Temat i plan wykładu

Półprzewodnikowe przyrządy mocy

1. Wprowadzenie

2. Tranzystor jako łącznik

3. Charakterystyki prądowo-napięciowe

4. Charakterystyki dynamiczne

5. Definicja czasów przełączania

6. Straty mocy

Tranzystor MOSFET w układzie łącznika z obciąŜeniem rezystancyjnym

Charakterystyki tranzystora MOSFET IRF530

Podstawowe parametry tranzystora MOSFET IRF530

IXUN350N10

Przebiegi napięć i prądu podczas przełączania

Prosta pracy na tle statycznych charakterystyk wyjściowych

zgodnie z rys. b, punkty t0 i t1 oraz t2 t3 niemal się pokrywają

Techniczne definicje parametrów czasowych tranzystora MOSFET mocy

td(on) czas opóźnienia przy załączaniu tr czas narastania

td(off) czas opóźnienia przy wyłączaniu tf czas opadania

Straty ppm w stanie przewodzenia

Charakterystyka znormalizowanej rezystancji dren-źrodło w stanie załączenia w funkcji temperatury

tranzystora MOSFET

Straty łączeniowe (dynamiczne) w tranzystorach

Straty diody w procesie wyłączania

Napięcie przebicia, wytrzymałośćnapięciowa

Napięcie przebicia, wytrzymałośćnapięciowa

Polaryzacja wsteczna

Przewodzenia w kierunku wstecznym

Parametry znamionowe ppm

Tyrystory i triaki

Budowa tyrystora

Charakterystyka prądowo-napięciowa obwodu głównego tyrystora

Układ zastępczy źródła sygnałów sterujących (a), sposób wyznaczania prostej obciąŜenia oraz obszary pracy

obwodu bramki (b)

Prostownik jednofazowy półokresowy

( )U U t d tU

m

e

mz

z

ś r = = +∫1

2 21

πω ω

π

π

sin ( ) cosΘ

Tyrystor dwukierunkowy (triak)

Stan I + Elektroda A2 ma potencjał dodatni względem A1, elektroda B sterowana jest impulsami dodatnimi.

Stan I −−−− Elektroda A2 ma potencjał dodatni względem A1, elektroda B sterowana jest impulsami ujemnymi.

Stan III + Elektroda A2 ma potencjał ujemny względem A1, sterowanie impulsami dodatnimi.

Stan III −−−− Elektroda A2 ma potencjał ujemny względem A1, sterowanie impulsami ujemnymi.

Zastosowanie tyrystora i triaka do regulacji natęŜenia oświetlenia

Tranzystory IGBT

� Co oznacza IGBT dla inŜyniera

� Budowa

� Zasada działania

� Zastosowania

� Nowości

Co oznacza IGBT dla inŜyniera:

� IGBT (ang. Insulated Gate Bipolar Transistor) - tranzystor bipolarny z izolowaną bramką.

� Jest to element półprzewodnikowy mocy uŜywany w przekształtnikach energoelektronicznych o mocach do kilkuset kilowatów.

� Łączy zalety dwóch typów tranzystorów: łatwość sterowania tranzystorów polowych i wysokie napięcie przebicia oraz szybkość przełączania tranzystorów bipolarnych.

Budowa:

Zasada działania:

Najpopularniejszy sposób oznaczania IGBT to symbol tranzystora bipolarnego npn, w którym emiter oznaczony jest jako kolektor, a połączenie kolektora i drenu nosi nazwę emitera (symbol środkowy z rysunku). Sposób połączenia występujący na schemacie zastępczym przypomina tranzystor bipolarny Darlingtona. Tranzystor MOSFET steruje bazą tranzystora bipolarnego pnp zapewniając szybkie przechodzenie od stanu blokowania do przewodzenia i na odwrót. JednakŜe w odróŜnieniu od układu Darlingtona, w tranzystorze IGBT największa część prądu drenu płynie przez kanał tranzystora MOSFET.

Stan blokowania IGBT:

Występuje gdy napięcie między bramką a źródłem jest niŜsze od wartości progowej Ugs(th), wielkości znanej z tranzystora MOSFET. Dołączone napięcie dren-źródło powoduje przepływ bardzo małego prądu upływu ( Leakage current ). Kiedy napięcie bramka-źródło przekroczy wartość progowąUgs(th) tranzystora MOSFET struktury IGBT to zaczyna on przewodzić –płynie prąd drenu określony napięciem kolektor-emiter oraz wartością napięcia sterującego Uge.

Charakterystyka wyjściowa:

Zastosowania IGBT:

� M.in. w falownikach jako łącznik, umoŜliwia załączanie prądów do 1 kA i blokowanie napięć do 6 kV;

� W samochodach hybrydowych (Toyota Prius);

� Wiele innych

Właściwości IGBT

Moduły te posiadają następujące cechy:1. Niskie napięcie nasycenia VCE(sat); Niską energię włączenia E(on) i wyłączenia E(off),2. Wysoką odporność zwarciową (bez układu RTC)3. Zredukowaną pojemność bramki.4. Niską indukcyjność połączeń wewnętrznych (Rys.8)

Rys.8 Stosunek indukcyjności wewnętrznych połączeń modułów

5gen. do 3gen. = 1:2

Właściwości IGBT

5. Doskonałą rezystancję termiczną przez zastosowanie jako ceramicznej warstwy izolacyjnej azotku aluminium.6. Zwiększoną wytrzymałość na cykle temperaturowe DTc obudowy (Rys.10) poprzez kontrolowanie grubości spoiwa pomiędzy podstawą a ceramiczną

warstwą izolacyjną (Rys.9a,9b).

Rys.9a W tradycyjnym procesie lutowania stosowanym w poprzednich generacjach, grubość lutu mogła sięzmieniać

Rys.9b W modułach 5 generacji zmiana grubości lutu b została ograniczona poprzez zastosowanie prętów ograniczających

Rys.10 Wytrzymałość na cykle temperaturowe

obudowy

Zastosowania elementów półprzewodnikowych mocy

SRC – tyrystory konwencjonalne, GTO – tyrystory wyłączalne bramką, IGCT –tyrystory komutowane zintegrowaną bramką, IGBT – tranzystory bipolarne z izolowaną bramką, MOSFET – tranzystory polowe z izolowaną bramką

Obszary zastosowań półprzewodnikowych przyrządów mocy

SRC – tyrystory konwencjonalne, GTO – tyrystory wyłączalne bramką, IGCT –tyrystory komutowane zintegrowaną bramką, IGBT – tranzystory bipolarne z izolowaną bramką, MOSFET – tranzystory polowe z izolowaną bramką

Schemat funkcjonalny systemu generacji rozproszonej zasilanego z odnawialnych źródeł energii

Przekształtnik energoelektroniczny AC/DC/AC stosowany w turbinach wiatrowych

Przekształtnik AC/DC/AC z wielobiegunowym generatorem synchronicznym z magnesami trwałymi bez przekładni mechanicznej w systemie elektrowni Wave Dragon produkującej energię z fal morskich

Moduł fotowoltaiczny (po lewej) sprzęgnięty z siecią, (po prawej) praca wyspowa

Przekształtniki łańcuchowe w układach PV; (a) trójfazowy, (b) jednofazowy, (c) widok 11 MW elektrowni fotowoltaicznej w Serpa, Portugalia (52 000 modułów PV)

Przykład systemu

fotowoltaicznego

Toyota Prius

Toyota Hybrid System II (THS II)

Oscyloskop cyfrowy

W oscyloskopie cyfrowym badany sygnał jest przetworzony do postaci cyfrowej za pomoc przetwornika analogowo cyfrowego A/C i zapamiętany w pamięci oscyloskopu.

Zastosowanie techniki cyfrowej daje duŜe moŜliwości w dziedzinie przetwarzania i analizy badanego sygnału i umoŜliwia cyfrowy pomiar parametrów sygnału oraz dodatkowe funkcje jak całkowanie lub róŜniczkowanie przebiegu, analizęwidmową i uśrednianie. Przetworzony sygnał moŜe by zapamiętany, co umoŜliwia wyświetlenie na ekranie oscyloskopu wielu sygnałów. Na rysunku przedstawiono schemat blokowy typowego oscyloskopu cyfrowego.