kompensator udarów mocy czynnej w sieci...

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).


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


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


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


ISEP-PW

I S EP

P W


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



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


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


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.


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.


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.


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


Energoelektroniki


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


Energoelektroniki


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


Energoelektroniki


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


Energoelektroniki


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


Energoelektroniki


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.


Energoelektroniki


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.


Energoelektroniki


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


Energoelektroniki


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.


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.


Energoelektroniki


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


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.


Energoelektroniki


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


Energoelektroniki


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.


Energoelektroniki


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.

kompensator udarów mocy czynnej w sieci...

Documents