ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΑΝΑΣΚΟΠΙΣΗ ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΩΝ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ Δρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Τα Θέματα Transistors ΙσχύοςκαιΔίοδοιΙσχύος Χαρακτηριστικές διακοπής και απώλειες Επιλογές - Θέματα σχεδιασμού 1

2 TRANSISTORS ΙΣΧΥΟΣ ΔΙΟΔΟΙ ΙΣΧΥΟΣ Επιλογή διακοπτών Τάση και αντίσταση αγωγιμότητας καθορίζουν τις απώλειες αγωγιμότητας Οι χρόνοι μετάβασης καθορίζουν τις απώλειες μετάβασης και πόσο ψηλή μπορεί να είναι η fs Οι ονομαστικές τάσεις και ρεύματα καθορίζουν την ικανότητα διαχείρισης ισχύος Η ισχύς στο κύκλωμα ελέγχου καθορίζει την ευκολία έλεγχου Ο θερμοκρασιακός συντελεστής της αντίστασης αγωγιμότητας καθορίζει την ευκολία παραλληλισμού Κόστος Επιλογή στοιχείων ισχύος MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors) IGBTs (insulated-gate Bipolar Transistors) διπολικά transistor με μονωμένη πύλη IGCTs (Integrated-Gate-Controlled Thyristors) GTOs (Gate-Turn-Off thyristors) thyristor με έλεγχο της σβέσης από την πύλη BJTs (Bipolar-Junction Transistors) διπολικά transistor επαφής SITs (Static Induction Transistors) MCTs (MOS-Controlled Thyristors) κλπ. 2

3 THYRISTORS Σύμβολο Άγει όταν: υ ΑΚ >0 και Δοθεί παλμός ρεύματος, i G Όταν άγει: υ ΑΚ ~ 1-3 V ανάλογα με την ονομαστική τάση διάσπασης Χαρακτηριστική I-V Ο κατασκευαστής προδιαγράφει: το μέγιστο rms ρεύμα και την μέση τιμή των ρευμάτων που μπορεί να άγει. Thyristor-Χρονικό διάστημα σβέσης Το ρεύμα στην πράξη αναστρέφεται πριν μηδενιστεί Σημαντική παράμετρος (από τον μηδενισμό του ρεύματος μέχρι τον μηδενισμό της τάσης στα άκρα του thyristor ελάχιστος χρόνος επανέναυσης) 3

4 Thyristor για έλεγχο φάσης Για ανόρθωση στην συχνότητα του δικτύου (50 Hz) AC και DC κινητήρια συστήματα Μετατροπείς σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας Πρέπει να έχουν μεγάλες ανάστροφες τάσεις διάσπασης, μεγάλα ρεύματα και μικρή πτώση τάσης κατά την αγωγή. ~4000 Α, για 5-7 kv Πτώση τάσης ~1,5V για ανάστροφη τάση 1000V Πτώση τάσης ~3V για ανάστροφη τάση 5-7 kv Thyristor με φωτεινή διέγερση Κλείνουν με φωτεινό παλμό σε ειδική ευαίσθητη περιοχή του thyristor. O παλμός οδηγείται με οπτικές ίνες Χρήση σε εφαρμογές υψηλής τάσης. Προδιαγραφές: 4kV, 3kA, πτώση τάσης 2V, φωτεινή διέγερση 5mW. 4

5 MOSFETs Transistor μεταλλικών οξειδίων ημιαγωγών με επίδραση πεδίου Tα MOSFET έχουν χαμηλές απώλειες μετάβασης επειδή έχουν μικρούς χρόνους μετάβασης. Σε συχνότητες μετάβασης > khz οι συνολικές απώλειες είναι παραπλήσιες με του BJT. Τα MOSFET έχουν θετικό θερμοκρασιακό συντελεστή αγωγιμότητας, άρα παραλληλίζονται εύκολα MOSFET Τάση >1000V Ρεύμα μικρό Τάση μικρή Ρεύμα ~100Α MOSFETs Απαγωγός(Drain) Χαρακτηριστική I-V Πύλη Πηγή(Source) Σύμβολο Έλεγχος από τάση. Πρέπει να εφαρμόζεται συνεχώς για να άγει. Εάν υ GS < υ GS(th) το MOSFET είναι σε κατάσταση αποκοπής. υ GS = ±20 V συνήθως. Υπάρχουν MOSFET με υ GS = 5 V Σεμεγάλεςτάσειςυ GS το MOSFET προσεγγίζει τον ιδανικό διακόπτη 5

6 MOSFETs Απαγωγός Πύλη Πηγή Από την πύλη περνά ρεύμα μόνο κατά τις μεταβάσεις Χρόνοι μετάβασης ~x10 ns x100 ns Αντίσταση αγωγιμότητας=f(ονομαστική τάση αποκοπής) Στην αγορά υπάρχουν MOSFET με μικρό V DSS και επομένως μικρό R DS(on) Παράδειγμα Υπολογισμός διακοπτικών απωλειών MOSFET 6

7 IGBTs Διπολικά transistor με μονωμένη πύλη Σύμβολο Χαρακτηριστική I-V Όπως το MOSFET απαιτεί μικρή ισχύ στην πύλη για μετάβαση. Όπως το BJT έχει μικρή πτώση τάσης σε κατάσταση αγωγής (~2-3 V, για τάσεις 1000 V) Μεγάλη ικανότητα αποκοπής ανάστροφης τάσης όπως τα GTO Χρόνοι μετάβασης ~1μs Τάσεις μέχρι 1700 V Ρεύματα μέχρι 1200 Α. BJT Διπολικά transistor επαφής Tα BJT είναι διακόπτες ελεγχόμενοι απότορεύμαβάσης. Το Ι Β, πρέπει να ρέει συνεχώς! I > B I h Σύμβολο C FE Χαρακτηριστική I-V h FE ~5-10 υ CE ~1-2 V -DCκέρδος ρεύματος στοιχείου Ι~ x100 A V~1400 V 7

8 Μερικά σημεία BJTs - διακόπτες ελεγχόμενοι από το ρεύμα βάσης MOSFETs - διακόπτες ελεγχόμενοι από τάση IGBTs συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα των BJTs και MOSFETs Όλα τα στοιχεία πρέπει να προστατεύονται από μεγάλα di/dt και du/dt, όπως και από υπερθέρμανση GTO Thyristor με σβέση από την πύλη Έναυση: Mε σύντομο παλμό ρεύματος i G. Σβέση: Mε εφαρμογή αρνητικής υ GK. Πρέπει να περάσει ένα αρνητικό i G ~1/3 i A Tα σημερινά GTO δεν μπορούν να κόψουν επαγωγικά κυκλώματα γιατί δεν αντέχουν στο μεγάλο dv/dt. Είναι απαραίτητη η χρήση εξωτερικών κυκλωμάτων σβέσης (snubber) τα οποία μειώνουν το dv/dt στα άκρα του GTO. 8

9 GTO Τάση αγωγιμότητας 2-3 V (λίγο μεγαλύτερη του thyristor) Ταχύτητα μετάβασης <25 μs Τάση αποκοπής έως 4,5 kv Ρεύματα της τάξης των ka Χρήση σε εφαρμογές με μεγάλα ρεύματα και τάσεις σε συχνότητες μέχρι 10 khz. MCT Ελεγχόμενα MOS thyristor Δύο μεγάλα πλεονεκτήματα σε σχέση με το GTO Δεν απαιτεί μεγάλο αρνητικό ρεύμα στην πύλη Μικρότερος χρόνος μετάβασης, μsec Τάσεις έως 2,5-3,0 kv, Ρεύματα 50 x100 A (μικρότερα του GTO) Χαμηλή πτώση τάσης όπως το GTO Μανδάλωση (παραμένει κλειστό ακόμα κι αν πάψει η διέγερση) Έλεγχος με τάση υ GK Ίδια ενέργεια στην πύλη όπως το MOSFET και IGBT 9

10 Τάση τιμών ημιαγωγών $/Α Επιλογή διόδων Σύμβολο Χαρακτηριστική I-V Δίοδοι Συχνότητας Δικτύου - για κυκλώματα συχνότητας δικτύου (50 Hz) Δίοδοι Ταχείας αποκατάστασης- σε κυκλώματα υψηλής συχνότητας Δίοδοι Schottky - για κυκλώματα με μικρή τάση εξόδου, μικρό trr (μερικά μs), πτώση τάσης 0,3V Δίοδοι SiC Schottky 10

11 Χρόνος ανάστροφης αποκατάστασης διόδου(reverse recovery time) Απώλειες αγωγής: Σε επαγωγικά κυκλώματα το μεγάλο di/dt μπορεί να οδηγήσει σε υπερτάσεις Χαρακτηριστική ανάστροφης αποκατάστασης διόδου Διακοπτικές απώλειες διόδου 11