Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki … · 2019. 12. 18. ·...

2019-12-18

1

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE

Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji

Katedra Elektroniki

dr inż. Piotr Dziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel. 617-27-02, [email protected]

dr inż. Ireneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 512; tel. 617-27-24, [email protected]

PÓŁPRZEWODNIKOWEPRZYRZĄDY DUŻEJ

MOCY

diody, tranzystory, tyrystory, itd.

E+EiT 2019 r. PD&IB 2

2019-12-18

2

TROCHĘ HISTORII

Istniejąca od dawna (koniec XIX w.) potrzeba bezstykowej regulacji mocy jest motorem napędowym rozwoju półprzewodnikowych

przyrządów dużej mocy.

• Nienasycone dławiki

• Lampy próżniowe i gazowe (początek XX wieku)

• Diody mocy – ok. 1950 r. (1953 r. – dioda germanowa o IF = 100 A)

• Dioda czterowarstowa – Dynistor

• Tyrystor – 1957 r.

• …

E+EiT 2019 r. PD&IB Elementy elektroniczne – półprzewodnikowe przyrządy mocy 3

Energoelektronika to techniki obejmujące zastosowanie urządzeń elektronicznych, teorii obwodów, metod projektowych

oraz nowoczesnych narzędzi analizy w celu wysokosprawnego przetwarzania, sterowania i

dopasowywania parametrów energii elektrycznej

TROCHĘ HISTORII

• 1895 – jednofazowy prostownik mostkowy (mostek Graetza)

• 1901 – prostownik rtęciowy (Hewitt Cooper)

• 1923 – tyratron (Irving Langmuir, Hall)

• 1933 – ignitron (Joseph Slepian)

• 1957 – tyrystor klasyczny SCR (General Electric)

• 1970 – tranzystor mocy 500 V 20 A (Delco Electronics)

• 1975 – Toshiba giant transistor (300 V, 400 A)

• 1978 – power MOSFET 100 V 25 A (International Rectifier)

• 1980 – tyrystor GTO 2500 V 1000 A (Hitachi, Mitsubishi, Toshiba)

• 1985 – IGBT (General Electric, Siemens, Power Compact)

• 1988 – smart power device (Thomson, firmy japońskie)


https://pl.wikipedia.org/wiki/Energoelektronika

Karol Pollak z Sanoka (patent brytyjski nr 24398)

2019-12-18

3

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY

Pełnią rolę łączników (kluczy) elektronicznych:

• przekształtniki energoelektroniczne zamiana postaci i/lub zamiana parametrów energii elektrycznej

• łączniki energoelektroniczne bezstykowe łączenie mocy w obwodach prądu stałego i zmiennego


Przekształtniki energii elektrycznej

zamiana częstotliwości (w tym f = 0 Hz)

zamiana wartości napięcia

zamiana liczby faz układu

regulacja przepływu

mocy biernej (czynnej)

uzyskanie odpowiedniej jakości energii

(z korekcją parametrów)


Idealny łącznik półprzewodnikowy: – wysokie napięcie przebicia (min. 2 kV), – duża obciążalność prądowa ( 2 ÷ 3 kA i więcej), – małe straty mocy w ustalonych i przejściowych stanach pracy

(przewodzenie, wyłączenie, załączanie i wyłączanie), – mała moc sygnału sterującego (najlepiej syg. napięciowy), – prosty układ sterujący, – brak konieczności stosowania dodatkowych układów

zabezpieczających (przeciwprzepięciowych, nadprądowych, odciążających itp.),

– możliwość łączenia grupowego przyrządów, – możliwość integracji z innymi przyrządami (np. diodą

odwrotnie równoległą), – umiarkowana cena


2019-12-18

4


Ograniczenia fizyczne łączników:

• Ograniczenia cieplne – maksymalna częstotliwość przełączeń (temp. struktury max. 125 oC)

• Dynamiczne przebicie lawinowe w przyrządach bipolarnych (przy wyłączanie np. tyrystora GTO)

• Uaktywnienie się elementów pasożytniczych istniejących w strukturach półprzewodnikowych (głównie w przyrządach wyłączalnych – zjawisko zatrzaskiwania się)


PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY STRATY MOCY


Typowe przebiegi napięcia, prądu i mocy łącznika półprzewodnikowego

2019-12-18

5

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY STRATY MOCY - PRZEŁĄCZANIE


• Przełączanie twarde – w dowolnej chwili pracy

• Przełączanie miękkie – w chwili napięcia lub prądu o wartości zero (wtedy iloczyn UI jest bardzo mały)

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY ŁĄCZENIE GRUPOWE


• Łączenie równoległe – większy prąd max. Problem: nierównomierny rozpływ prądów

• Łączenie szeregowe – większe napięcie rewersyjne Problem: nierównomierny rozkład napięć

2019-12-18

6

Łączenie równoległe – wyrównywanie rozpływu prądów

• w stanach ustalonych: szeregowe rezystory, dławiki wyrównawcze niesprzężone

• w stanach dynamicznych: dławiki sprzężone

Łączenie szeregowe – wyrównywanie rozkład napięć

• w stanach ustalonych: równoległe rezystory,

• w stanach dynamicznych: obwody RC bocznikujące zawory, obwody RC z diodami szybkimi, indukcyjność tłumiąca stromość narastania prądu, elementy nieliniowe

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY ŁĄCZENIE GRUPOWE


PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY PODZIAŁ (1)


• Niesterowalne:

– dioda

• Nie w pełni sterowalne: sygnał sterujący (bramkowy) umożliwia tylko załączenie przyrządu w dowolnej chwili

– tyrystor klasyczny, triak

• Sterowalne: sygnał sterujący (bramkowy) umożliwia zarówno załączenie jaki i wyłączenie przyrządu w dowolnej chwili

– tranzystory (BJT, MOSFET, IGBT), tyrystor GTO

2019-12-18

7

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY PODZIAŁ (1) cd.


PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY PODZIAŁ (2)


• Unipolarne – przepływ prądu przy udziale jednego rodzaju nośników (większościowe)

– dioda Schottkyego, MOSFET, tyrystor SIT

• Bipolarne – przepływ prądu przy udziale obu rodzajów nośników (mniejszościowe i większościowe)

– dioda p-n, tranzystor BJT, tyrystor SCR i GTC

• Bipolarne z bramkami MOS – przepływ prądu przy udziale obu rodzajów nośników sterowany napięciowo

– tranzystory IGBT, tyrystory polowe MCT, BRT, EST

2019-12-18

8

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY SYMBOLE


PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY SYMBOLE c.d.


2019-12-18

9

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY SYMBOLE c.d.


PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY DIODY MOCY


Ch-ka prądowo napięciowa

Przebiegi podczas przełączania

Problemy: • szybkość wyłączania (czas odzyskiwania zdolności zaworowej – trr) • wartość napięcia wstecznego

2019-12-18

10


• diody prostownicze energetyczne największe prądy spośród PPM (6 ÷ 8 kA), duże napięcia wsteczne (4 ÷ 5 kV)

• diody szybkie technologia dyfuzyjna z „szybkimi” elektronami – czasy rzędu mikrosekund inne technologie,

czas życia nośników mniejszościowych, grubość struktury, rezystancja krzemu –

mają wpływ na czas wyłączania trr , gdy trr maleje, to rośnie prąd wsteczny

• diody lawinowe zdolność do przepuszczenia dużego impulsu prądu wstecznego (kilka kW), stosowane do zabezpieczenia przepięciowego innych elementów

• diody unipolarne (metal-pp, Schottky) nośniki większościowe nie gromadzi się ład. nadmiarowych nośników mniejsz. są szybsze, ale niskie napięcie wsteczne (ok. 100 V)



• diody P-I-N (półprzew . P+ - półprzew. samoistny I - półprzew. N+ ) dioda wysokonapięciowa

• diody MPS (Merged PIN/Schotky rectifier)


Na=1019 cm-1, Nd1=10

14 cm-1, Nd2=10

19 cm-1

2019-12-18

11

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY TRANZYSTOR BIPOLARNY MOCY


struktura

• stan przewodzenia – nasycenie • stan blokowanie – odcięcie

• czasy: ton = 1…2 s, toff = 5…7 s • włączenie wymaga stałego prądu bazy • nie wykazuje zdolności przeciążenia

Układ Darlingtona – zwiększenie współczynnika wzm. prądowego

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY TRANZYSTORY UNIPOLARNE (MOS)


• czasy: ton = 0,8…1,2 s, toff = 0,3…0,5 s • sterowanie napięciowe • większa Ron w stanie przewodzenia niż BJT

DMOSFET

VMOSFET

UMOSFET

2019-12-18

12

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY TRANZYSTOR ELEKTROSTATYCZNY

Tranzystor elektrostatyczny SIT (Static Induction Transisitor)

• przyrząd półprzewodnikowy o wielokanałowej strukturze, • sterowany napięciowo, • z bramką planarną lub zagrzebaną (rys. poniżej)


• krótki czas wyłączania:, toff = 0,1…0,3 s • duże prądy i napięcia (2,5 kV) • dobre właściwości łączeniowe – straty mocy mniejsze niż w MOS’ach • wady: dość duże nap. w stanie przewodzenia, „normalnie włączony”

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY TRANZYSTOR BIPOLARNY z IZOLOWANĄ BRAMKĄ

Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką IGBT (lnsulated Gate Bipolar Transistor)

• sterowanie napięciowe

• prąd (kolektor-emiter) nośników większościowych i mniejszościowych

Łączy korzystne cechy BJT i MOSFET


• czasy: ton = 0,4…1 s, toff = 0,8…2 s • duża impedancja wejściowa, duża szybkość przełączania, duże gęstości prądów • wada: zatrzaskiwanie się – zał. traz. pasożytniczego (szybkie nap. UCE i wysoka temp.)

2019-12-18

13

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY TYRYSTORY

• Tyrystor konwencjonalny – SCR (Silicon Controlled Rectifier)

• Tyrystor asymetryczny – ASCR odmiana tyr. konwencjonalnego o bardzo małym napięciu wstecznym (20…30 V) i dużym napięciu blokowania rzędu 2kV

• Tyrystor przewodzący wstecznie – RCT załączany impulsami bramki (podobnie jak klasyczny) ale przy polaryzacji wstecznej zachowuje się jak dioda

• Tyrystor z bramką wzmacniającą dwa tyrystory scalone w jednej obudowie – pomocniczy włącza główny: skrócenie czasu załączania

• Tyrystor impulsowy pracuje z krótkimi impulsami o dużych wartościach prądów (> 1 kA), specjalna konstrukcja z bramką wzmacniająca rozłożoną

• Tyrystor dwukierunkowy - triak


PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY TYRYSTORY

• Fototyrystor – LTT (Light Trigered Thyristor) promieniowanie świetlne załącza strukturę PNPN

• Optotyrystor sterowany światłem z diody świecącej scalonej w jednej obudowie izolacja galwaniczna obwodu sterującego od obwodu mocy

• Tyrystor wyłączalny – GTO (Gate Turn-Off Thyristor) może być włączany i wyłączany przez impulsy prądowe o odpowiedniej polaryzacji doprowadzone do bramki (ujemny prąd bramki wyłącza go)

• Tyrystor sterowany napięciowo – MCT (MOS Controlled Thyristor) bramkowa struktura MOS scalona z tyrystorem steruje przepływem mocy w obwodzie głównym

• Tyrystor elektrostatyczny – SITH (Static Induction Thyristor)

• inne


2019-12-18

14

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE MOCY Literatura


• S. Januszewski, H. Świątek, Nowoczesne przyrządy półprzewodnikowe w energoelektronice , WNT, Warszawa, 1994 • L. Frąckowiak, S. Januszewski, Energoelektronika. Część I - Półprzewodnikowe przyrządy i moduły energoelektroniczne, Wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2001 • S. Januszewski, H. Świątek, K. Zymmer, Półprzewodnikowe przyrządy mocy: Właściwości i zastosowania: Zarys encyklopedyczny, WKŁ, Warszawa, 1999 • A. Napieralski, M. Napieralska, Polowe półprzewodnikowe przyrządy dużej mocy, WNT, Warszawa, 1995 • R Perret, Power Electronics Semiconductor Devices, Wiley, 2009 • A. Gawryluk, IGBT: tranzystory do zadań specjalnych, Elektronika Praktyczna 3/2009 (http://ep.com.pl/files/2947.pdf)

• M. Jaworowska, Tranzystory IGBT kontra MOSFET, Elektronika B2B, 2009 (http://elektronikab2b.pl/technika/3701-tranzystory-igbt-kontra-mosfet#.VzNOZXlJm72)
http://ep.com.pl/files/2947.pdfhttp://elektronikab2b.pl/technika/3701-tranzystory-igbt-kontra-mosfethttp://elektronikab2b.pl/technika/3701-tranzystory-igbt-kontra-mosfethttp://elektronikab2b.pl/technika/3701-tranzystory-igbt-kontra-mosfethttp://elektronikab2b.pl/technika/3701-tranzystory-igbt-kontra-mosfethttp://elektronikab2b.pl/technika/3701-tranzystory-igbt-kontra-mosfethttp://elektronikab2b.pl/technika/3701-tranzystory-igbt-kontra-mosfethttp://elektronikab2b.pl/technika/3701-tranzystory-igbt-kontra-mosfethttp://elektronikab2b.pl/technika/3701-tranzystory-igbt-kontra-mosfethttp://elektronikab2b.pl/technika/3701-tranzystory-igbt-kontra-mosfet

Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki … · 2019. 12. 18. ·...

Documents

Transcript of Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki … · 2019. 12. 18. ·...