Przegląd półprzewodnikowych przyrządów mocy

Transkrypt

1 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 1

2 Klasyfikacja DIODY Zawory niesterowane TYRYSTORY 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 2

3 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) 3

4 Mikroelektroniczny model diody: wykładnicze prawo złącza (na charakterystyce wykreślonej w zakresie setek woltów spadek napięcia przewodzenia staje się z trudem zauważalny) 4

5 Odcinkowo-liniowe modele diody a) dioda idealna b) dioda o stałym spadku napiecia przewodzenia ( w mikroelektronice V F0 0.6 V; w energoelektronice V F0 > 1V ) 5

6 Załączanie i wyłączanie diody Załączanie jest bardzo szybkie Wyłączanie nie jest natychmiastowe powstaje krótkotrwały prąd ujemny (straty, przepięcia) t rr czas odzyskiwania zdolności zaworowych (reverse recovery time) Q rr ładunek przejściowy przy wyłączaniu I RM max. przejściowy prąd wsteczny 6

7 Typy diod Diody do urządzeń pracujących przy częstotliwości siieciowej niski spadek napięcia ==> relatywnie długi czas t rr (do 100us) wielkie prądy i napięcia znamionowe (7kV, 5kA) Diody szybkie krótki czas t rr, 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) 7

8 Tyrystory - charakterystyki tyrystora SCR 8

9 Tyrystor w prostym obwodzie: V~Th-R Załączanie impulsem i G przy U AK >0; przewodzenie możliwe również przy i G =0 Wyłączenie gdy i A jest bliskie zera; niemożliwe od strony bramki 9

10 Wyłączanie tyrystora Aby pewnie wyłączyć trzeba utrzymać wsteczną polaryzację u AK przez czas dłuższy niż katalogowy czas wyłączania tyrystora t q 10

11 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,..) 11

12 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 t d(on) prąd łącznika narasta w czasie t ri, a następnie napięcie na łączniku opada do zera w czasie t fv energia stracona jest równa powierzchni trójkąta o podstawie t c(on) = t ri + t fv 12

13 Straty energii i średnie straty mocy (c.d.) Straty w stanie przewodzenia: Wywołane są spadkiem napiecia przewodzenia Energia tracona w 1 cyklu pracy: Średnia moc strat przewodzenia: Średnia moc strat spowodowanych przełączaniem: Czas załączenia t on jest zwykle znacznie dłuższy niż suma czasów przełaczeń, ale: Dla dużych częstotliwości f s, straty łączeniowe przeważają nad stratami przewodzenia P s = W P 1 2 on on U = U =U d I o on on f s I I o on ( t t t T on s on + t c( on) c( off ) ) 13

14 Straty mocy przy przełączaniu - ćwiczenie ipes 14

15 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 15

16 Energoelektroniczne tranzystory polowe Stosowane dla niskich napięć i dużych prądów Szybkie przełączanie ( f s = 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 16

17 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 17

18 Wyłączanie tyrystora GTO Konieczne obwody odciążające przy wyłączaniu (odprowadzają energię z indukcyjności obwodu, ograniczają przepięcia i szybkość narastania napięcia przy wyłączaniu) 18

19 Tyrystory bipolarne z izolowaną bramką IGBT Mniejsze niż w MOSFETach napiecie przewodzenia (dla dużych napięć) Obecnie dominują w zakresie mocy kW przy napięciach V 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 19

20 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 20

21 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 21

22 Zestawienie zakresów stosowalności przyrządów 22