thyristor Dla dodatniej polaryzacji bramki sterujemy załączaniem tyrystora tak jak w przypadku SCR. Gdy do bramki doprowadzimy prąd o ujemnej polaryzacji i wartości około 20% prądu anodowego wyłączamy tyrystor.

16 Tyrystor wyłączany prądem bramki GTO Gate Turn off Thyristor

17 Tyrystor wyłączany prądem bramki GTO Gate Turn off Thyristor

18 Tyrystor wyłączany prądem bramki GTO Gate Turn off Thyristor Czasy wyłączania tyrystorów wynoszą (10 40) ms. Prądy znamionowe nie przekraczają 3 ka. Maksymalne częstotliwości pracy wynoszą 2 khz. Maksymalny narost napięcia 1.3 kv/s.

19 Triak tyrystor dwukierunkowy

20 Triak tyrystor dwukierunkowy

21 Dynistor dioda Shockleya Jest to tyrystor bez bramki. Przejście w stan przewodzenia następuje po przekroczeniu odpowiedniej wartości napięcia anoda katoda (U B0 ) I A I A p 1 j 1 + n 1 j C - U B0 U AK p 2 n 2 j 2 I K Stosowany w układach elektronicznych małej mocy jako element przełączający.

22 Fototyrystory LTT Light Triggered Thyristor Załączany strumieniem świetlnym (światło uwalnia dodatkowe pary nośników co powoduje wzrost prądu anodowego). Wiązka światła wytwarzana np. przez laser jest doprowadzona do struktury tyrystora światłowodem. Takie rozwiązanie umozliwia izolację galwaniczną obwodu sterującego od obwodu sterowanego zazwyczaj wysoko napięciowego/prądowego. I A I A R F p 1 p 1 j 1 + j 1 + n 1 j C - n 1 j C - p 2 p 2 j 2 j 2 n 2 n 2 I K I K

23 Diak dwukierunkowa dioda Shockleya Dynistor pracujący dwukierunkowo. I A -U B0 U AK U B0 Stosowany w układach sterowania tyrystorów.

24 Tyrystory asymetryczne ASCR Asymetrical Silicon Controlled Rectifier ASCR tyrystor o niskim napięciu wstecznym (20V 50V) i o dużym napięciu blokowania ok.. 2kV. Tyrystory te charakteryzują się krótkim czasem wyłączania (dla U B0 = 1.2kV t q = 8-20 s, dla 2kV t q = 25 40s). Dopuszczalne częstotliwości przełaczania wynoszą khz. Maksymalny narost napięcia (0.4 1) kv/s. Maksymalny narost prądu ( ) ka/s Posiadająmniejsze straty mocy niż klasyczne SCR.

25 Tyrystory asymetryczne ASCR Asymetrical Silicon Controlled Rectifier

26 RCT (Reverse Conducting Thyristor) Tyrystory przewodzące wstecznie Tyrystor przełączany impulsami prądu bramki. Posiada wbudowaną diodę przewodzacą dla polaryzacji wsteczne napięcia A-K tyrystora (zamiast łączenia równolegle do SCR diody). Dla U B0 = 1.2kV t dr = (10 15) s, dla 2kV (20 40) s, a dla 2.5 kv (40-60) s. Maksymalny narost napięcia (0.4 1) kv/s. Częstotliwości pracy (10-20) khz.

27 RCT (Reverse Conducting Thyristor) Tyrystory przewodzące wstecznie

28 SITH (Static Induction Thyristor) Tyrystory elektrostatyczne Stosuje się także nazwy: FCT ( Field Controlled Thyristor), FCD ( Field Controlled Thyristor). Tyrystory te przewodzą prąd przy braku sygnału sterującego. Przerwe w przewodzeniu uzyskuje się poprzez doprowadzenie do bramki ujemnego względem katody napięcia. Maksymalne napięcia włączające tyrystor wynoszą (1.5 2) kv. Maksymalny prąd przewodzenia wynosi 0.8 ka. Czas załaczenia wynosi 2 s a wyłaczenia (2 3) s. Maksymalny narost prądu 0.9 ka/s. Częstotliwości pracy ( ) khz.

29 SITH (Static Induction Thyristor) Tyrystory elektrostatyczne

30 MCT (MOS Controlled Thyristor) Tyrystory sterowane napięciowo Siemens stosuje nazwę MOS GTO. Działa jak klasyczny tyrystor z tym że sterowanie odbywa się tak jak w tranzystorach MOS (wciąż w fazie badawczej) Zaleta możliwość bezpośredniego sterowania z układów logicznych typu CMOS.

31 MCT (MOS Controlled Thyristor) Tyrystory sterowane napięciowo

32 Tyrystory porównanie właściwości

33 Tyrystory porównanie właściwości

34 Tyrystory porównanie właściwości

35 Tyrystory porównanie właściwości

36 IGBT (Isulated Gate Bipolar Transistor) Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką Połączenie właściwości tranzystorów: bipolarnego i polowego: - niskie napięcie przewodzenia, - krótkie czasy przełączania: t on (0.4 1) s, t off (0.8 2) s, - częstotliwości pracy (10 50) khz, - duża impedancja wejściowa, - duża dopuszczalna gęstość prądów - duży obszar pracy bezpiecznej

37 IGBT (Isulated Gate Bipolar Transistor) Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką Struktura i schemat zastępczy

38 IGBT (Isulated Gate Bipolar Transistor) Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką Charakterystyki wyjściowe i przejściowe

39 IGBT (Isulated Gate Bipolar Transistor) Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką Obszar pracy bezpiecznej

40 IGBT (Isulated Gate Bipolar Transistor) Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką

41 SIT ( Static Induction Transistor) Tranzystor elektrostatyczny Sterowany napięciowo tranzystor w którym regulujemy przepływ prądu bramki (tak jak MOSFET). Charakteryzuje się mniejszymi od tranzystorów MOSFET stratami mocy i wiekszymi mocami przenoszonymi. Właściwości przyrządu: - zdolność do pracy przy b. dużych napięciach, - dobre właściwości łączeniowe - konstrukcję ułatwiającą chłodzenie

42 SIT ( Static Induction Transistor) Tranzystor elektrostatyczny Symbol i budowa

43 SIT ( Static Induction Transistor) Tranzystor elektrostatyczny Charakterystyki tranzystora

44 Tranzystory przełączające mocy - porównanie

45 Tranzystory przełączające mocy - porównanie

46 Tranzystory przełączające mocy - porównanie

47 Tranzystory przełączające mocy - porównanie

48 Tranzystory przełączające mocy kryteria doboru dla różnych układów przekształcających

49 Tranzystory przełączające mocy moc strat dla kluczowania prądu stałego Wsp. wypełnienia 50%

50 Tranzystory przełączające mocy moc strat tranzystorów stosowanych w falownikach impulsowych f = 50Hz, cosf = I = 0.8I m I = 1.25I m