Półprzewodnikowe przyrządy mocy
Transcript of Półprzewodnikowe przyrządy mocy
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.