poluvodiČke sklopke i ventili osnovni pojmovi povijesni razvoj pregled vrsta
DESCRIPTION
POLUVODIČKE SKLOPKE I VENTILI OSNOVNI POJMOVI POVIJESNI RAZVOJ PREGLED VRSTA. Poluvodička sklopka je operativna cjelina. Sastoji se od: − jednog ili više poluvodičkih ventila, − zaštite od prenapona i prekostruja, − pobudnog (upravljačkog) stupnja, − rashladnog tijela. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
POLUVODIČKE SKLOPKE I VENTILI
• OSNOVNI POJMOVI
• POVIJESNI RAZVOJ
• PREGLED VRSTA
Poluvodička sklopka je operativna cjelina. Sastoji se od:
− jednog ili više poluvodičkih ventila,
− zaštite od prenapona i prekostruja,
− pobudnog (upravljačkog) stupnja,
− rashladnog tijela.
Poluvodički ventil je poluvodička komponenta za uklapanje i isklapanje struje. Samostalno je inoperativna.
Elektronička sklopka
Osnovna komponenta pretvaračkog sklopa je elektronička sklopka. Jasno je da su inženjeri nastojali razviti elektroničku sklopku u svemu jednaku idealnoj mehaničkoj električkoj sklopki (sklapa kod oba polariteta napona, vodi struju u oba smjera i nema gubitaka).
sklopka otvorena: i(t) = 0
sklopka zatvorena: v(t) = 0
u oba slučaja:
p(t) = i(t) v(t) = 0
Elektronička sklopka funkcionalno jednaka mehaničkoj sklopki je veoma složena (sastoji se od više elektroničkih ventila). Ipak, operativna cjelina koja ima samo neke funkcije mehaničke sklopke naziva se elektronička sklopka.
Dakle, u stvarnom svijetu treba razlikovati:
– mehaničku sklopku,
– elektroničku sklopku (ima samo neke funkcije mehaničke sklopke).
U idealnom svijetu treba razlikovati:
– idealnu mehaničku sklopku,
– idealnu elektroničku sklopku (ima samo neke funkcije mehaničke sklopke).
Stvarne elektroničke sklopke se više ili manje približuju idealnim, jer stvarni poluvodički ventili imaju male gubitke.
Poluvodički ventil
To je složena struktura unutar monokristala silicija. Primjerice, IGBT u jednom smjeru može držati napon i uklapati i isklapati struju, a u drugom smjeru eventualno može držati napon (samo neke izvedbe) i ne može voditi struju.
IGBT
Svaki poluvodički ventil ima gubitke: gubitke uklapanja, gubitke isklapanja i gubitke vođenja. Primjerice, tijekom isklapanja diode, na diodi istodobno postoji napon i teče znatna struja (umnožak napona i struje daje vremenski tijek gubitaka):
zaostali naboj
Naponsko-strujno naprezanje diode tijekom isklapanjavrijeme oporavljanja
Ili, tijekom uklapanja tranzistora poteče struja prije nego je započelo opadanje napona:
Naponsko-strujno naprezanje tranzistora tijekom uklapanja
Nekad nije bilo tako…Električki ventili su se razlikovali od današnjih…
Upravljivi živin ispravljač u čeličnoj posudi (2000 A, 3000 V)
Upravljivi živin ispravljač u staklenoj posudi
…nalikovali su na vanzemaljce.
Upravljivi živin ispravljač u staklenoj posudi nazivne struje 500 A. Desno je regulacijski uređaj (BBC).
Upravljivi živin ispravljač u nazivnom pogonu. Vidi se curenje kondenzirane žive u kondenzacijskom balonu. Vide se i priključci upravljačkih rešetki.
Kontaktni slog sa 6 kontakata u spoju sa srednjom točkom za pretvarače 5000 A, 300 V (SSW, 1939.)
Koristili su se i mehanički kontaktni slogovi
Mehanički pretvarač: 200 A, 230 V (SSW, 1941.)
Mehanički pretvarač za 4000 A i 50 V: a) uklopne prigušnice, b) kontaktni slog, c) razvodni ormar (SSW, 1943.)
Za ostvarenje mehaničkih pretvarača
Kada je započela era poluvodiča?
Kako je Shockley dobio Nobelovu nagradu?
1949. god.
Kako su poluvodički ventili izgledali nekad?
1954. god.
Dioda izrađena u laboratorijima Instituta za fiziku Sveučilišta u Zagrebu
Osnovni podaci diode:
- strujna opteretivost: 200 A
- naponska opteretivost: 1800 V
Lađica za legiranje i sendvič diode. 1967. god.
Ideja poluvodičkog upravljivog poluvodičkog ventila –
- PNPN struktura
Članak je uredništvo primilo u svibnju
1956. god.
Usporedba živinog ventila i tiristora
Živin ventil Tiristor
Pad napona u stanju vođenja: 25 V 1,5 V
Radna temperatura kućišta 15…60 °C -40…80 °C
Vrijeme oporavljanja: 300…400 us 30…400 us
Volumen sveden na jedinicusklopne snage: 2500 dm3/MW 0,1 dm3/MW
I tako se razvila velika porodica poluvodičkih ventila:
Osnovne vrste današnjih poluvodičkih ventila
Poluvodičkih učinskih ventila ima oko pedeset različitih vrsta. Ne treba ih za sada posebno učiti. Samo treba prepoznati da se unutar monokristala silicija (pravilne kristalne rešetke) može naći šest različitih struktura.
MOS struktura
struktura metal - poluvodič
PN struktura
diodna struktura
tranzistorska struktura
tiristorska struktura
OSNOVNE STRUKTURE POLUVODIČKIH KOMPONENATA
Raspon snaga današnjih poluvodičkih ventila je velik …
Visokofrekvencijske diode
GTO tiristori 4500 V, 3000 A za elektromo-torne pogone u vuči
Mrežne i frekvencijske diode i tiristori
Tiristori 8000 V, 1200 A odn. 5500 V, 2600 A za istosmjerene velepri-jenose i statičke kom-penzatore jalove snage
Izbor ventila iz proizvodnog programa tvrtke SEMIKRON
Gdje se upotrebljavaju poluvodički ventili?
Istosmjerni veleprijenosi
Kompenzatori
Elektrolize
Vuča
Neprekinuto napajanje
Indukcijsko zagrijavanje
Elektromotorni pogoni
Visokofrekvencijsko zavarivanje
Napajanje
Radna područja poluvodičkih sklopki
Primjer jednokvadrantnog
rada sklopke:ON - Stanje vođenja
OFF - Stanje nevođenja
napon u stanju nevođenja
struja u stanju vođenja
Napon ide lijevo, negativan je
Radna područja poluvodičkih sklopki
vOFF
vOFF
iON
iON
iON
vOFF
Jednokvadrantna
sklopka
(strujno jednosmjerna, naponski unipolarna)
Dvokvadrantna
sklopka
(strujno dvosmjerna, naponski unipolarna)
vOF
F
iONDvokvadrantna
sklopka
(strujno jednosmjerna, naponski bipolarna)
Četverokvad-rantna sklopka
(strujno dvosmjerna, naponski bipolarna)
KOMPONENTE (AKTIVNE, PASIVNE)
REALNI I IDEALNI SVIJET
SVIJET MODELA I SVIJET UREĐAJA
Nazivlje
I u nazivlju treba razlikovati realni od idealnog svijeta.
Realni svijet Idealni svijet
komponenta element
otpornik otpor
kondenzator kapacitet
prigušnica induktivitet
transformator idealni transformator
savršeni transformator
dioda idealna dioda
tranzistor idealni tranzistor
priključak pristup
U dosta slučajeva nema zasebnog naziva za pojmove u idealnom svijetu i u realnom svijetu. Zato se dodaje pridjev ‘realni’ ili ‘idealni’, primjerice:
- realni tiristor - idealni tiristor
- realni naponski izvor - idealni naponski izvor
itd.
Modeli poluvodičkih ventila - DIODA
iON
vOFF
Jednokvadrantna
sklopka
(strujno jednosmjerna, naponski jednopolna)
• neupravljiva, jednokvadrantna sklopka,
• vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K),
• preuzima nagativni (zaporni) napon u stanju nevođenja,
• sklopno stanje ovisi samo o struji i/ili naponu na stezaljkama A i K
A
K
Modeli poluvodičkih ventila - TIRISTOR
vOF
F
iONDvokvadrantna
sklopka
(strujno jednosmjerna, naponski dvopolna)
• (polu)upravljiva, samo uklopiva, dvokvadrantna sklopka,
• vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K),
• preuzima negativni (zaporni) napon ili pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja,
• uklapa pomoću pozitivnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu) pod uvjetom da se nalazio u stanju blokiranja
G
A
K
Modeli poluvodičkih ventila - TIRISTOR
Već na razini osnovne analize sklopova, treba u model tiristora uvesti vrijeme oporavljanja.
vrijeme oporavljanja = minimalno potrebno vrijeme odmaranja
vrijeme oporavljanja komponenta
vrijeme odmaranja sklop
Modeli poluvodičkih ventila – GTO (geitom isklopiv tiristor)
vOF
F
iONDvokvadrantna
sklopka
(strujno jednosmjerna, naponski dvopolna)
• upravljiva, uklopiva i isklopiva, dvokvadrantna sklopka,
• vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K),
• preuzima negativni (zaporni) napon ili pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja,
• uklapa pomoću pozitivnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu) pod uvjetom da se nalazio u stanju blokiranja
• isklapa pomoću negativnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu)
G
A
K
(engl. gate turn off thyristor, GTO)
Modeli poluvodičkih ventila – BJT (bipolarni tranzistor)
• upravljiva, uklopiva i isklopiva, jednokvadrantna sklopka,
• vodi struju u jednom smjeru
• preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja,
• uklapa pomoću pozitivnog strujnog impulsa na upravljačkoj elektrodi (bazi)
B
C
E
(engl. bipolar junction transistor)
iON
vOFF
Jednokvadrantna
sklopka
(strujno jednosmjerna, naponski jednopolna)
Modeli poluvodičkih ventila – IGBT
(bipolarni tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom)(engl. insulated gate bipolar transistor)
iON
vOFF
Jednokvadrantna
sklopka
(strujno jednosmjerna, naponski jednopolna)
G
D (C)
S (E)
• upravljiva, uklopiva i isklopiva, jednokvadrantna sklopka,
• vodi struju u jednom smjeru
• preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja, samo neki tipovi IGBT-a mogu preuzeti negativni (zaporni) napon
• uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa
Modeli poluvodičkih ventila – MOSFET
(MOS tranzistor s efektom polja)(engl. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
G
D
S
• upravljiva, uklopiva i isklopiva, dvokvadrantna sklopka,
• vodi struju u dva smjeru (u jednom FET u drugom ugrađena dioda),
• preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja,
• uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa
U primjenama često trebamo strujno dvosmjernu sklopku, možemo je ostvariti kombinacijom ventila
Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT-u) možemo dodati povratnu diodu.
Ukoliko nas dinamička svojstva ugrađene diode MOSFET-a ne zadovoljavaju, rješenje je sljedeće
B
C
E
Primjer za primjenu dvokvadrantne strujno dvosmjerne sklopke je kod izmjenjivača s naponskim ulazom.
Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT-u ili MOSFET-u) možemo u seriju dodati diodu koja preuzima napon kojeg tranzistor ne bi mogao preuzeti.
U primjenama može zatrebati i strujno jednosmjerna sklopka, a naponski bipolarna sklopka koju također možemo ostvariti kombinacijom ventila
(tranzistor preuzima napon)
(dioda preuzima napon)
B
E
Primjer za primjenu dvokvadrantne naponski bipolarne sklopke je kod izmjenjivača sa strujnim ulazom.
Idealni nadomjestak za mehaničku sklopku je četverokvadrantna električka sklopka, koja se na različite načine može ostvariti kombinacijom poluvodičkih ventila
• upravljiva, uklopiva i isklopiva, četverokvadrantna sklopka,
• vodi struju u dva smjeru i preuzima napon u dva smjera,
• uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi, isklapa nakon uklanjanja tog impulsa
Primjer za primjenu četverokvadrantne sklopke je kod matričnih pretvarača.
Svi naponi i struje su izmjenični, sklopke moraju biti četverokvadrantne. Potrebno je 9 takvih sklopki.
Hidraulička analogija diodne i tiristorske strukture
Analogija tiristorske strukture
Analogija diodne strukture
Kada se jednom izvuče zapor, više se ne može zaustaviti tok.
Hidraulička analogija tranzistorske strukture
MODELI PASIVNIH KOMPONENATA
Model otpornika, prigušnice i kondenzatora
Model otpornika, prigušnice i kondenzatora
Dobro je uvijek na jednak način označavati smjerove napona i struja elemenata i pamtiti formule koje povezuju tako označene polaritete napona i smjerove struja. To su tehničke rutine.
Otpornik
Nadomjesna shema otpornika
metal-film žičani
Frekvencijska ovisnost impedancije žičanog otpornika:
Model komponente ima samo neka svojstva komponente (a ima i svojstva koje komponenta nema).
Matematički model (obično se gradi iz nadomjesne sheme), to je ovisnost struje i o naponu u:
2
22
2
22
11
d
d
d
d
d
d
d
d
d
dd
d
t
uLC
t
uRCu
t
iLRiu
t
iLRi
iit
LiiRu
t
iLRiu
Ako je L = 0 i C = 0, vrijedi Ohmov zakon u = Ri.
i1
i2
i
u
KondenzatorNadomjesna shema kondenzatora
Magnetski vezani induktiviteti (dvonamotni transformator)
Magnetski vezani induktiviteti (dvonamotni transformator)
Magnetski vezani induktiviteti (dvonamotni transformator)
Modeliranje transformatora u elektroenergetici
dio napona se izgubi pri transformaciji
Primjeri transformatora …
… većih snaga (nekoliko kW) …
… i manjih snaga (oko 100 W).