ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH

Transkrypt

1 Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny ELEMENTY UKŁADÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH 3. Przegląd właściwości łączników mocy 3.1 Dioda 3.2 Tranzystor bipolarny BJT 3.3 Tyrystor SCR P W Mieczysław Nowak Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Czerwiec/lipiec 2009

2 Wiadomości ogólne 3. Przegląd właściwości łączników mocy Przyrządy półprzewodnikowe łączniki mocy - stosowane do budowy wysokosprawnych przekształtników cechują konkretne właściwości użytkowe wynikające ze zjawisk charakterystycznych dla złączowych struktur półprzewodnikowych ( Rozdział 2). 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) 3/1

3 Wiadomości ogólne 3. Przegląd właściwości łączników mocy 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 U TO (napięcie progowe) i rezystancje r F (rezystancja dynamiczna) W stanie blokowania czy zaworowym również stosowana jest liniowa reprezentacja ch-ki napięciowo-prądowej odpowiadająca źródło prądu I RD oraz równolegle włączoną rezystancję r RD. Najistotniejszym krytycznym parametrem w stanie zaworowym i blokowania jest napięcie przebicia lawinowego U BR P strpp 1 T 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 U TO i r F oraz wartość średnią I F(AV) i skuteczną I F(RMS) prądu płynącego w okresie T T 0 u F ( t) i( t) dt U TO I F ( AV ) r F I 2 F ( RMS) 3/2

4 Wiadomości ogólne 3. Przegląd właściwości łączników mocy 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 E on i E off należy obliczyć wartość całki z chwilowej mocy strat (iloczyn chwilowych wartości napięcia i prądu łącznika ). Całkowita średnia moc strat łączeniowych występująca w łączniku -P S - jest określona na podstawie sumy strat występujących przy pojedynczym załączeniu i wyłączeniu i częstotliwości łączeń - f S zgodnie z wzorem P S f S ( E E on off ) Poza określeniem wartością mocy strat P S, 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 3/3

5 3. Przegląd właściwości łączników mocy Wiadomości ogólne 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 T j jest proporcjonalny do całkowitej mocy strat i rezystancji termicznej R th odzwierciedlającej efektywność chłodzenia. A zatem Właściwości termiczne elementów stosowanych w energoelektronice a w pierwszym rzędzie łączników półprzewodnikowych są przedstawione w odrębnym paragrafieprezentacji j Ta W dalszej części wykładów zostaną w punktach omówione szczegółowo właściwości i informacje katalogowe o najważniejszych przyrządach półprzewodnikowych: diodzie, tranzystorze bipolarnym, tyrystorze, GTO i GCT, MOS, IGBT T P str R th 3/4

6 Ch-ki statyczne diody stan zaworowy 3.1 Dioda 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 Napięcie niedopuszczalne to napięcie przebicia U (BR) W znacznych odstępach czasu na diodzie może pojawiać się napięcie bliskie napięciu przebicia U RSM tzw wsteczne jednokrotne maksymalne Jako napięcie robocze dopuszczalne cyklicznie przyjmuje się wartość oznaczoną jako U RRM - wsteczne, powtarzalne maksymalne. Prąd wsteczny I R definiowany dla typowej temperatury roboczej struktury(np. 125 C) i nominalnego napięcia U RRM ma niewielkie wartości i nie jest zwykle konieczne jej uwzględnianie ( np. przy wyznaczaniu mocy strat. Wartość I R ma znaczenie przy rozkładzie napięć przy szeregowym łączeniu diod. Napięcie tzw robocze które może pojawiać się na diodzie nie powinno przekraczać 50% U RRM 3/5

7 Ch-ki statyczne diody stan przewodzenia 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. 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 I FSM oraz tzw parametr przeciążeniowy I 2 t służący do doboru zabezpieczeń. 3/6

8 Właściwości dynamiczne załączanie i wyłączanie 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 U Fmax znacznie wyższe niż wynika to z charakterystyki U-I w stanie przewodzenia.. 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 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 Q S reszta ładunku Q f 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 Q rr =Q S +Q f, maksymalny wsteczny prąd przejściowy - I rrm oraz czas trwania przepływu prądu wstecznego t rr. 3/7

9 Właściwości dynamiczne załączanie i wyłączanie 3.1 Dioda Parametry Q rr, I rrm oraz t rr pozostając wzajemnie powiązane przy czym są one zależne od stromości zmian prądu ( di/dt), wartości prądu przewodzenia przed wyłączaniem (I F ) i oczywiście temperatury struktury złączowej. Odpowiednie diagramy odwzorowujące te zależności są podawane w katalogach. Przykładowe zależności Q rr, I rrm oraz t rr 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 Q rr i t rr są kluczowym 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 t f t S. 3/8

10 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). Si 20A 200V Dioda Schottky ego SiC 10A/ 1200V Podstawowa zaleta diody tego rodzaju to brak ładunku nadmiarowego w strefie dryftu a w związku z tym z brak prądu wstecznego przy wyłączaniu ( Q rr i t rr bliskie zeru) w związku z czym doskonale nadają sie do wielkich częstotliwości. 3/9

11 Wiadomości ogólne 3.2 Tranzystor bipolarny 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 zastosowaniach 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 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. 3/10

12 Budowa - podstawy 3.2 Tranzystor bipolarny Stosunek między wartością prądu kolektora i prądu bazy odzwierciedla jeden z najważniejszych konstrukcyjnych oraz użytkowych parametrów tranzystora, mianowicie wzmocnienie prądowe = I C /I B. 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 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. 3/11

13 3.2 Tranzystor bipolarny 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 napięciowoprądowe tranzystora bipolarnego 3/12

14 Dopuszczalne napięcie kolektor-emiter 3.2 Tranzystor bipolarny 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 U CEO. Jeżeli natomiast baza jest połączona zewnętrznie z emiterem przez rezystor R, to prąd blokowania tranzystora zmniejsza się. Powoduje to wzrost wartości maksymalnego dopuszczalnego napięcia U CER, W granicznym przypadku, gdy złącze bazaemiter jest zwarte (R=0), wytrzymałość napięciowa złącza wzrasta do wartości U CBO (rys.c), która może być wyższa nawet o kilkadziesiąt procent od U CEO. Pewien dodatkowy wzrost wytrzymałości napięciowej tranzystora do wartości U CEV 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 U CE(sus)0 Różne warunki polaryzacji obwodu bazy wpływ na napięcie blokowania 3/13

15 3.2 Tranzystor bipolarny 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 U CE 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) Napięcie w stanie przewodzenia Stan aktywny Stan quasi - nasycenia Stan twardegonasycenia 3/14

16 Właściwości dynamiczne tranzystora ( on off ) 3.2 Tranzystor bipolarny Do wyjaśnienia procesów łączeniowych tranzystora bipolarnego posłuży układ pokazany na rysunku w którym indukcyjny charakter umieszczonego w kolektorze odbiornika powoduje, że przy krótko trwających przełączeniach można traktować go jako źródło prądu o stałej wartości I o. Dioda bocznikująca indukcyjne obciążenie kolektorowe tranzystora stanowi element nierozłącznie związany z procesami łączeniowymi, a jej właściwości wywierają istotny wpływ na proces załączania tranzystora. 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 I o lecz do sumy I o + I rrm, (I rrm -przejściowy prąd wsteczny diody). W czasie gdy dioda pozostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia (przedział t 2 t 3 ) na załączanym tranzystorze występuje napięcie zasilania pomniejszone o spadek napięcia na indukcyjności występującej w obwodzie zasilania (L o di C!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 wolniejsze, zmniejszenie napięcia do wartości typowej dla stanu quasi-nasycenia. Zwykle stosuje się uproszczenie polegające na określeniu całego czasu załączania za pomocą jednej wartości t on będącej sumą czasu opóźnienia t d = t 2 -t 1 oraz czasu narastania prądu do wartości nominalnej t r = t 3 - t 2. 3/15

17 Właściwości dynamiczne tranzystora ( on off ) 3.2 Tranzystor bipolarny 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 t s = t 2 -t 1 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 t 2 t 3 ) a potem z większą stromością, aż osiągnie wartość równą napięciu zasilania (chwila t 4 ). Dopiero wtedy zaczyna się proces szybkiego zmniejszania prądów bazy i kolektora do zera. Jest to tzw. czas opadania t f =t 5 -t 4 Odmiennie 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. 3/16

18 Katalogowe informacje o tranzystorach BJT 3.2 Tranzystor bipolarny Podstawowym parametrem który jest uwzględniany przy tzw charakteryzacji innych podstawowych parametrów jest temperatura struktury złączowej T j. Charakterystyka napięciowo-prądowa ( tzw. wyjściowa jest określana w zakresie napięć odpowiadających stanowi nasycenia i quasinasycenia 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 3/17

19 Katalogowe informacje o tranzystorach BJT 3.2 Tranzystor bipolarny Niezwykle ważny parametr tranzystorawzmocnienie prądowe zależy w charakterystyczny sposób od prądu kolektora Także parametry dynamiczne -czasy charakteryzujące proces załączania i wyłączania są funkcją prądu kolektora i temperatury T j 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. 3/18

20 Wiadomości ogólne 3.3 Tyrystor 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 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.. 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 I A przepływający przez strukturę wzrośnie to zgodnie z wzorem: I A 2IG I 0 1 ( 1 2) 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. 3/19

21 Wiadomości ogólne - Charakterystyki U-I 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 3.3 Tyrystor Pełna charakterystyka napięciowo- prądowa dla stanu zaworowego i blokowania przedstawiona poniżej wykazuje w typowych rozwiązaniach symetrię. Dla napięcia dodatniego po przekroczeniu wartości U D(BO) następuje przełączenie do stanu przewodzenia. W stanie zaworowym po przekroczeniu napięcia U R(BR) następuje niszczące przebicie lawinowe 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 I H ). 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 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. 3/20

22 Właściwości dynamiczne 3.3 Tyrystor 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 ( t q ). Proces ten zobrazowany przebiegami na rys. b) odzwierciedla komplementarne w stosunku do procesu załączania 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. a) b) 3/21 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 - (du D /dt ) crit iest istotnym parametrem charakteryzującym właściwości dynamiczne tyrystora.

23 Informacje katalogowe o tyrystorach 3.3 Tyrystor Podobnie jak w przypadku diody energetycznej są określone wartości charakteryzujące obciążalność prądową, a mianowicie: I T(AV)m - maksymalny średni prąd przewodzenia (prąd graniczny); I T(RMS) - maksymalny dopuszczalny prąd skuteczny; I TMS - niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia. Takie samo znaczenie jak w diodzie ma w odniesieniu do tyrystora parametr przeciążeniowy I 2 t. Oprócz wymienionych wielkości, w przypadku tyrystora określa się wartość minimalną prądu, przy której tyrystor pozostaje w stanie przewodzenia, tzw. prąd podtrzymania (prąd wyłączania) I H. Niekiedy uzupełnieniem tej wielkości jest minimalny prąd załączania I L (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 U RRM i niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne U RSM - konieczne jest uwzględnienie analogicznych parametrów dla stanu blokowania a mianowicie powtarzalnego szczytowego napięcia blokowania U DRM i niepowtarzalnego szczytowego napięcia blokowania U DSM. Warto nadmienić, że przeważnie U RRM = U DRM, 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 I R i blokowania I D. Pewna grupa parametrów typowa dla tyrystora dotyczy obwodu bramki. Jako podstawowe wielkości należy wymienić minimalne wartości prądu bramki I GT (prąd bramki przełączający) i napięcia bramki U GT (napięcie bramki przełączające), przy których zapewnione jest załączenie każdego egzemplarza tyrystora danego typu. Znaczące jest też maksymalne napięcie nieprzełączające bramki U GD i maksymalna dopuszczalna wartość prądu I FGM i napięcia U FGM 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 (U G, I G ) jako ograniczony dwoma liniami obszar, w którym musi przebiegać charakterystyka U-I bramki tyrystora 3/22

24 Informacje katalogowe o tyrystorach 3.3 Tyrystor 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: t gt - czas załączania - będący sumą czasu opóźnienia t d i czasu opadania napięcia t r t q - 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 T j, lecz także od wartości napięcia wstecznego przy wyłączaniu, stromości narastania napięcia blokowania oraz wartości wyłączanego prądu I T ; przykładowe wykresy takich zależności pokazano na rys. Q rr - 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 t r,; wartość ładunku Q rr zależy od stromości zmian prądu przy wyłączaniu di rr /dt oraz wartości przewodzonego prądu I T, I rrm - wartość szczytowa przejściowego prądu wstecznego pozostaje w związku z wartością ładunku Q rr ; w katalogu podawany jest zwykle wykres zależności I rrm = f(di rr /dt, I T ),. 3/23

25 Specjalne typy tyrystorów 3.3 Tyrystor 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. 3/24