Ηλεκτρονικά Ισχύος Πρόκειται για στοιχεία κατασκευασμένα από υλικά με συγκεκριμένες μη γραμμικές ηλεκτρικές ιδιότητες (ημιαγωγά στοιχεία) Τα κυριότερα από τα στοιχεία αυτά είναι: Η δίοδος Το thyristor δύο επαφών ή δίοδος PNPN Ο ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου ή thyristor τριών επαφών (SCR) Το DIAC Το TRIAC Το transistor ισχύος (PTR) Το διπολικό transistor με απομονωμένη πύλη (IGBT) 1 ίοδος Η δίοδος είναι το ημιαγωγικό στοιχείο που σχεδιάστηκε, ώστε να άγει μόνο κατά τη μία κατεύθυνση. 2 1
v i χαρακτηριστική: ίοδος 3 ίοδος Προδιαγραφές διόδων: Ποσό ενέργειας που μπορούν να καταναλώσουν με ασφάλεια Μέγιστη ανάστροφη τάση χωρίς να καταρρεύσουν Χρόνος μετάβασης (switching time): Χρόνος που απαιτείται για τη μετάβαση από κατάσταση αγωγιμότητας σε αποκοπή και αντίστροφα Όσο αυξάνεται η ισχύς των διόδων (δίοδοι ισχύος) τόσο μειώνεται ο χρόνος μετάβασης. Γενικά όλες οι δίοδοι μπορούν να αντιμετωπίσουν τα 50-60 Hz Σε μεγαλύτερες συχνότητες χρησιμοποιούνται οι δίοδοι γρήγορης ανάκτησης (fast-recovery diodes) 4 2
Thyristor δύο επαφών ( ίοδος PNPN) Thyristor ονομάζονται όλα τα στοιχεία μιας οικογένειας ημιαγωγών της οποίας τα μέλη κατασκευάζονται από τέσσερα ημιαγωγά επίπεδα. Ένα από αυτά είναι η ίοδος PNPN (επίσημη( ονομασία: thyristor ανάστροφης αποκοπής τύπου διόδου reverse blocking diode type thyristor) 5 Thyristor δύο επαφών ( ίοδος PNPN) v i χαρακτηριστική: Ρεύμα συγκράτησης (holding current) Μόλις το ρεύμα μειωθεί κάτω από αυτό (τυπικά μερικά ma) η δίοδος παύει να άγει Ορθή τάση κατάρρευσης (breakover voltage) Αποτελείται από τρεις περιοχές: Περιοχή ανάστροφης αποκοπής Περιοχή ορθής αποκοπής Αγώγιμη περιοχή 6 3
Thyristor δύο επαφών ( ίοδος PNPN) Η λειτουργία της διόδου PNPN συνοψίζεται στα εξής: 1. Αρχίζει να άγει όταν η εφαρμοζόμενη τάση υπερβαίνει τη V BO 2. Αποκόπτεται όταν το ρεύμα i D μειωθεί κάτω από το I H 3. Αποκόπτει κάθε ροή ρεύματος κατά την ανάστροφη κατεύθυνση, μέχρι η τάση να ξεπεράσει τη μέγιστη ανάστροφη τάση. v D 7 Thyristor τριών επαφών (SCR) Ονομάζεται και ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου (silicon controlled rectifier) Πρόκειται ουσιαστικά για μια ελεγχόμενη δίοδο. Ο έλεγχος γίνεται μέσω ενός τρίτου ακροδέκτη, που ονομάζεται πύλη (gate) 8 4
Thyristor τριών επαφών (SCR) Η v i χαρακτηριστική του SCR όταν η πύλη είναι ανοικτή (ανενεργή) είναι ίδια με αυτή της διόδου PNPN. Το χαρακτηριστικό του SCR είναι το ότι η ορθή τάση κατάρρευσης έχει τη δυνατότητα να ρυθμίζεται από το ρεύμα που εφαρμόζεται στην πύλη. 9 Thyristor τριών επαφών (SCR) Μπορούμε να επιλέξουμε ένα SCR, ώστε η ορθή τάση κατάρρευσης με την πύλη ανοιχτή να είναι μεγαλύτερη από τη μέγιστη τάση του κυκλώματος. Σε αυτήν την περίπτωση το SCR θα άγει μόνο όταν δώσουμε ρεύμα στην πύλη (σκανδαλισμός triggering) Το SCR θα άγει μέχρι το ρεύμα που το διαρρέει να γίνει μικρότερο από το I H. Το ρεύμα στην πύλη εφαρμόζεται μέχρι να αρχίσει το SCR να άγει, μετά δε χρειάζεται για τη διατήρηση της αγωγιμότητας. Η χρήση των SCR είναι σήμερα πολύ διαδεδομένη σε κυκλώματα διακοπτών ή ανόρθωσης, για ονομαστικά ρεύματα μέχρι περίπου 3000 Α. 10 5
Thyristor τριών επαφών (SCR) Έλεγχος έναυσης: 11 Thyristor με διακοπή από την πύλη (GTO) Gate turn-off thyristor Πρόκειται για ένα SCR που μπορεί να μεταβεί στην κατάσταση αποκοπής με την εφαρμογή ενός μεγάλου αρνητικού παλμού στην πύλη του (ακόμα και με id > IH ) 12 6
Thyristor με διακοπή από την πύλη (GTO) Τα ρεύματα που απαιτούνται στην πύλη για την έναυση των GTO είναι μεγαλύτερα από αυτά των SCR (φτάνουν( τις μερικές δεκάδες Α) Για τη σβέση απαιτείται αρνητικός παλμός 20μs-30 30μs με τιμή 1/4 με 1/6 του ρεύματος που διαρρέει το εξάρτημα. 13 DIAC Πρόκειται για εξάρτημα που συμπεριφέρεται όπως δύο δίοδοι PNPN συνδεδεμένες πλάτη με πλάτη Το DIAC άγει και προς τις δύο κατευθύνσεις, αρκεί η τάση στα άκρα του να ξεπεράσει την ορθή τάση κατάρρευσης. 14 7
v i χαρακτηριστική: DIAC 15 TRIAC Πρόκειται για εξάρτημα που συμπεριφέρεται όπως δύο SCR συνδεδεμένα πλάτη με πλάτη, και με κοινή πύλη. 16 8
v i χαρακτηριστική: TRIAC 17 Transistor Ισχύος (PTR) Power Transistor (PTR) Χρησιμοποιούνται συχνά ως διακόπτες στον έλεγχο ηλεκτρικών μηχανών Συλλέκτης Βάση Εκπομπός 18 9
Transistor Ισχύος (PTR) Το κύριο χαρακτηριστικό του PTR είναι ότι το ρεύμα του συλλέκτη είναι ανάλογο του ρεύματος στη βάση Το πρόβλημα με το PTR είναι ότι οι ενδιάμεσες τιμές ρεύματος βάσης αυξάνουν την κατανάλωση ισχύος του Επίσης είναι σχετικά αργή η μετάβασή του 19 ιπολικό transistor απομονωμένης πύλης (IGBT) Insulated Gate Bipolar Transistor Πρόκειται για συνδυασμό PTR με ένα MOSFET (ένα( ακόμα είδος transistor) Η συμπεριφορά του IGBT είναι παρόμοια με αυτή του PTR, με τη διαφορά ότι ελέγχεται από την τάση που εφαρμόζεται στην πύλη του και όχι με το ρεύμα βάσης. Η σύνθετη αντίσταση πύλης του IGBT είναι πολύ μεγάλη, με αποτέλεσμα το ρεύμα πύλης να είναι μικρό. Επειδή το IGBT ελέγχεται από τάση, με πολύ μικρό ρεύμα πύλης, είναι πολύ πιο γρήγορο από το PTR. Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές μεγάλης ισχύος/συχνότητας συχνότητας 20 10
ιπολικό transistor απομονωμένης πύλης (IGBT) 21 Κυκλώματα ανορθωτών Μία πολύ συνηθισμένη χρήση των ηλεκτρονικών ισχύων είναι σε διατάξεις που μετατρέπουν την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή: Ανορθωτές Μέτρο της εξομάλυνσης που επιτυγχάνουν οι ανορθωτές είναι η κυμάτωση εξόδου (ripple) ripple): Ενεργή τιμή του εναλλασσόμενου μέρους της εξόδου r V ac, rms = V DC 100% Συνεχής συνιστώσα της τάσης εξόδου = μέση τιμή της τάσης εξόδου του ανορθωτή 1 T 0 () VDC = v0 t dt T 22 11
Κυκλώματα ανορθωτών Το πρόβλημα με την παραπάνω σχέση της κυμάτωσης βρίσκεται στον υπολογισμό της V ac, rms, για τον οποίο θα πρέπει να αφαιρέσουμε από την τάση εξόδου τη συνεχή συνιστώσα. Αυτό όμως είναι δύσκολο, οπότε προτιμούμε τον εξής υπολογισμό: Ενεργή τιμή της συνολικής τάσης εξόδου V rms r = 1 100% VDC 2 Συνεχής συνιστώσα της τάσης εξόδου = μέση τιμή της τάσης εξόδου του ανορθωτή 1 T 0 () 2 Vrms = v0 t dt T 23 Ημιανορθωτής Κυμάτωση r = 121% (Στην έξοδο η εναλλασσόμενη συνιστώσα μεγαλύτερη της συνεχούς!) 24 12
Πλήρης ανορθωτής Κυμάτωση: r = 48,2% 25 Πλήρης τριφασικός ανορθωτής Κυμάτωση: r = 4,2% 26 13