Poluvodičke Komponente FER

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVOI AUTOMATIZACIJU

Aktivne i pasivne komponente

ELEKTROMEHANIČKE I ELEKTRIČNE PRETVORBE

Poluvodička sklopka

Poluvodički ventil

Povijesni razvoj

Pregled vrsta ventila

Modeli poluvodičkih ventila

Modeli pasivnih komponenata

Model transformatora

Ak. god. 2009/2010 Zagreb, 15.12.2009.

2

Na kraju ovog predavanja trebali biste znati:

• Opisati strukturu poluvodičke sklopke.

• Opisati gubitke poluvodičke sklopke.

• Nabrojati osnovne poluvodičke učinske ventile.

• Nacrtati idealne i idealizirane UI karakteristike poluvodičkih učinskih ventila.

• Nacrtati nadomjesne sheme i napisati matematičke modele pasivnih komponenata i transformatora.

15.12.2009.

Idealna elektronička sklopka

315.12.2009.

Osnovna komponenta pretvaračkog sklopa je elektronička tj. poluvodička sklopka. Jasno je da su inženjeri nastojali razviti poluvodičku sklopku u svemu jednaku idealnoj mehaničkoj sklopci.

Idealna mehanička sklopka:

‐ sklopka zatvorena: u(t) = 0

‐ sklopka otvorena: i(t) = 0

‐ gubici: p(t) = u(t)⋅i(t)

‐ trenutno uklapa i isklapa

Poluvodička sklopka ‐ poluvodički ventil

415.12.2009.

Poluvodička sklopka je operativna cjelina. Sastoji se od:

− jednog ili više poluvodičkih ventila

− zaštite od prenapona i prekostruja

− pobudnog (upravljačkog) stupnja

− rashladnog tijela

Zaštita od prekostruje – prigušnica induktiviteta L

Zaštita od prenapona – RC član

Poluvodički ventil je poluvodička komponenta za uklapanje i isklapanje struje (sklapanje). Samostalno nije operativna.

Primjer poluvodičke sklopke i poluvodičkog ventila

515.12.2009.

tiristorska sklopka ‐ poluvodička sklopka

tiristor ‐ poluvodički ventil

Poluvodički ventil

615.12.2009.

Poluvodički ventil 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.

Jedan od simbola IGBT‐a Struktura IGBT‐a

Gubitci poluvodičkih ventila

715.12.2009.

Svaki poluvodički ventil ima gubitke:

‐ gubitke uklapanja

‐ gubitke isklapanja

‐ gubitke vođenja

Tijekom uklapanja tranzistora, na tranzistoru istodobno postoji napon i teče znatna struja.

Umnožak napona i struje daje vremenski tijek gubitaka.

Sklopni gubici ograničavaju rad pretvarača na višim frekvencijama.

Električke (elektroničke) sklopke ‐ nekada

815.12.2009.

Upravljivi živin ispravljač u nazivnom pogonu. Vidi se curenje kondezirane žive u kondenzacijskom balonu. Vide se i priključci upravljačkih rešetki.

Upravljivi živin ispravljač u staklenoj posudi nazivne struje 500 A.Desno je regulacijski uređaj.

Električke (elektroničke) sklopke ‐ nekada

915.12.2009.

Kontaktni slog u spoju sa srednjom točkom za pretvarače do 250 A.

Kontaktni slog za 10000 A, 400 V.

Kada je započela era poluvodiča? Kako je Shockley dobio Nobelovu nagradu 1956. god.?

1015.12.2009.

Razvoj učinskih poluvodičkih ventila

1115.12.2009.

Prva učinska poluvodička dioda 1954. god. (1200 W).

Ideja upravljivog učinskog ventila ‐ tiristorska PNPN struktura 1956. god.

Primjerice: Dioda izrađena u laboratorijima Instituta za fiziku Sveučilišta u Zagrebu 1967. god. (naponske opteretivosti 1800 V i strujne opteretivosti 200 A).

Lađica za legiranje i sendvič diode.

Usporedba živinog ventila i tiristora

1215.12.2009.

Živin ventil Tiristor

Pad napona u stanju vođenja (V): 25 V 1,5 V

Radna temperatura kućišta (°C ): 15…60 ‐40…80

Vrijeme oporavljanja (μs): 300...400 30…400

Volumen sveden na jedinicusklopne snage (dm3/MW): 2500 0,1

Podjela poluvodičkih ventila

1315.12.2009.

I tako se razvila velika porodica poluvodičkih ventila:

Osnovne vrste današnjih poluvodičkih ventila

1415.12.2009.

Ne postoji poluvodički ventil koji ima sva svojstva idealne mehaničke sklopke.

Problem odvođenja topline iz silicijske pločice

1513.2.2009

Primjerice, u diodi opterećene konstantnom strujom od 1000 A nastaju gubici od oko 1200 W (uzet je pad napona od 1,2 V; promjer silicijske pločice takve diode je oko 50 mm).

Ako je granična temperatura silicijske pločice 160 °C, a temperatura kućišta 80 °C, onda je za odvođenje topline na raspolaganju temperaturna razlika od svega 80 °C.

Temperaturni otpor između silicijske pločice i kućišta ne smije biti veći od 80/1200 = 0,07 K/W!

Silicijske pločice poluvodičkih ventila

Kućišta i rashladna tijela poluvodičkih ventila

1615.12.2009.

Rashladna tijela za jednostrano i dvostrano hlađenje poluvodičkih ventila.

Diode i tiristori oblika hokejske pločice i zaliveni moduli.

Izbor iz proizvodnog programa tvrtke SEMIKRON

1715.12.2009.

Osnovne strukture poluvodičkih ventila

1815.12.2009.

Poluvodičkih učinskih ventila ima oko pedeset različitih vrsta.

Treba prepoznati da se unutar monokristala silicija (pravilne kristalne rešetke) može naći šest različitih struktura.

Radna područja poluvodičke sklopke

1915.12.2009.

Dioda

2015.12.2009.

• neupravljiva, jednokvadrantna sklopka

• vodi struju u jednom, propusnom smjeru (od anode A prema katodi K)

• preuzima negativni (zaporni) napon u stanju nevođenja

Idealna karakteristika Idealizirana karakteristika

Uth – napon praga (1 – 1,5 V)Rd – dinamički otpor (mΩ)

Tiristor

2115.12.2009.

• poluupravljiva, uklopiva, dvokvadrantna sklopka


• preuzima negativni (zaporni) napon ili pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja

• uklapa pomoću pozitivnog impulsa na upravljačkoj elektrodi G (geitu) pod uvjetom da se nalazi u stanju blokiranja

• isklapa prolazom struje kroz nulu


Tiristor – vrijeme oporavljanja

2215.12.2009.

Već na razini osnovne analize sklopova, treba u model tiristora uvesti vrijeme oporavljanja.

Vrijeme oporavljanja je (fizikalna) karakteristika komponente. Vrijeme odmaranja je karakteristika sklopa. Vrijeme odmaranja treba biti jednako ili veće od vremena oporavljanja. U protivnom tiristor može nekontrolirano provesti.

Geitom isklopivi tiristor – GTO (engl. gate turn off thyristor)

2315.12.2009.

• upravljiva, uklopiva i isklopiva, dvokvadrantna sklopka


• preuzima negativni (zaporni) napon ili pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja

• uklapa dovođenjem pozitivnog impulsa na upravljačku elektrodu (geit) pod uvjetom da se nalazio u stanju blokiranja

• isklapa dovođenjem negativnog impulsa na upravljačku elektrodu (geit)


Bipolarni tranzistor – BJT (engl. bipolar junction transistor)

2415.12.2009.

• 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), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa


Bipolarni tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom – IGBT (engl. insulated gate bipolar transistor)

2515.12.2009.

• 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


MOS tranzistor s učinkom polja – MOSFET (engl. metal oxide semiconductor field effect transistor)

2615.12.2009.

• upravljiva, uklopiva i isklopiva, dvokvadrantna sklopka

• vodi struju u dva smjeru (u jednom FET, a u drugom ugrađena dioda)

• preuzima pozitivni (blokirni) u stanju nevođenja

• uklapa pomoću pozitivnog naponskog impulsa na upravljačkoj elektrodi (geitu), isklapa nakon uklanjanja tog impulsa


Hibridna sklopka‐ strujno dvosmjerna

2715.12.2009.

Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT‐u) može se dodati povratna dioda.

Ukoliko dinamička svojstva ugrađene diode MOSFET‐a ne zadovoljavaju, rješenje je sljedeće:

Primjer upotrebe strujno dvosmjerne sklopke

2815.12.2009.

Primjer upotrebe dvokvadrantne strujno dvosmjerne sklopke kod trofaznog izmjenjivača s naponskim ulazom.

Hibridna sklopka‐ naponski bipolarna

2915.12.2009.

Bipolarnom tranzistoru (isto tako i IGBT‐u ili MOSFET‐u) može se u seriju dodati dioda koja preuzima zaporni napon kojeg tranzistor ne bi mogao preuzeti.

Primjer upotrebe naponski bipolarne sklopke

3015.12.2009.

Primjer upotrebe dvokvadrantne naponski bipolarne sklopke kod trofaznog izmjenjivača sa strujnim ulazom.

Modeli pasivnih komponenata

15.12.2009.

( ) ( )R

tuti RR =

Otpornik Prigušnica

‐ uvjet periodičnog načina rada

( ) ( )

( ) 0=

=

∫+

ττ di

dttduCti

Tt

tC

CC

Kondenzator

‐ uvjet periodičnog načina rada

( ) ( )

( ) 0=

=

∫+

ττ du

dttdiLtu

Tt

tL

LL

Modeli otpornika na višim frekvencijama

Nadomjesna shema metal‐film otpornika

Nadomjesna shema žičanog otpornika

15.12.2009.

Model kondenzatora na višim frekvencijama

Nadomjesna shema kondenzatora

Nadomjesni serijski otpor kondenzatora (ESR)

ESR (equivalent series resistance)

15.12.2009.

22

1CR

RESRleak

w ω+=

Model dvonamotnog transformatora (magnetski povezani induktiviteti)

15.12.2009.

L1 ‐ induktivitet primaraL2 ‐ induktivitet sekundaraM ‐ međuinduktivitet

dtdiL

dtdiMu

dtdiM

dtdiLu

22

12

2111

+=

+=

121

≤⋅

=LL

Mk

ako je k=1, transformator je savršen


15.12.2009.

21

2

12

11

111

1212

221

111

22

1212

221

111

1

uNuLLu

dtdiL

dtdiLu

dtdiLLu

LLL

dtdiLu

dtdiL

dtdiLLu

dtdiLL

dtdiLu

⋅=

+−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=

+=

+=

2

1

LLN =gdje je :


15.12.2009.

( ) ( ) ττττ duL

iN

iduLL

LLi

Ni

dtdiNu

LLdtdi

dtdi

LLu

LL

Ldtdi

dtdiL

dtdiLL

Nu

tt

∫∫∞−∞−

=+⇒=+

−=

−=

+⋅=

11

2111

2

2121

11

21

2

1

2

11

1

2

2

2

22

121

1

1111

1

1

0121

21

=+

⋅=

iN

i

uNu

Ako L1 →∞ i L2 →∞, a L1/L2 je konačan, savršeni transformator prelazi u idealni.

Modeli transformatora (I)

15.12.2009.

Modeli transformatora (II)

Dio napona se izgubi pri transformaciji

15.12.2009.

dtdiL

NLu

N

dtdiL

dtdiLu

dtdiL

Nu

dtdiLuu

iN

i

uNu

ll

llN

ll

222

1'1

22

11

'1

1

22

1222

'2

21

21

1

1

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +−=

−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

=−=−=

⋅=

⋅= ili približno:

Primjerci transformatora

Većih snaga… …i manjih snaga.

15.12.2009.

Zapamtite

4013.2.2009

• Osnovna komponenta pretvaračkog sklopa je elektronička tj. poluvodička sklopka. Sastoji se od: jednog ili više poluvodičkih ventila, zaštite od prenapona i prekostruja, pobudnog (upravljačkog) stupnja i rashladnog tijela.

• Poluvodički ventil je poluvodička komponenta za uklapanje i isklapanje struje.

• Svaki poluvodički ventil ima gubitke: gubitke uklapanja, gubitke isklapanja i gubitke vođenja.

• Poluvodički ventili se dijele na neupravljive i upravljive.

• Osnovne prednosti poluvodičkih ventila su mali gubici i male dimenzije.

Documents

Poluvodičke Komponente FER